智能控制作業(yè)

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1、1、已知某一爐溫控制系統(tǒng)，要求溫度保持在 600 度恒定。 針對該控制系統(tǒng)有以下控制經(jīng)驗： （1）若爐溫低于 600 度，則升壓；低的越多升壓越高。 （2）若爐溫高于 600 度，則降壓；高的越多降壓越低。 （3）若爐溫等于 600 度，則保持電壓不變。 設(shè)模糊控制器為一維控制器，輸入語言變量為誤差，輸出為 控制電壓。輸入、輸出變量的量化等級為 7 級，取 5 個模糊 集。試設(shè)計隸屬度函數(shù)誤差變化劃分表、控制電壓變化劃分 表和模糊控制規(guī)則表。 解： 1）確定變量 定義理想溫度為 600 C,實際溫度為 T,則溫度誤差為 E=600-T。 將溫度誤差 E 作為輸入變量 2）輸入

2、量和輸出量的模糊化 將偏差E分為5個模糊集：NB、NS、ZO、PS、PB,分別為 負小、負大、零、正小、正大。將偏差 E 的變化分為 7 個等 級： -3 -2 -1 0 1 2 3，從而得到溫度模糊表如表 1所示。 表1溫度變化E劃分表 隸屬度 變化等級 -3 -2 -1 0 1 2 3 模糊 集 PB 0 0 0 0 0 0.5 1 PS 0 0 0 0 1 0.5 0 ZO 0 0 0.5 1 0.5 0 0 NS 0 0.5 1 0 0 0 0 NB 1 0.5 0 0 0 0

3、0 控制電壓u也分為5個模糊集：NB、NS、ZO、PS、PB,分 別為負小、負大、零、正小、正大。將電壓 u的變化分為7 個等級：-3 -2 -1 0 1 2 3，從而得到電壓變化模糊表如表 2所 示。 表2電壓變化u劃分表 隸屬度 變化等級 -3 -2 -1 0 1 2 3 模糊 集 PB 0 0 0 0 0 0.5 1 PS 0 0 0 0 1 0.5 0 ZO 0 0 0.5 1 0.5 0 0 NS 0 0.5 1 0 0 0 0 NB 1 0.5 0 0 0 0 0 

4、表3 模糊控制規(guī)則表 E PB PS ZO NS NB u PB PS ZO NS NB 2、利用MATLAB,為下列兩個系統(tǒng)設(shè)計模糊控制器使其穩(wěn)態(tài) 誤差為零，超調(diào)量不大于 1%，輸出上升時間w 0.3s。假定被 控對象的傳遞函數(shù)分別為： - 0.55 s G1 (s)=三 2 (s + 1)2 G2 (s)二 4.228 (s 0.5)( s2 1.64s 8.456 ) 解: 在matlab窗口命令中鍵入 fuzzy，得到如下鍵面: 設(shè)e的論域范圍為［-1 1］ , de的論域范圍為［-0.1 0.1］ , u的論

5、域范圍為［0 2］。 將e分為8個模糊集，分別為 NB ,NM, NS, NZ, PZ, PS, PM, PB; de分為7個模糊集，分別為NB ,NM ,NS, Z ,PS ,PM ,PB; u分為7個模糊集，分別為 NB ,NM ,NS, Z ,PS ,PM ,PB; MATLAB中的設(shè)置界面如下: 模糊規(guī)則的確定: 模糊控制器的輸出量 在simulink中調(diào)用模糊控制

6、器，觀察輸出結(jié)果 運行結(jié)果為 Scope ■: ill ；＜i Scopel 11 - 11 11 ? 二 J Scope2 3、利用去模糊化策略，分別求出模糊集

7、 A的值。模糊集 A 的定義為： 」a(x) = trap (x,10,30,50 ,90) 解：(1)面積重心法 x=10:l:100; >> rapmf (xj, [10j 30, 50, 90]); >> xx=defuzz (xj A, centroid) xx = 46 (2)面積等分法 x=10:l:100; A^trapmf (x, [10, 30, 50, 90]); >> xx=defu2z(x, mfj ? bisector) (3) 最大隸屬度平均法 45 x=10:1:100; >> A=t rapmf (x, [10,

