第一篇：《模糊控制》課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)方法

文件20

《模糊控制》課程 實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)方法

李士勇教授

Harbin Institute of Technology

2005.11 文件20

《模糊控制》課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)方法

一、問(wèn)題的提出

模糊控制課程作為黑龍江省精品課程，是由哈工大航天學(xué)院控制科學(xué)與工程系面向自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)開(kāi)設(shè)的一門(mén)專(zhuān)業(yè)課，在自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)課程體系中，占有重要地位。

模糊控制教學(xué)，在形式上分為理論課教學(xué)和實(shí)驗(yàn)課教學(xué)，二者是一個(gè)有機(jī)的整體。內(nèi)容上它們既有聯(lián)系，又有差別；教學(xué)上它們既一致，又各有側(cè)重點(diǎn)；理論與實(shí)踐上它們相輔相成。然而，伴隨著精品課程建設(shè)的不斷深入，素質(zhì)教育理念的確立，原有模糊控制課程的教學(xué)，無(wú)論是理論教學(xué)，還是實(shí)驗(yàn)教學(xué)都明顯地缺少科學(xué)素質(zhì)教育的核心內(nèi)容之一——科學(xué)方法教育的支持。

素質(zhì)教育泛指對(duì)學(xué)生各方面修養(yǎng)、能力的綜合培養(yǎng)；科學(xué)素質(zhì)教育是指對(duì)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、分析問(wèn)題、解決問(wèn)題以及知識(shí)更新能力的綜合培養(yǎng)。

模式泛指可以使人模仿的標(biāo)準(zhǔn)樣式、某種規(guī)范的結(jié)構(gòu)或者框架。

方法論教育有兩個(gè)層次。一個(gè)是一般的、共性的、概括性的方法論教育，即哲學(xué)方法教育；另一個(gè)是特殊的、個(gè)性的、具體的方法論教育，如科學(xué)方法，思維方法和工作方法等。這兩個(gè)層次的方法統(tǒng)一于辯證法、認(rèn)識(shí)論和方法論，它們之間既相互區(qū)別、又相互聯(lián)系、相互包含，并且還會(huì)在一定條件下相互轉(zhuǎn)換。本文所指科學(xué)方法專(zhuān)指具體的邏輯思維方法、創(chuàng)造性方法、研究方法和科學(xué)研究成果組織與表達(dá)方法（即寫(xiě)作方法）。

本文所指實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)是指在正式進(jìn)行科學(xué)實(shí)驗(yàn)之前，實(shí)驗(yàn)者根據(jù)一定的目的和要求，運(yùn)用相關(guān)的科學(xué)知識(shí)、實(shí)驗(yàn)原理，科學(xué)方法對(duì)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的材料、手段、方法、步驟和策略等全部要素進(jìn)行定制，以獲得優(yōu)化實(shí)驗(yàn)方案的過(guò)程。

科學(xué)素質(zhì)教育模式下的理論教學(xué)設(shè)計(jì)應(yīng)該是原有理論教學(xué)設(shè)計(jì)再加上科學(xué)方法的教學(xué)設(shè)計(jì)；而由于實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)的核心內(nèi)容是實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，所以實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)應(yīng)該是在原有實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上再加上科學(xué)方法的教學(xué)設(shè)計(jì)，并按一定的原則和方式對(duì)其進(jìn)行重新組織。只有這樣，才能滿(mǎn)足精品課程建設(shè)的高水平要求，才能充分體現(xiàn)出素質(zhì)教育，特別是科學(xué)素質(zhì)教育在人才培養(yǎng)中的重要作用。

基于上述討論，本文探討科學(xué)素質(zhì)教育模式下的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)問(wèn)題。有關(guān)科學(xué)素質(zhì)教育模式下的理論教學(xué)設(shè)計(jì)問(wèn)題，限于篇幅將另文討論。作者認(rèn)為，盡管目前的素質(zhì)教育還處于理念的層次上，但是積極探索、研究并著手解決這兩個(gè)問(wèn)題將是一件很有意義的事情。值得注意的是，上述問(wèn)題的提出，也間接說(shuō)明了各學(xué)科專(zhuān)業(yè)有結(jié)合自己學(xué)科專(zhuān)業(yè)特點(diǎn)獨(dú)立開(kāi)展科學(xué)方法教育的趨勢(shì)。

