智能控制06-模糊控制设计总结优缺点与改进

e和ec较小
系统已经接近 稳态,此时要求 提高系统精度, 减少超调量
加大Ke和Kec； 降低Ku
3.3 参数自校正模糊控制器
根据上述参数自调整的原则和思想，可以设计一个模糊参数调整器，在线 地根据偏差e和偏差变化ec来调整Ke、Kec、Ku的取值。 在不影响控制效果的前提下，可以取Ke、Kec增加的倍数与输出的比例因 子Ku减小的倍数相同。 模糊参数调整器的设计 ① 确定模糊控制器的输入变量和输出变量；

NB NM 1 NS ZO PS PM PB
0 -6
-4
-2
0
2
4
6
x
E、EC的隶属函数分布
参数自校正模糊控制器
N的论域定义为：{1/8,1/4,1/2,1,2,4,8}； 语言值定义为：{ＣＨ(高缩)、ＣＭ(中缩)、ＣＬ(低缩)、ＯＫ(不变)、ＡＬ(低 放)、ＡＭ(中放)、ＡＨ(高放)} ；
双模控制器由模糊控制器和PI控制器并联组成。控制开关在系统误差较大时 接通模糊控制器，来克服不确定性因素的影响；在系统误差较小时接通PI控 制器来消除稳态误差。
复合控制器 模糊控制器 识别 判断 PI控制器 对象
控制开关的控制规则可以描述为： u FC , | e | A
PI , | e | A
dkp dki dkd r
-
e
PID控制器
y
讨论：PID对控制系统的影响



比例系数（现在）：加快系统的响应速度，提高系统的调节精度。 Kp越大，系统的响应速度越快，系统的调节精度越高，但易产生超 调，甚至导致系统不稳定。Kp 取值过小，则会降低调节精度，使 响应速度缓慢，从而延长调节时间，使系统静态、动态特性变坏。 积分系数（过去）：消除系统的稳态误差。Ki越大，系统的稳态 误差消除越快，但Ki过大，在响应过程的初期会产生积分饱和现象， 从而引起响应过程的较大超调。若Ki过小，将使系统稳态误差难以 消除，影响系统的调节精度。 微分系数（未来）：改善系统的动态特性。其作用主要是能反应 偏差信号的变化趋势。并能在偏差信号值变得太大之前，引入一 个有效的早期修正信号，从而加快系统的动作速度，减少调节时 间。
Байду номын сангаас联控制
复合控制器 模糊控 制器
＋
对象
PI 控制器
＋
当|E|≥1时，模糊控制器开关闭合，PI控制器的输出和模糊控制器的输出的和 作为被控对象的输入, 克服不确定性因素的影响,且有较强的控制作用； 当|E|<1时, 模糊控制器输出断开，仅有PI控制器控制对象, 消除稳态误差。
3.3.3 自校正模糊控制
当误差较大时，控制系统的主要任务是消除误差，加快响应速度， 这时对误差的加权应该大些； 当误差较小时，此时系统接近稳态，控制系统的主要任务是使系 统尽快稳定，减小系统超调，这就要求在控制规则中误差变化起的 作用大些，即对误差变化的加权大些。
因此，在不同的误差范围时，可以通过调整加权因子， 来实现控制规则的自调整。
模糊控制的优缺点
优点：
① 设计时不需要建立被控制对象的数学模型，只要求掌 握人类的控制经验。 ② 系统的鲁棒性强，尤其适用于非线性时变、滞后系统 的控制
模糊控制的优缺点
缺点：
① 模糊化和反模糊化过程缺乏系统的方法，主要靠经验和 试凑。 ② 总结模糊控制规则有时比较困难。 ③ 控制规则一旦确定，不能在线调整，不能很好地适应情 况的变化。 ④ 模糊控制器由于不具有积分环节，因而稳态精度不高。
规则自校正模糊控制器
2）如何进行规则的校正？
对于一个二维模糊控制器，当输入变量偏差E、偏差变化EC和输出控制量 U的论域等级划分相同时，则其控制查询表可以近似归纳为：
U ( E EC ) / 2, E和U的极性相同时 U -( E EC ) / 2, E和U的极性相反时
在上式的基础上引入一个调整因子，则可得到一种带有调整因子的控制规 则：
规则自校正模糊控制器
α的调整方法
1. 分段法 将误差的取值范围划分为几段，每一段对应一个调整因子α 。α的取 值随误差的增大而增大。
| E | A1 1 , , A1 | E | A2 2 n 1 , An 2 | E | An 1 | E | An 1 n,
PS,NS, NM
ZO,ZO, NS NS,PS, NS NS,PS, ZO NM,PM, PS NM,PM, PS
ZO,ZO, NS
NS,PS, NS NM,PM, NS NM,PM, ZO NM,PB, PS NB,PB, PS
NS,ZO, ZO
NS,PS, ZO NM,PM, ZO NM,PB, ZO NB,PB, PB NB,PB, PB
3.3 模糊控制的改进方法
串联控制
复合控制器
模糊控 制器
＋ ＋
PI 控制器
对象
当|E|≥1时, 系统的误差e和模糊控制器的输出u的和作为PI控制器的输入, 克 服不确定性因素的影响,且有较强的控制作用; 当|E|<1时, 模糊控制器输出断开,仅有e加到PI控制器的输入, 消除稳态误差。
3.3 模糊控制的改进方法