8、 30j 50, 90]); >> xx=defuzz(X, A, mom) XX 二 40 (4) 最大隸屬度取最小法 x=10:l:100; >> A=t rapmf (x, [10, 30j 50? 90]); >> zx-defuzz (x5 Aj som") XX = 30 (5) 最大隸屬度取最大法 x=10:l:100; A=trapmf (xj [10, 30f 50f 90]); >> xs=defuzz (xj & lom ) XX = 50 4、設(shè)論域 x={a1 , a2, a3}, y={b1 , b2, b3}, z={c1

9、, c2} 已知 A 0.5 1 0.1 , 丄範(fàn) 亠 0.4 1 A = + + 7 b — c = — + — a1 a2 a3 耳 S 電 c1 c2 試確定“If A AND B then C 所決定的模糊關(guān)系 R,以及輸入 為 4=1 坐 01 B = 01 05 丄 a1 a2 03 1 bj b2 b3 時的輸出C1 A 二 〔0.5 1 0.11 B 二 0 1 1 C = 0.4 1 A = 1 0.5 0.1 B^ 0.1 0.5 1 0.5 1 1 0.1 1 0.5 0.5 D =

10、A B 二 1 〔0.1 1 0.6丄 0.1 1 c J 0.6 _0.1 _0.1 0.1 0.1 解 0.61 d1t r ■0.11 f 0.1 0.11 0.5 0.4 0.5 0.5 0.4 0.5 0.1 0.1 0.1 1 1 ’ 0.4 1]= 1 0.4 1 0.6 0.4 0.6 0.1 0.1 0.1 0.1 0.1 0.1 01 一 L 0.1 0.1」 R = DT C = ■1 1 [ ■ 0.1 0.5 1 1 0.5 漢 10.1 0.5 1

11、】= 0.1 0.5 0.5 】0.1 一 i i 0.1 0.1 0.1 一 D[ = A Bi - -0.1 0.5 1 0.1 0.5 0.5 0.1 _0.1 0.1 0.4 0.5 0.4 0.5 0.1 0.1 0.4 1 0.4 0.6 0.1 0.1 0.1 0.1 0.1 0.1 0.11 -0.4 0.51

12、 0.4 0.5 Ci C2 5利用兩層BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)完成對[-n, n ]區(qū)間上正弦函數(shù)逼 近，隱層函數(shù)取 S型傳輸函數(shù)，輸出層的激活函數(shù)取線性傳 輸函數(shù)。(采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)工具箱提供的函數(shù)完成) 解：根據(jù)條件在 MATLAB環(huán)境下，采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)工具箱提 供的函數(shù)完成正弦函數(shù)逼近如下： 程序代碼如下： x=[-pi:O. 01:pi]; y=sin (x); net^newff (mirunaa [20j 1], { tansigf j purelin"}); yl=sini (netjx); net.trairrparam?Epoc

13、h&=5Q; net? trainpzrajit?goal^O? 01; net=t rain (net ? y); TRAINLM, Epoch 0/50, MSE 8.54911/0.01, Gradient 5060.. 09/1 e-010 TRAINLM, Epoch 1/50, USE D?00123415/0.01, Gradient IL0158/le-010 TRAINLM, Perfoniiance goal met? y2=sini(Mt,x); figure; Plot 仗,y,? b-,瓦 yl,? r-?,斷 y2s ? g—) i 仿

14、真結(jié)果如下： 圖1為原函數(shù)與網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練前后仿真結(jié)果的比較(圖中紅色曲 線代表訓(xùn)練前的網(wǎng)絡(luò)，綠色代表訓(xùn)練后的網(wǎng)絡(luò)，藍色代表原 函數(shù)) 圖1原函數(shù)與網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練前后的仿真結(jié)果 圖2為誤差曲線 圖2 誤差曲線 幷車中的應(yīng)用 一、概述 二、 在汽車上的應(yīng)用方面 三、 舉例說明在汽車空調(diào)當(dāng)中的應(yīng)用 、概述 1、什么叫模糊控制? 所謂模糊控制，就是對難以用已有規(guī)律描述 的復(fù)雜系統(tǒng)，采用自然語言（如大、中、小）加 以敘述，借助定性的、不精確的及模糊的條件語 句來表達。 模糊控制是一種基于語言的一種智能控制 2、為什么采用模糊控制？ 傳統(tǒng)的自

