基于生態(tài)系統(tǒng)冗余結(jié)構(gòu)的Type-2模糊控制器設(shè)計(jì)

歐陽仁蓉

（蘇州建設(shè)交通高等職業(yè)技術(shù)學(xué)?；A(chǔ)教學(xué)部，江蘇蘇州215000）

基于生態(tài)系統(tǒng)冗余結(jié)構(gòu)的Type-2模糊控制器設(shè)計(jì)

歐陽仁蓉

（蘇州建設(shè)交通高等職業(yè)技術(shù)學(xué)校基礎(chǔ)教學(xué)部，江蘇蘇州215000）

本文提出了一類新的基于生態(tài)位模型的Type-2模糊控制系統(tǒng)，將含參數(shù)的生態(tài)位貼近度函數(shù)作為模糊規(guī)則的后件，從而構(gòu)成了Type-2 Takagi-Sugeno(T-S)模糊控制模型。主要采用Lyapunov方法設(shè)計(jì)控制器，利用梯度下降法優(yōu)化參數(shù)，得到參數(shù)的自適應(yīng)律。建立的模糊T-S模型具有生物個(gè)體的自適應(yīng)性，可以確保整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，通過prey-predator生態(tài)模型驗(yàn)證了該類控制器的有效性。

Type-2模糊系統(tǒng)；生態(tài)位；自適應(yīng)模糊控制

當(dāng)復(fù)雜的動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)受到外界干擾時(shí)會(huì)產(chǎn)生不可估量的損失。因此，人們?cè)谠O(shè)計(jì)系統(tǒng)時(shí)往往會(huì)加入模糊控制器來消除各類外界干擾，保持系統(tǒng)穩(wěn)定。1985年，Takagi首先提出了Takagi-Sugeno(T-S)模糊模型[1]，認(rèn)識(shí)到模糊系統(tǒng)具有較強(qiáng)的對(duì)外抗干擾性。后來利用模糊T-S模型對(duì)非線性系統(tǒng)進(jìn)行建模和控制逐漸成為模糊控制的一個(gè)熱點(diǎn)。文獻(xiàn)[2]討論了模糊控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性問題，并給出了系統(tǒng)穩(wěn)定的充分條件；文獻(xiàn)[3-4]研究了模糊控制系統(tǒng)的魯棒性問題，利用PDC技術(shù)和LMI技術(shù)討論了模糊線性系統(tǒng)的魯棒反饋問題；Chen等[5]討論了混合H2/H∞輸出反饋控制問題；Lee[6]提出了一種基于自適應(yīng)遺傳算法的模糊控制器的設(shè)計(jì)方法，通過優(yōu)化參數(shù)，獲得性能優(yōu)良的模糊控制器。但是不管研究哪種控制方法，復(fù)雜系統(tǒng)對(duì)外界干擾的穩(wěn)定程度仍達(dá)不到期望。

由于生態(tài)系統(tǒng)的冗余補(bǔ)充性，使系統(tǒng)內(nèi)的生物個(gè)體具備適應(yīng)環(huán)境的能力，并始終朝著有利于個(gè)體生存的方向發(fā)展，最終使系統(tǒng)處于平衡狀態(tài)。生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性與個(gè)體的生態(tài)位密切相關(guān)，本文利用生態(tài)系統(tǒng)的這種特性，將生態(tài)位與模糊控制相結(jié)合，提出了一種新的基于生物進(jìn)化特性的T-S模糊自適應(yīng)控制方法。用生態(tài)位的Type-2模型作為模糊系統(tǒng)的后件，采用文獻(xiàn)[7]的設(shè)計(jì)方法得出控制器和后件參數(shù)的自適應(yīng)律，對(duì)變動(dòng)的誤差目標(biāo)函數(shù)取得了很好的跟蹤效果。針對(duì)一類prey-predator生態(tài)模型，驗(yàn)證了該Type-2控制器對(duì)于外界具有很強(qiáng)的抗干擾性。

1 基于Type-2生態(tài)位貼近度的模糊T-S系統(tǒng)