CH CM 1 CL OK AL AM AB
0 1/8 1/4 1/2 1 2 4 8
N
N的隶属函数分布
参数自校正模糊控制器 {CH(高缩)、CM(中缩)、CL(低缩)、
③ 总结专家控制规则及其蕴涵的模糊关系 OK(不变)、 AL(低放)、AM(中放)、AH(高放)}
N的调整规则表
④ 根据规则表蕴涵的模糊关系，经过模糊推理和清晰化操作，可以总结出相 应的模糊参数调整查询表。
（6）用比例因子Ku’ 乘以U获得控制量u。
规则自校正模糊控制器
1）为什么要进行规则校正? 控制规则和查询表都是在人工经验的基础上设计 出来的，因而难免带有主观因素，使控制规则往往 在某种程度上显得精度不高或不完善; 当对象的动态特性发生变化，或受到随机干扰的 影响时，需要对控制规则和查询表及时进行修正。
如果E、EC、U的论域和控制规则是确定的，那么模糊查询表是确定的， 也就是说，E、EC和U的关系是确定的，将这种关系可以用函数描述为： U(k)=f [E(k),EC(k)]
E (k ) K e e(k )
EC (k ) K ec ec(k )
u(k ) Ku f [ K e e(k ), K ec ec(k )]
普通模糊控制器的参数和控制规则在系统运行时无法在 线调整，自适应能力差
自校正模糊控制器
在线修正模糊控制器的参数或控制规则， 增强模糊控制器的自适应能力
自校正模糊控制器通常分为两种：
参数自校正模糊控制器
规则自校正模糊控制器
参数自校正模糊控制器
1）量化因子Ｋe、Ｋec和比例因子Ｋu对控制性能的影响
模糊规则表
dKp,dKi, dKd
NB
ec
NS ZO PS
PS,NS, NB
NB
PB,NB, PS
NM
PB,NB, NS
PM
ZO,ZO, NM
PB
ZO,ZO, PS
PM,NM, PM,NM, NB NB
NM
NS
PB,NB, PS
PB,NB, NS
PM,NM, PS,NS, NB NM
PM,NS, NM PS,NS, NS ZO,ZO, ZO NS,PS, PS NM,PS, PM PS,NS, NM ZO,ZO, NS NS,PS, ZO NM,PS, PS NM,PM, PM
基于切换方式实现的模糊PID控制器
r
-
e
Fuzzy控制器
|e|>E |e|<=E
对象
y
PID控制器
基于切换方式实现的模糊PID控制器

Example:
4 G (s) 30 s 1
Simulink仿真实现
Switch介绍
控制效果
PID
模糊PID
Kp=2, Ki=1, Kd=0
基于参数自整定的模糊PID控制器
模糊控制的改进方法
Why? 可以实现人的控制策略
易于实现

