模糊控制方法介紹

程鳳林 張軍芳 杜鵬等

摘 要：模糊控制方法是一種在模糊集合論、模糊語(yǔ)言變量及模糊邏輯推理基礎(chǔ)上形成的計(jì)算機(jī)數(shù)字控制方法。模糊控制是一種智能的、非線性的控制方法。與傳統(tǒng)的控制方式相比，模糊控制有著很多的優(yōu)勢(shì)，它更加適用于復(fù)雜的、動(dòng)態(tài)的系統(tǒng)，模糊控制逐漸成為了一種重要而且有效的控制方法。本文將從組成部分、基本原理、設(shè)計(jì)方法等方面介紹模糊控制這種方法。

關(guān)鍵詞：交通工程;PLC控制;模糊控制

1 引言

對(duì)于無(wú)法使用精確語(yǔ)言及已有規(guī)律描述的復(fù)雜系統(tǒng)，將借助不精確的模糊條件語(yǔ)言來(lái)表述，這便產(chǎn)生了模糊控制。

傳統(tǒng)的自動(dòng)控制器需要建立被控對(duì)象準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型。然而在實(shí)際上，即使是稍微復(fù)雜點(diǎn)的系統(tǒng)，它的影響因素也都是較為復(fù)雜的、多樣的，這樣就很難建立出精確的數(shù)學(xué)模型。因此，模糊控制方法就應(yīng)運(yùn)而生。

2 模糊控制的工作原理

模糊控制的核心是模糊控制器，它的控制規(guī)律是由計(jì)算機(jī)程序來(lái)實(shí)現(xiàn)的。首先需要將所有監(jiān)測(cè)出的精確量轉(zhuǎn)換成為適應(yīng)模糊計(jì)算的模糊量，將得到的模糊量，通過(guò)模糊控制器進(jìn)行計(jì)算，然后再將這些經(jīng)模糊控制器計(jì)算得到的模糊量再次轉(zhuǎn)換為精確量，這樣就完成了一級(jí)模糊控制。然后等待下一次采樣，再進(jìn)行上述過(guò)程，如此循環(huán)，實(shí)現(xiàn)對(duì)被控對(duì)象的模糊控制[1]。

模糊控制原理圖如下：

3模糊控制步驟及特點(diǎn)

步驟1：對(duì)輸入量進(jìn)行模糊化處理;步驟2：創(chuàng)建模糊規(guī)則;步驟3：實(shí)施模糊推理;步驟4：輸出量的反模糊化處理。

模糊控制方法主要是由模糊化，模糊推理，清晰化三個(gè)部分構(gòu)成。模糊化： 在模糊控制算法當(dāng)中，模糊控制規(guī)則所使用的不是具體的、精確的數(shù)字量，而是模糊的語(yǔ)言量，使用的是不確定的語(yǔ)言形式。這就需要將得到的準(zhǔn)確量轉(zhuǎn)換為模糊的語(yǔ)言量。這個(gè)過(guò)程需要遵循一定的規(guī)則首先建立隸屬度函數(shù)，然后根據(jù)所建立的隸屬度函數(shù)將精確的輸入量轉(zhuǎn)換成為模糊量。

模糊推理的過(guò)程類似于人類思考推理的過(guò)程，它是模糊控制器中的精髓。

清晰化又可以叫做解模糊化，清晰化的過(guò)程與模糊化的過(guò)程正好相反，它是由將模糊推理得到的模糊結(jié)果又轉(zhuǎn)換成了精確量。

模糊控制中的主要問(wèn)題是模糊量與精確量之間的相互轉(zhuǎn)換問(wèn)題。

模糊控制的特點(diǎn)：適用的被控對(duì)象是很難獲得其精確模型;它是一種語(yǔ)言變量控制器;它是一種智能控制。該系統(tǒng)尤其適用于非線性、時(shí)變、滯后系統(tǒng)的控制;響應(yīng)速度快同時(shí)具有抗干擾能力強(qiáng)，并可以對(duì)系統(tǒng)參數(shù)的變化有較強(qiáng)的魯棒性。