定義1[8-9]設(shè)Λ是n維實(shí)空間上的向量，表示某物種X生存空間的某一狀態(tài)，Λ=（λ1，λ2，…，λn）表示生物生存和生殖的全部生態(tài)因子（生物因子和非生物因子）的坐標(biāo)，則n元函數(shù)f（Λ）= f（λ1，λ2，…，λn）表示物種X的Hutchinson生態(tài)位。

從物種的動(dòng)態(tài)曲線圖中，可以看出食餌數(shù)量x（t）趨向于零，這說明食餌數(shù)量會(huì)越來越少直至滅絕，這樣有可能導(dǎo)致捕食者的滅絕，系統(tǒng)呈失控狀態(tài)，就需要施加一些外力去影響系統(tǒng)中變化不規(guī)則的種群密度，使之漸進(jìn)跟蹤理想曲線，保持穩(wěn)定狀態(tài)。選擇的方式就是在系統(tǒng)(20)的兩個(gè)生物方程的后面加入上文中設(shè)計(jì)的這類自適應(yīng)T-S模糊控制器u1，u2，得到一個(gè)反饋控制系統(tǒng)：

假設(shè)物種x（t），y（t）的理想軌跡方程分別為

Type-2模糊控制器設(shè)計(jì)如下：

控制器u的模糊規(guī)則為

式中M1，M2，M3分別表示食餌的種群生態(tài)位大小為“小，中，大”3個(gè)Type-2模糊集合；θj（j=1，2）是Type-2模糊生態(tài)位Hi（Λj）與H（Λ*）之間取得最大貼近度值的點(diǎn)，則uj（X/θj）可以化簡(jiǎn)為

可得到理想控制器:

4 結(jié)論

針對(duì)一類非線性系統(tǒng)，本文提出了一類基于Type-2生態(tài)位幾何模型的模糊自適應(yīng)控制方法。將生態(tài)系統(tǒng)的冗余補(bǔ)充特性嵌入到模糊控制的設(shè)計(jì)中，使這類控制器具有了生物特性。因?yàn)檫@類模型的后件無需辨別參數(shù)，大大減少了參數(shù)優(yōu)化的復(fù)雜過程，使模糊系統(tǒng)更易于實(shí)施。又以一類prey-predator生態(tài)模型實(shí)例仿真，表明這類Type-2模糊控制器的有效性。該類具有生物特性的控制器可用于多種復(fù)雜工程系統(tǒng)的智能控制。

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Design of Type-2 Fuzzy Controller Based on the Redundant Construct of Ecosystem

OUYANG Ren-rong
(Department of Public Course，Suzhou institute of Construction and Communication，Suzhou,Jiangsu 215004，China)

A new Type-2 fuzzy control system based on niche of ecosystem is proposed.Regarding the approach degree function of niche with unknown parameters as the consequent of fuzzy rules，the T-S fuzzy control model on niche is constructed.The controller is designed by using themethod of the Lyapunov and the consequent parameters are determined by using a gradient descentmethod.Finally the adaptive low of consequent parameters is obtained.The fuzzy system is based on niche embodied biological individual's adaptability，which can make the closed-loop system stable.Simulation of twodimensional prey-predator system model is carried out to verify the effectiveness.

Type-2 fuzzy system；niche；adaptive fuzzy control

O231.2

A

1007-4260(2016)04-0057-05

時(shí)間：2017-1-3 17:19

http://www.cnki.net/kcms/detail/34.1150.N.20170103.1719.016.html

2016-03-16

江蘇聯(lián)合職業(yè)技術(shù)學(xué)院2016年度課題立項(xiàng)（B/2016/131045）。

歐陽仁蓉，女，揚(yáng)州寶應(yīng)人，碩士，蘇州建設(shè)交通高等職業(yè)技術(shù)學(xué)校基礎(chǔ)教學(xué)部講師，研究方向?yàn)槟：刂啤?/p>

E-mail:rongrongxing@126.com

10.13757/j.cnki.cn34-1150/n.2016.04.016