二、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)

1、模糊控制實(shí)驗(yàn)的定義

模糊控制實(shí)驗(yàn)的定義符合一般科學(xué)實(shí)驗(yàn)的定義，即人們根據(jù)一定的科學(xué)研究目的、運(yùn)用科學(xué)儀器或設(shè)備等手段，在人為控制或模擬研究對(duì)象的條件下，獲得科學(xué)事實(shí)的過(guò)程。

科學(xué)事實(shí)是指通過(guò)觀(guān)察和實(shí)驗(yàn)所獲得的經(jīng)驗(yàn)事實(shí)，是指對(duì)客觀(guān)事實(shí)的感知、描述和記錄，作為觀(guān)察和實(shí)驗(yàn)的結(jié)果反映到人們的意識(shí)中。科學(xué)事實(shí)一般可為兩類(lèi)：一類(lèi)是指客體與儀器相互作用結(jié)果的表征，如觀(guān)測(cè)儀器上所記錄和顯示的數(shù)字、圖像等；另一類(lèi)是指觀(guān)察和實(shí)驗(yàn)所得結(jié)果的陳述和判斷。科學(xué)事實(shí)屬于認(rèn)識(shí)論的范疇，是科學(xué)研究的基礎(chǔ)。

科學(xué)實(shí)驗(yàn)在科學(xué)研究中除了具有明確的目的性和主動(dòng)性以外，還具有重要的作用，表現(xiàn)在兩個(gè)方面，首先它是檢驗(yàn)理論、原理真理性的標(biāo)準(zhǔn)，是證明科學(xué)知識(shí)的手段；其次它是獲得新假說(shuō)、新理論的直接來(lái)源，是發(fā)展科學(xué)知識(shí)的手段。作者指出，從科學(xué)素質(zhì)教育角度來(lái)看，科學(xué)實(shí)驗(yàn)還是科學(xué)方法與實(shí)驗(yàn)技能訓(xùn)練的手段。

2、模糊控制實(shí)驗(yàn)遵循的一般科學(xué)研究方法

模糊控制實(shí)驗(yàn)遵循的一般科學(xué)研究方法：

（1）根據(jù)經(jīng)驗(yàn)或現(xiàn)象的觀(guān)察提出或確定問(wèn)題，樹(shù)立研究目標(biāo)；（2）觀(guān)察并記錄有關(guān)的數(shù)據(jù)、資料；

（3）根據(jù)觀(guān)察數(shù)據(jù)提出解釋性假說(shuō)，以解釋觀(guān)察到的現(xiàn)象；

（4）根據(jù)假說(shuō)進(jìn)行推演，構(gòu)造理論體系，同時(shí)提出判決實(shí)驗(yàn)方案；（5）用實(shí)際的實(shí)驗(yàn)對(duì)假說(shuō)進(jìn)行檢驗(yàn)；

（6）根據(jù)實(shí)驗(yàn)所得結(jié)果，接受、修改或放棄假說(shuō)。

上述具有歸納特點(diǎn)的科學(xué)研究方法，適用于一切科學(xué)研究過(guò)程，并得到科學(xué)界的廣泛認(rèn)可。由此可以看出，要想進(jìn)行科學(xué)實(shí)驗(yàn)，首先要對(duì)研究對(duì)象所表現(xiàn)出來(lái)的現(xiàn)象提出某種可能的解釋。也就是提出某種設(shè)想或假說(shuō)，然后設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證這個(gè)設(shè)想或假說(shuō)。本文把這種科學(xué)實(shí)驗(yàn)稱(chēng)為一般意義上的科學(xué)實(shí)驗(yàn)，它的內(nèi)涵僅限于科學(xué)事實(shí)的驗(yàn)證和發(fā)現(xiàn)。

與上述一般意義上的科學(xué)實(shí)驗(yàn)不同，科學(xué)素質(zhì)教育模式下的模糊控制實(shí)驗(yàn)已不再局限于一般意義，而是被賦予了明顯的方法論意義。此時(shí)的實(shí)驗(yàn)不僅會(huì)被當(dāng)作科學(xué)事實(shí)驗(yàn)證和發(fā)現(xiàn)的手段，而且還會(huì)被當(dāng)作一種科學(xué)方法與實(shí)驗(yàn)技能訓(xùn)練的手段。當(dāng)把它當(dāng)作訓(xùn)練手段使用時(shí)，強(qiáng)調(diào)的是人在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的主體意識(shí)（動(dòng)腦）與主體行為（動(dòng)手）。這一過(guò)程包括實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)實(shí)施、實(shí)驗(yàn)控制以及實(shí)驗(yàn)結(jié)果處理等實(shí)驗(yàn)的各個(gè)階段。例如，我們可以在科學(xué)方法方面進(jìn)行如下問(wèn)題設(shè)計(jì)：