15、動控制控制器的綜合設(shè)計都要建立在被 控對象準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型（即傳遞函數(shù)模型或狀態(tài)空 間模型）的基礎(chǔ)上，但是在實際中，很多系統(tǒng)的影 響因素很多，（油氣混合過程、缸內(nèi)燃燒過程 等），很難找出精確的數(shù)學(xué)模型。這種情況下， 模糊控制的誕生就顯得意義重大。因為模糊控制 不用建立數(shù)學(xué)模型不需要預(yù)先知道過程精確的數(shù) 學(xué)模型。 要研制智能化的汽車，就離不開模糊控制技術(shù)如 汽車空調(diào)：人體舒適度的模糊性和空調(diào)復(fù)雜系統(tǒng) 3、工作原理 把由各種傳感器測出的精確量轉(zhuǎn)換成為適于模糊 運算的模糊量，然后將這些量在模糊控制器中加以 運算，最后再將運算結(jié)果中的模糊量轉(zhuǎn)換為精確 量，以便對各執(zhí)行器進行具體的操作控制。

16、在模糊控制中，存在著一個模糊量和精確量之間 相互轉(zhuǎn)化的問題 模糊控制原理圖 S：系統(tǒng)的設(shè)定值。 x1, x2:模糊控制的輸入（精確量）。 X,1 , X2: 模糊量化處理后的模糊量。 U:經(jīng)過模糊控制規(guī)則和近似推理后得出的模糊控制量。 u:經(jīng)模糊判決后得到的控制量 （精確量）。 y：對象的輸出。 也可以表示成 莆戲hlehji 也 .葉. 1料tE 檢量3 也可以表示成 也可以表示成 工作步驟： 輸入量模糊化 建立模糊規(guī)則 進行模糊

17、推理 輸出量反模糊 3、模糊控制的特點 ① 適用于不易獲得精確數(shù)學(xué)模型的被控 對象， ② 是一種語言變量控制器 ③ 從屬于智能控制的范疇。該系統(tǒng)尤其 適于非線性，時變，滯后系統(tǒng)的控制 ④ 抗干擾能力強，響應(yīng)速度快，并對系 統(tǒng)參數(shù)的變化有較強的魯棒性。 、模糊控制在汽車的應(yīng)用方面 1、 ABS防抱死系統(tǒng) 工況的多變及輪胎的非線性 2、 汽車巡航系統(tǒng) 外界負荷的擾動、汽車質(zhì)量和傳動系效率的不確 定性、被控對象的強非線性 3、 汽車空調(diào)人體舒適感的模糊性和空調(diào)復(fù)雜結(jié)構(gòu) 4、 半主動懸架 系統(tǒng)參數(shù)不穩(wěn)定性 5、 發(fā)動機 三、在汽車空調(diào)上的應(yīng)用 對

18、汽車空調(diào)系統(tǒng)的要求： ★技術(shù)性能和控制性能優(yōu)良，滿足人體舒適性的要求； ★節(jié)能 自動控制的應(yīng)用是達到這兩方面要求的一個重要途徑。 經(jīng)典控制理論：建立數(shù)學(xué)模型 現(xiàn)代控制理論：狀態(tài)方程 空調(diào)器為典型的傳質(zhì)換熱系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)和內(nèi)部物理過程復(fù)雜，難以 建立精確的數(shù)學(xué)模型。汽車空調(diào)由于 工作條件多變，用傳統(tǒng)的控制方 法如：PID控制，難以獲得較好的控制效果。 對于環(huán)境干擾，魯棒性好，能夠抑制非線性因素對控制器的影響 全空調(diào)型客車空調(diào)原理圖 1、外進風(fēng)；2出風(fēng)口 ；3蒸發(fā)器風(fēng)機:4蒸發(fā)器芯;5熱水器芯: 6溫度門:7、出風(fēng)口 :8車內(nèi)進風(fēng) 模糊控制是基于語言的控制 模糊