模糊控制的特点
在平衡点附近会产生振荡，稳态精度较差 提高控制精度必须以多分档为代价，因此使
得规则数和计算量大大增加
PID控制的特点：
模糊PID
运用普遍 参数对控制性能具有较大影响
3.3.2 模糊控制与PID控制的结合 ------ 双模控制
e
ZO PS PM PB
PM,NB, PM,NM, NS ZO PM,NM, PM,NM, NS ZO PS,NM, PS,NS, ZO ZO PS,ZO, PB ZO,ZO, PB ZO,ZO, NS ZO,ZO, PM
参考论文

模糊自整定PID控制器的设计及其应用，吴振 顺，姚建均，岳东海，哈尔滨工业大学学报， 2004年11月。
参数自校正模糊控制器
N
K ec N
Ke N
模糊参数 调整器
Ku / N
设定值 ＋ －
e
Ke
E
EC
d ec dt
模糊控制器
U
K
u
对象
K ec
参数自校正模糊控制系统原理图
参数自校正模糊控制器实现步骤
（1）以原始的Ke和Kec对e和ec进行量化得到E、EC； （2）由E、EC查模糊参数调整查询表得出调整倍数N; （3）令Ke ’=Ke×N， Kec ’=Kec×N ， Ku ’=Ku/N ； （4）用调整后的Ke ’ 、 Kec ’对e和ec重新量化； （5）用重新量化的E、EC查模糊控制表,得出控制量U。
U E (1 ) EC , E和U的极性相同时 U －[E (1 ) EC ] , E和U的极性相反时
α为调整因子或加权因子，它反映了误差E和误差变化EC对控制输出 量U的加权程度，通过调整α值，可以达到改变控制规则的目的。
规则自校正模糊控制器
α的调整对控制性能的影响
变结构模糊控制器 模糊控制器1
d / dt
特 征 识 别
模糊控制器2 对象
模糊控制器n
……
思考题
1. 用自己的语言和理解描述：什么是模糊控制？ 2. 模糊控制器的适用场合？ 3. 设速度论域为[0,300m/s],请将速度变量用慢， 中，快三个模糊集合表示（用图示法表示出 来）
de/dt
Fuzzy控制器
dkp dki dkd
r
-
e
PID控制器
对象
y
确定输入、输出变量


输入变量：e、de 输出变量： dk ,
p
参数整定
dki , dkd
e de
k p k p ' dk p ; ki ki ' dki ; k d k d ' dk d ;
对象
Fuzzy控制器
该模糊参数调整器的输入与模糊控制器的输入相同，为偏差E和偏差 变化EC；输出为Ke、Kec的增加倍数N（即Ku的减小倍数）。
参数自校正模糊控制器
② 确定输入，输出的论域、语言取值及其隶属函数； 输入E、EC的论域都定义为:E、EC∈{-6, -5, …, -1, 0, 1, …, 5, 6} 语言值定义为：{PB，PM，PS，ZO，NS，NM，NB}
0 1 2 n 1
误差 判断

E
U
EC
U E (1 ) EC
α的调整方法－函数法(2)
G (e) exp(ke2 ),(k 0)
令： 1 G (e)
偏差大时， α较大，系统能尽快消除偏差; 偏差小时， α较小，系统能尽快趋于稳态。 即根据模糊目标的隶属函数来调节大小。
u (k ) K u U (k )
2）Ke、Kec、Ku的调整方法
系统状态 e和ec较大 性能要求 尽快消除误差， 加快响应速度 参数调整的要求 降低Ke和Kec； 加大Ku 原因
降低Ke和Kec可以降低对 e和ec输入量的分辨率,使 得e、ec的减少不致于使 控制器的减少太多。 加大比例因子Ku,可以获 得较大的控制量,使响应 加快。 增大Ke和Kec可以提高对输 入变化的分辨率，使得控制 器可以对微小的误差做出反 应，提高稳态的精度 减少Ku，以减小超调量
3.3.4 变结构模糊控制
控制系统在实际运行中，往往会运行于不同的工作状态。在不同的工作状态， 控制的规则、输入输出的论域都不同。 可以将工作过程划分为几个状态，对不同的状态分别设计不同的模糊控制器。 系统在运行时，可以根据系统偏差、偏差变化率等状态特征，识别出系统所处 的状态，切换到所需的模糊控制器。