（1）什么是科學(xué)問(wèn)題？如何定義科學(xué)問(wèn)題？定義科學(xué)問(wèn)題的方法有哪些？（2）什么是科學(xué)事實(shí)？如何獲取科學(xué)事實(shí)？獲取科學(xué)事實(shí)的方法有哪些？（3）什么是設(shè)想或假說(shuō)？如何提出設(shè)想或假說(shuō)？提出設(shè)想或假說(shuō)的方法有哪些？

（4）什么是理論體系？如何構(gòu)造理論體系？構(gòu)造理論體系的邏輯方法有哪些？（5）什么是判決實(shí)驗(yàn)？如何設(shè)計(jì)判決實(shí)驗(yàn)？判決實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)方法有哪些？對(duì)判決實(shí)驗(yàn)進(jìn)行控制的方法有哪些？保證判決實(shí)驗(yàn)結(jié)果精確性的方法有哪些？（6）什么是設(shè)想或假說(shuō)檢驗(yàn)？如何進(jìn)行設(shè)想或假說(shuō)檢驗(yàn)？除檢驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)方法外，檢驗(yàn)的理論方法有哪些？確保檢驗(yàn)的權(quán)威性或可信性的方法有哪些？如何進(jìn)行佐證？

（7）如何對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析？實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析方法有哪些？

（8）根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，如何接受或放棄設(shè)想或假說(shuō)？修改設(shè)想或假說(shuō)的方法有哪些？修改后的設(shè)想或假說(shuō)上升為理論后，其應(yīng)用范圍或領(lǐng)域有哪些？結(jié)論是否還能再精確一點(diǎn)？表述再簡(jiǎn)單一點(diǎn)？應(yīng)用更方便一點(diǎn)？

（9）如何組織表達(dá)或表述所獲科學(xué)研究成果？組織表達(dá)或表述科學(xué)研究成果的方法有哪些？（10）上述各個(gè)步驟中所包含的方法、原理、手段、措施還能否應(yīng)用于其他方面？還能解決什么其他問(wèn)題？

（11）能否歸納、總結(jié)并說(shuō)明上述各個(gè)步驟中所包含的邏輯思維方法、創(chuàng)造性方法、研究方法和寫(xiě)作方法？它們各有什么作用？他們之間的相互區(qū)別、聯(lián)系是什么？

3、模糊控制實(shí)驗(yàn)的分類(lèi)

可以按照科學(xué)實(shí)驗(yàn)的定義、目的、作用、性質(zhì)、用途和方式等對(duì)其進(jìn)行分類(lèi)。依據(jù)實(shí)驗(yàn)的作用進(jìn)行分類(lèi)，模糊控制實(shí)驗(yàn)可分為驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)、探索性實(shí)驗(yàn)、綜合性實(shí)驗(yàn)和訓(xùn)練性實(shí)驗(yàn)四大類(lèi)。驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)則用于知識(shí)證明或知識(shí)遷移；探索性實(shí)驗(yàn)用于科學(xué)發(fā)現(xiàn)；綜合性實(shí)驗(yàn)則既包含知識(shí)發(fā)現(xiàn)也包含知識(shí)證明；訓(xùn)練性實(shí)驗(yàn)則是把實(shí)驗(yàn)作為訓(xùn)練手段而使人們通過(guò)它掌握科學(xué)方法與實(shí)驗(yàn)技能。依據(jù)實(shí)驗(yàn)的性質(zhì)進(jìn)行分類(lèi)，模糊控制實(shí)驗(yàn)可分為模擬控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)、數(shù)字控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)、非線(xiàn)性控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)等等。