19、語言集的組成：T ( E) T ( E) ={負大，負中，負小，零，正小，正中，正大 } 用模糊語言變量E來描述偏差， 或用符號表示 負大 NB( Negative Big )、 負中 NM( Negative Medium )、 負小 NS( Negative Small 零 ZE( Zero )、 正小 PS( Positive Small )、 正中 PM( Positive Medium )， 正大 PB (Positive Big )， 則： T (E) = {NB，NM NS, ZE, PS, PM，PB} 建立隸屬函數(shù)： 各參數(shù)對相應(yīng)子集的隸屬函數(shù)分別由不同的函數(shù)族

20、決定。參數(shù)相相應(yīng) 集的多少，由控制精度決定。 糊子集多，因而控制精度更高(在其它條件相同的情況下)。溫度偏 差x的相應(yīng)子集為： 正大：u( X)=1 -1/ (1+0.5X2) (X>o) 正中：u ( X )=1/ ( 1+ (X-2 ) 2) (X>0) 正?。簎 ( X )=1/ ( 1+(x-1) 2) 正很?。簎 ( X)=1/ ( 1+0.5X2) 負很?。簎 ( x)=1/ ( 1+0.5X2) 負?。簎 ( x )=1/ ( 1+(x+1) 2 負中：u ( x)=1/ ( 1+(x+2) 2) 負大：u ( x)= 1 -1/ (1+0.5X 2)

21、(X>0) (X>0) (X<0) (X<0) (X<0) (X<0) 控制輸出量U的隸屬函數(shù)  1 冷 ffig 熱 L 1 1 | 10 20 30 40 普通集合對溫度的定義 模糊集合對溫度的設(shè)定 ★汽車空調(diào)模糊控制系統(tǒng)的 控制執(zhí)行器：壓 縮機、蒸發(fā)器風(fēng)機、電子膨脹閥 ★控制目標(biāo): 壓縮機能量調(diào)節(jié)機構(gòu)控制其排量； 蒸發(fā)器風(fēng)機控制車內(nèi)的送風(fēng)量； 電子膨脹閥控制壓縮機吸入氣體的過熱度。 執(zhí)行器和控制量之間有交互的影響，增 加了控制的復(fù)雜性。

22、 汽車空調(diào)模糊控制框圖 模糊控制規(guī)則：(根據(jù)人工經(jīng)驗設(shè)定) 根據(jù)溫差和溫差變化率設(shè)定等級，推導(dǎo)壓縮 機排量、膨脹閥開度和風(fēng)機轉(zhuǎn)速的等級。 (1)如果溫差“正大”，溫差變化率“負很小”，認為機器制冷力嚴(yán)重 不足。運行狀態(tài)設(shè)置為：壓縮機排量為“最大”，膨脹閥開度為“最 大”，風(fēng)機轉(zhuǎn)速為“最大”。 (2)如果溫差“正中” 運行狀態(tài)設(shè)置為： ,溫差變化率“正大”，認為機器制冷力不足， 壓縮機排量為“大”，膨脹閥開度為“大”，風(fēng)機 轉(zhuǎn)速為“大”。 (3)如果溫差“正小” 運行狀態(tài)設(shè)置為： ,溫差變化率“正中”，認為機器制冷力

23、仍不足， 壓縮機排量為“中”，膨脹閥開度為“中”，風(fēng)機 轉(zhuǎn)速為“中”。 如果溫差變化率相應(yīng)子集數(shù)和溫差相同 ，均為8個，那么，這種 類型的規(guī)則應(yīng)有64條 模糊控制規(guī)則衣 Table. 4~1 NS ZE PS PB NM NS ZE 2E 筍 網(wǎng) ZE ZE PS ZE NS l\L PS PM PS NS ZE PB PB PB ZE f>S PW PB PB 建立模糊控制規(guī)則的基本思想：當(dāng)誤差大或較大時，選擇控制量以盡快 消除誤差為主，而當(dāng)誤差較小時，選擇控制量要注意防止超調(diào)，以系統(tǒng)的