3.1 模糊控制規(guī)則

模糊控制規(guī)則的設(shè)定是模糊控制器的關(guān)鍵部分。一般的模糊控制規(guī)則包括三部分內(nèi)容：選擇輸入、輸出變量的詞集，定義各模糊變量的模糊子集，建立模糊控制規(guī)則。確定模糊子集隸屬函數(shù)曲線的過(guò)程即為定義一個(gè)模糊子集。

常見(jiàn)的模糊條件語(yǔ)言及其對(duì)應(yīng)的模糊關(guān)系概況如下：

（1）“若A則B”為：

（2）“若A則B否則C”為：

（3）“若A且B則C”為：

（4）“若A或B且C或D”為：

（5）“若A則B且若A則C”為：

（6）“若A則B且若C則D”為：

3.2 精確量的模糊化

將精確量轉(zhuǎn)換為模糊量的過(guò)程稱為模糊化。模糊化處理后來(lái)實(shí)現(xiàn)模糊控制。

模糊化一般采用以下兩種方法：（1）將精確量離散化，如精確量的實(shí)際變化范圍記為，將其轉(zhuǎn)換為區(qū)間上的變量，可以采用公式：，若得到的值不是整數(shù)，將其取成最接近的整數(shù)。（2）將某區(qū)間上的精確量模糊化成一個(gè)模糊子集，它在點(diǎn)處的隸屬度取為1，其它點(diǎn)處的隸屬度都取成0。[1-3]。

3.3 模糊推理

在建立模糊控制規(guī)則之后，還需要經(jīng)過(guò)模糊推理，才可以去得到控制變量的模糊子集。模糊推理及模糊量的非模糊化包括以下幾種方法?？紤]模糊規(guī)則為 。

（1）MIN-MAX-重心法：

重心的計(jì)算公式為，也就是加權(quán)平均法，加權(quán)系

數(shù)為。

（2）代數(shù)積-加法-重心法：

重心的計(jì)算公式仍然是。

（3）模糊加權(quán)型推理法： 模糊規(guī)則為，定義適合

度為，則。

（4）函數(shù)型推理法：模糊規(guī)則為，則

（5）加權(quán)函數(shù)型推理法：模糊規(guī)則為，則。

方法還包括選擇最大隸屬度法，取中位數(shù)法。詳細(xì)方法介紹可參考文獻(xiàn)[1]。

3.4 論域、量化因子、比例因子的選擇

模糊控制器的輸入變量誤差變化的實(shí)際范圍稱為變量的基本論域。量化因子和比例因子可以對(duì)清晰值進(jìn)行比例變換，從而使變量按一定比例進(jìn)行放大或者縮小，能夠使其與相鄰近的模塊進(jìn)行匹配。量化因子是將精確值從基本論域到模糊論域的變換系數(shù)。設(shè)基本論域?yàn)?，模糊論域?yàn)椋瑒t量化因子為。由模糊論域到基本論域的變換系數(shù)叫做比例因子。經(jīng)過(guò)清晰化后，假設(shè)輸出量的模糊論域?yàn)?，要求輸出控制量的基本論域?yàn)?，則比例因子為。量化因子和比例因子不僅可以進(jìn)行論域變換從而使得前后模塊匹配，還可以在整個(gè)系統(tǒng)中起到一定的調(diào)節(jié)作用[4]。

4 結(jié)語(yǔ)

模糊控制理論作為控制思想領(lǐng)域的一次深刻變革，它能夠針對(duì)那些時(shí)變的、非線性的復(fù)雜系統(tǒng)，當(dāng)不能建立被控對(duì)象清晰的數(shù)學(xué)模型時(shí)，可以使用模糊控制器給出較有效的控制方法。因此，模糊控制的應(yīng)用是非常廣泛的。

參考文獻(xiàn)：

[1]李士勇.模糊控制[M].哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，2011（09）.

[2]申龍龍.基于模糊控制的單路口信號(hào)控制研究[D].北京交通大學(xué).

[3]黃友銳.遺傳優(yōu)化算法及其應(yīng)用[M].北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2008（0l）：25-33.

[4]石辛民，郝整清.模糊控制及其MATLAB仿真[M].清華大學(xué)出版社，2010（07）.