二、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的原則

雖然模糊控制實(shí)驗(yàn)可以劃分成不同類(lèi)型，但是它們的設(shè)計(jì)程序或?qū)嶒?yàn)過(guò)程卻是大致相同的。依據(jù)一般科學(xué)研究方法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)規(guī)劃時(shí)，實(shí)驗(yàn)的基本過(guò)程可分為三個(gè)階段：一是準(zhǔn)備階段；二是實(shí)施階段；三是結(jié)果處理階段。其中準(zhǔn)備階段的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)是整個(gè)研究過(guò)程中極其重要的環(huán)節(jié)，它不僅影響實(shí)驗(yàn)?zāi)芊竦玫娇茖W(xué)的結(jié)果，而且關(guān)系到實(shí)驗(yàn)的人力、物力和實(shí)驗(yàn)經(jīng)費(fèi)的合理性等。因此，應(yīng)按一定的原則進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)。

1、安全性原則

無(wú)論什么實(shí)驗(yàn)都應(yīng)在安全、可靠的環(huán)境下進(jìn)行，要確保實(shí)驗(yàn)人員、環(huán)境的絕對(duì)安全。這是任何實(shí)驗(yàn)都必須滿(mǎn)足的先決條件，模糊控制實(shí)驗(yàn)也不能例外。

2、科學(xué)性原則

所謂科學(xué)性是指實(shí)驗(yàn)?zāi)康囊鞔_，實(shí)驗(yàn)原理要正確，實(shí)驗(yàn)材料和實(shí)驗(yàn)手段的選擇要恰當(dāng)，整個(gè)設(shè)計(jì)思路和實(shí)驗(yàn)方法的確定都不能偏離本學(xué)科專(zhuān)業(yè)基本知識(shí)、基本原理以及其他相關(guān)學(xué)科領(lǐng)域的基本原則。

3、可行性原則

可行性原則是指在設(shè)計(jì)本學(xué)科專(zhuān)業(yè)實(shí)驗(yàn)時(shí)，從實(shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)的實(shí)施到實(shí)驗(yàn)結(jié)果的產(chǎn)生，都具有可行性。

4、簡(jiǎn)便性原則

設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)時(shí)，要考慮到實(shí)驗(yàn)材料容易獲得，實(shí)驗(yàn)裝置比較簡(jiǎn)單，消耗品、易耗品比較便宜，實(shí)驗(yàn)操作過(guò)程比較簡(jiǎn)單，實(shí)驗(yàn)步驟比較少，實(shí)驗(yàn)時(shí)間比較短。

5、可重復(fù)性原則

重復(fù)、隨機(jī)和對(duì)照是保證實(shí)驗(yàn)結(jié)果正確性的三大原則，多年來(lái)為研究者所公認(rèn)。因此，在實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)中也必須注意實(shí)驗(yàn)的可重復(fù)性。任何實(shí)驗(yàn)都必須要有足夠的實(shí)驗(yàn)次數(shù)，才能判斷結(jié)果的可靠性，設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)不能只能進(jìn)行一次，在無(wú)法重復(fù)的情況下，所獲結(jié)論可信度極差。可重復(fù)性是進(jìn)行一切科學(xué)實(shí)驗(yàn)所必須滿(mǎn)足的條件。

6、方法論原則

當(dāng)把科學(xué)實(shí)驗(yàn)作為科學(xué)方法訓(xùn)練手段使用時(shí)，就應(yīng)在兩個(gè)層次上考慮方法論原則。在哲學(xué)方法層次上要依據(jù)方法論中所貫穿的辯證法精神及其基本原則，認(rèn)識(shí)論中感性認(rèn)識(shí)、理性認(rèn)識(shí)與實(shí)踐之間的準(zhǔn)則關(guān)系等進(jìn)行方法論問(wèn)題設(shè)計(jì)并加以檢驗(yàn)；在科學(xué)方法層次上要依據(jù)實(shí)驗(yàn)中可能用到的具體的邏輯思維方法、創(chuàng)造性方法、研究方法和科學(xué)研究成果組織與表達(dá)方法進(jìn)行方法論問(wèn)題設(shè)計(jì)并加以檢驗(yàn)。只有這樣，才能突出和強(qiáng)化科學(xué)實(shí)驗(yàn)在科學(xué)素質(zhì)教育中的作用。

三、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的內(nèi)容

根據(jù)模糊控制實(shí)驗(yàn)的定義及其分類(lèi)，科學(xué)素質(zhì)教育模式下的模糊控制實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的內(nèi)容應(yīng)有利于下述目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。