24、穩(wěn)定性為主要出發(fā)點。 以誤差為負大時，誤差變化為負大為例，這時誤差有增大的趨勢，為 盡快消除已有的負大誤差并抑制誤差變大，所以控制量取負大，即使風(fēng)門 開度達到最小，減少通過加熱器的風(fēng)量。 控制步驟： ‘ ⑴.計算出溫度差x，溫差的變化率X，X，X即為精確的控制輸入。 (2).求出控制輸入X、X對相應(yīng)子集的隸屬度，把精確的控制輸入轉(zhuǎn)換成 模糊量。 例如，x=1 C，x=0.1 C /min，則有： X對相應(yīng)子集的隸屬度為(按前述設(shè)定隸屬函數(shù))： 正大：u (x)=0.33 正中：u (x)=0.5 正小：u (x)=1 正很?。簎 (x)=0.67 其余子集

25、：u (x)=0 同樣地，x對相應(yīng)子集隸屬度亦可算出，例如： 正大：u ( x)=0.1 正中：u ( *)=0.8 正?。簎址)=0.9 正很小：u(X )=0.1 其余子集：u X)=0 ⑶.模糊控制規(guī)則條件部分的隸屬度。 例如，對前述設(shè)定的模糊控制規(guī)則⑴⑵、 控制輸入組y二｛x=「C ,x=O.「C /min｝對其條 件部分的隸屬度可求得： 對規(guī)則⑴的條件部分：u(y)=O 對規(guī)則⑵的條件部分：u (y)=0.1 對規(guī)則⑶的條件部分：u (y)=0.8 (4)利用模糊控制規(guī)則，推導(dǎo)控制輸出的模糊量。由前 一步驟計算的對規(guī)則條件部分的隸屬度 u (y),可直接得

26、 出相應(yīng)規(guī)則結(jié)論部分對相應(yīng)子集的隸屬度。 例如，對規(guī)則⑶，已知y對條件部分的隸屬度u (y) =0.8 , 那么，壓縮機排量F對“中等排量”隸屬度u (F)=0.8，風(fēng) 機轉(zhuǎn)速v，對“中等轉(zhuǎn)速”隸屬度u (v)=0.8，膨脹閥開度N 對“中等轉(zhuǎn)速”隸屬度u (N)=0.8。考慮所有有關(guān)的結(jié)論部 分，即可得到控制輸出對相應(yīng)子集的隸屬度。如壓縮機排 量F對相應(yīng)子集 的隸屬度為：最大：u (F)=0 大：u (F)=0.1 中：u (F)=0.8 小: u (F)=0.7 最?。簎 (F)=0.1 模糊推理規(guī)則 輸出模糊量 根據(jù)重心法原則 模糊控制器控制表

27、4 4 5 4 4 T -I 0 0 -1 ■1 : 1 1 I 9 -1 o 1 2 -1 -1 U I 時間/min 腫，擰制:- 常規(guī)拎制 模糊控制與常規(guī)控制比較 模糊控制具有超調(diào)量小、穩(wěn)差小的特點。一般汽車空調(diào)模糊控制 可節(jié)能15%?20% 控制過程： 1、 根據(jù)溫度傳感器和濕度傳感器測定的溫度濕度，以人體舒適感為基 礎(chǔ)，對車廂溫度進行模糊修正 2、 根據(jù)設(shè)定溫度和實測溫度，用模糊控制原則推論控制輸岀 3、 根據(jù)室外溫度、乘車滿員率對控制輸出進行熱負荷模糊修正。 4、 根據(jù)車門啟閉情況，對控制輸出進行修正 緒諂* 實行模糊控制要進行三個方面的工作: (1)精確量的模糊化，把語言變量的語言值化 為某適當(dāng)論域上的模糊子集； ⑵模糊控制算法和設(shè)計，通過一組模糊條件 語句構(gòu)成模糊控制規(guī)則，并計算模糊控制 規(guī)則決定的模糊關(guān)系； ⑶ 輸出信息的模糊判決，并完成由模糊量到 精確量的轉(zhuǎn)化