1、有利于通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明知識(shí)；

2、有利于通過(guò)實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)知識(shí)的遷移；

3、有利于通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)知識(shí)；

4、有利于通過(guò)實(shí)驗(yàn)建立知識(shí)體系（理論體系）；

5、有利于通過(guò)實(shí)驗(yàn)訓(xùn)練，掌握科學(xué)方法。

基于上述目標(biāo)，一個(gè)較為完整的模糊控制實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，應(yīng)包含以下幾方面的內(nèi)容：

1、確定實(shí)驗(yàn)題目；

2、提出實(shí)驗(yàn)驗(yàn)設(shè)想與假說(shuō)；

3、確定實(shí)驗(yàn)方法和實(shí)驗(yàn)步驟（包括實(shí)驗(yàn)過(guò)程控制以及重復(fù)、隨機(jī)和對(duì)照等實(shí)驗(yàn)策略的制定）；

4、提出實(shí)驗(yàn)預(yù)期結(jié)果；

5、確定要觀(guān)察、記錄和搜集的數(shù)據(jù)及其方法；

6、確定數(shù)據(jù)預(yù)處理的內(nèi)容與方式；

7、確定數(shù)據(jù)分析的內(nèi)容與方法；

8、實(shí)驗(yàn)報(bào)告格式、內(nèi)容及其編寫(xiě)（填寫(xiě)）要求的設(shè)計(jì)；

9、上述各項(xiàng)內(nèi)容中所包含的有關(guān)的具體的方法論問(wèn)題設(shè)計(jì)。

與此相對(duì)應(yīng)，能夠體現(xiàn)上述設(shè)計(jì)思想與內(nèi)容的模糊控制實(shí)驗(yàn)報(bào)告一般應(yīng)具有如下結(jié)構(gòu)：

1、實(shí)驗(yàn)題目；

2、實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?yàn)證、探索、綜合和訓(xùn)練）；

3、實(shí)驗(yàn)要求（實(shí)驗(yàn)前、實(shí)驗(yàn)中及實(shí)驗(yàn)后）；

4、實(shí)驗(yàn)原理（隱含實(shí)驗(yàn)假說(shuō)和實(shí)驗(yàn)預(yù)期）；

5、實(shí)驗(yàn)設(shè)備、儀器與材料；

6、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容；

7、實(shí)驗(yàn)方法與步驟（隱含實(shí)驗(yàn)類(lèi)型、實(shí)驗(yàn)控制及實(shí)驗(yàn)策略）；

8、實(shí)驗(yàn)結(jié)果（實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)）；

9、實(shí)驗(yàn)結(jié)論（數(shù)據(jù)分析、比較和評(píng)價(jià)等）；

10、實(shí)驗(yàn)討論與思考。

四、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)實(shí)踐

在精品課程建設(shè)過(guò)程中，在精品意識(shí)和科學(xué)素質(zhì)教育理念的推動(dòng)下，模糊控制實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的目標(biāo)已發(fā)生了根本性轉(zhuǎn)變。實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)目標(biāo)已從過(guò)去單一的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)目標(biāo)向驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)、探索性實(shí)驗(yàn)、綜合性實(shí)驗(yàn)和訓(xùn)練性實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)群邁進(jìn)。這一目標(biāo)群的建立，一方面使得模糊控制實(shí)驗(yàn)不再是知識(shí)的簡(jiǎn)單驗(yàn)證、再現(xiàn)和遷移；另一方面也使得實(shí)驗(yàn)指向了未知的過(guò)程、科學(xué)方法的訓(xùn)練以及實(shí)驗(yàn)技能的培養(yǎng)。同時(shí)，這一目標(biāo)群的建立，也為營(yíng)造學(xué)生人人動(dòng)手和人人動(dòng)腦的科學(xué)實(shí)驗(yàn)研究氣氛，改善實(shí)驗(yàn)條件和實(shí)現(xiàn)模糊控制“用理論指導(dǎo)實(shí)驗(yàn)，用實(shí)驗(yàn)深化理論”的良性循環(huán)提供了良好的契機(jī)。

目前，哈工大本科生模糊控制實(shí)驗(yàn)涉及驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)、探索性實(shí)驗(yàn)、綜合性實(shí)驗(yàn)和訓(xùn)練性實(shí)驗(yàn)四大類(lèi)。這些實(shí)驗(yàn)是結(jié)合我校控制科學(xué)與工程學(xué)科專(zhuān)業(yè)特點(diǎn)、理論教學(xué)的需要、精品課程建設(shè)以及科學(xué)素質(zhì)教育理念而設(shè)計(jì)的系列實(shí)驗(yàn)。旨在讓學(xué)生通過(guò)這些實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證、探索已知和未知的控制理論基本概念、基本原理和基本方法，并通過(guò)這些實(shí)驗(yàn)掌握科學(xué)方法與實(shí)驗(yàn)技能。

第二篇：模糊控制實(shí)驗(yàn)報(bào)告

模糊控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)報(bào)告

學(xué)院：班級(jí)：

姓名：學(xué)號(hào)：

一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?.通過(guò)本次實(shí)驗(yàn)，進(jìn)一步了解模糊控制的基本原理、模糊模型的建立和模糊控制器的設(shè)計(jì)過(guò)程。

2.提高有關(guān)控制系統(tǒng)的程序設(shè)計(jì)能力；

3.熟悉Matlab語(yǔ)言以及在智能控制設(shè)計(jì)中的應(yīng)用。

二、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

設(shè)計(jì)一個(gè)采用模糊控制的加熱爐溫度控制系統(tǒng)。被控對(duì)象為一熱處理工藝制作中的加熱爐，加熱設(shè)備為三相交流調(diào)壓供電裝置，輸入控制信號(hào)電壓為0-5V，輸出相電壓為0-220V，輸出最大功率180kW，爐內(nèi)變化室溫~625℃。

三、實(shí)驗(yàn)過(guò)程及步驟

1.用Matlab中的Simulink工具箱，組成一個(gè)模糊控制系統(tǒng)，如圖所示

2.采用模糊控制算法，設(shè)計(jì)出能跟蹤給定輸入的模糊控制器，對(duì)被控系統(tǒng)進(jìn)行仿真，繪制出系統(tǒng)的階躍響應(yīng)曲線(xiàn)。

（1）模糊集合及論域的定義

對(duì)誤差E、誤差變化EC機(jī)控制量U的模糊集合及其論域定義如下：

E、EC和U的模糊集合均為：

{NB、NM、NS、0、PS、PM、PB}

E和EC的顯示范圍為：[-6

6]

結(jié)果如下圖所示

打開(kāi)Rule編輯器，并將49條控制規(guī)則輸入到Rule編輯器中

利用編輯器的”View→Rules”和”View→Surface”得到模糊推理系統(tǒng)的模糊規(guī)則和輸入輸出特性曲面，分別如下圖所示

從圖中可以看出，輸出變量U是關(guān)于兩個(gè)輸入變量E、EC的非線(xiàn)性函數(shù)，輸入輸出特性曲面越平緩、光滑，系統(tǒng)的性能越好。

將FIS嵌入Simulink

R（t）=400℃時(shí)系統(tǒng)階躍響應(yīng)

系數(shù)Ke變小時(shí)的系統(tǒng)階躍響應(yīng)

通過(guò)本設(shè)計(jì)可以知道，模糊控制具有能夠得到良好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能，并且不需要知道被控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型，適應(yīng)性強(qiáng)，上升時(shí)間快。與PID控制相比有著很大的優(yōu)勢(shì)，采用PID控制雖然穩(wěn)態(tài)性能較好，但是難以得到滿(mǎn)意的動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能。當(dāng)然，模糊控制也有著自身的缺點(diǎn)，容易受到模糊規(guī)則等級(jí)的限制而引起誤差，需要進(jìn)一步改進(jìn)。

四、實(shí)驗(yàn)總結(jié)

通過(guò)這次《模糊控制系統(tǒng)》課程實(shí)驗(yàn)增加了對(duì)模糊調(diào)節(jié)器的理解，認(rèn)識(shí)到了模糊控制器的優(yōu)缺點(diǎn)。并進(jìn)一步熟練了用Matlab中Simulink工具箱的應(yīng)用，提高了自己的動(dòng)手能力。通過(guò)這次課程設(shè)計(jì)也使我認(rèn)識(shí)到對(duì)Matlab中Simulink工具箱的應(yīng)用還不夠熟練，將來(lái)應(yīng)該加強(qiáng)操作、學(xué)習(xí)。

第三篇：模糊控制優(yōu)缺點(diǎn)

4模糊控制的優(yōu)缺點(diǎn)及需要解決的問(wèn)題分析 4.1模糊控制的優(yōu)點(diǎn)

(1)使用語(yǔ)言方法, 可不需要過(guò)程的精確數(shù)學(xué)模型;(2)魯棒性強(qiáng), 適于解決過(guò)程控制中的非線(xiàn)性、強(qiáng)耦合時(shí)變、滯后等問(wèn)題;(3)有較強(qiáng)的容錯(cuò)能力。具有適應(yīng)受控對(duì)象動(dòng)力學(xué)特征變化、環(huán)境特征變化和動(dòng)行條件變化的能力;(4)操作人員易于通過(guò)人的自然語(yǔ)言進(jìn)行人機(jī)界面聯(lián)系, 這些模糊條件語(yǔ)句容易加到過(guò)程的控制環(huán)節(jié)上。

4.2模糊控制的缺點(diǎn)

(1)信息簡(jiǎn)單的模糊處理將導(dǎo)致系統(tǒng)的控制精度降低和動(dòng)態(tài)品質(zhì)變差;(2)模糊控制的設(shè)計(jì)尚缺乏系統(tǒng)性, 無(wú)法定義控制目標(biāo)。4.3 模糊控制理論需解決的問(wèn)題

模糊控制理論經(jīng)過(guò)近幾十年的發(fā)展, 已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用。但模糊控制理論也還存在一些不足, 還有一些亟待解決的問(wèn)題, 歸納如下:(1)要揭示模糊控制器的實(shí)質(zhì)和工作機(jī)理, 解決穩(wěn)定性和魯棒性理論分析的問(wèn)題。

2)很多應(yīng)用和經(jīng)驗(yàn)表明, 模糊控制的魯棒性?xún)?yōu)于傳統(tǒng)控制策略。但模糊控制和傳統(tǒng)控制的魯棒性的對(duì)比關(guān)系究竟是怎么樣, 尚缺少理論分析和數(shù)學(xué)推導(dǎo)方面的比較。(3)模糊控制規(guī)則和隸屬度函數(shù)的獲取與確定是模糊控制中的?瓶頸&問(wèn)題。目前模糊控制規(guī)則中模糊子集的一般選取都是以下3種: e= {負(fù)大, 負(fù)小, 零, 正小, 正大} = {NB, NS, ZO, PS, PB }或e =負(fù)大, 負(fù)中, 負(fù)小, 零, 正小, 正中, 正大= { NB, NM,NS, ZO, PS, PM, PB}或e= {負(fù)大, 負(fù)中, 負(fù)小, 零負(fù),零正, 正小, 正中, 正大} = {NB, NM, NS, NZ, PZ, PS,PM, PB}, 而隸屬度函數(shù)通常選用的為三角隸屬度函數(shù), 以第3種模糊子集為例, 對(duì)應(yīng)的隸屬函數(shù)如圖3示。而規(guī)則中模糊子集及隸屬度函數(shù)的選擇大多數(shù)取決于經(jīng)驗(yàn), 缺少相應(yīng)的理論根據(jù)。

(4)在多變量模糊控制中, 需要對(duì)多變量耦合和?維數(shù)災(zāi)&問(wèn)題進(jìn)行研究, 這些問(wèn)題的解決與否將是多變量模糊控制能否廣泛應(yīng)用的關(guān)鍵。

圖

3模糊化子集和模糊化等級(jí)

5模糊控制的發(fā)展趨勢(shì)

模糊控制的發(fā)展大致有以下幾個(gè)方向:(1)復(fù)合模糊控制器。繼續(xù)研究模糊控制和PID 控制器、變節(jié)構(gòu)控制器、模糊H 控制器等的組合研究, 設(shè)計(jì)出滿(mǎn)足各種不同指標(biāo)要求的控制器。

(2)和各種智能優(yōu)化算法相結(jié)合的模糊控制。各種智能優(yōu)化算法(如遺傳算法、模擬退火算法、粒子群優(yōu)化算法等)能夠?qū)δ：刂埔?guī)則進(jìn)行動(dòng)態(tài)尋優(yōu), 故能在線(xiàn)修改模糊控制規(guī)則, 改善系統(tǒng)的控制品質(zhì)。

(3)專(zhuān)家模糊控制。專(zhuān)家模糊是將專(zhuān)家系統(tǒng)技術(shù)與模糊控制相結(jié)合的產(chǎn)物。引入專(zhuān)家系統(tǒng), 可進(jìn)一步提高模糊控制的智能水平, 專(zhuān)家模糊控制保持了基于規(guī)則的方法和模糊集處理帶來(lái)的靈活性, 同時(shí)又把專(zhuān)家系統(tǒng)技術(shù)的知識(shí)表達(dá)方法結(jié)合起來(lái), 能處理更廣泛的控制問(wèn)題。

(4)多變量模糊控制。研究多變量模糊控制中存在著的多變量耦合和?維數(shù)災(zāi)&等問(wèn)題。

(5)很多公開(kāi)發(fā)表的文獻(xiàn)對(duì)所設(shè)計(jì)模糊控制器的穩(wěn)定性及魯棒性分析采用仿真實(shí)驗(yàn)的方法, 而采用理論分析的較少。對(duì)混合模糊系統(tǒng)的穩(wěn)定性及魯棒性分析一般有2種方法[ 5] : 第1 種方法利用模糊系統(tǒng)辨識(shí)的方法將控制對(duì)象變換為模糊模型表示,使整個(gè)系統(tǒng)變?yōu)榧兇獾哪：Ｐ? 從而可采用模糊關(guān)系法及模糊相平面分析法等來(lái)檢驗(yàn)系統(tǒng)的穩(wěn)定性;第2種方法將控制器的模糊模型變?yōu)榇_定性的模型, 從而混合模糊系統(tǒng)變?yōu)槌Ｒ?guī)的控制系統(tǒng), 進(jìn)而可采用常規(guī)的方法來(lái)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行穩(wěn)定性分析。例如

描述函數(shù)法、圓判據(jù)法、一般相平面法及線(xiàn)性近似法 等。而究竟采用模糊模型還是確定性模型則需要根據(jù)所設(shè)計(jì)系統(tǒng)的具體情況進(jìn)行分析, 因此選擇合適的理論方法對(duì)所設(shè)計(jì)和模糊控制器進(jìn)行穩(wěn)定性及魯棒性分析也是模糊控制理論發(fā)展的方向之一。

結(jié)

束

語(yǔ)

文章對(duì)模糊控制理論的發(fā)展進(jìn)行了簡(jiǎn)要概述,對(duì)模糊控制的原理及模糊控制器的設(shè)計(jì)步驟進(jìn)行了詳細(xì)介紹;對(duì)模糊控制在航空航天中應(yīng)用(各種控制器的設(shè)計(jì))進(jìn)行了分析, 對(duì)模糊控制的優(yōu)缺點(diǎn)及需要解決的問(wèn)題進(jìn)行了歸納和分析;最后對(duì)模糊控制的發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了展望。

第四篇：模糊控制學(xué)習(xí)心得

模糊控制學(xué)習(xí)心得

班別：電氣143 學(xué)號(hào)：1407300043 姓名：范寶榮

“模糊”是人類(lèi)感知萬(wàn)物,獲取知識(shí),思維推理,決策實(shí)施的重要特征。“模糊”比“清晰”所擁有的信息容量更大,內(nèi)涵更豐富,更符合客觀(guān)世界。

在日常生活中,人們的思維中有許多模糊的概念,如大、小、冷、熱等,都沒(méi)有明確的內(nèi)涵和外延,只能用模糊集合來(lái)描述。人們常用的經(jīng)驗(yàn)規(guī)則都是用模糊條件語(yǔ)句表達(dá),例如,當(dāng)我們擰開(kāi)水閥往水桶里注水時(shí),有這樣的經(jīng)驗(yàn):桶里沒(méi)水或水較少時(shí),應(yīng)開(kāi)大水閥;桶里水較多時(shí),應(yīng)將水閥關(guān)小些;當(dāng)水桶里水快滿(mǎn)時(shí),則應(yīng)把閥門(mén)關(guān)得很小;而水桶里水滿(mǎn)時(shí)應(yīng)迅速關(guān)掉水閥。其中,“較少”、“較多”、“小一些”、“很小”等,這些表示水位和控制閥門(mén)動(dòng)作的概念都具有模糊性。即有經(jīng)驗(yàn)的操作人員的控制規(guī)則具有相當(dāng)?shù)哪：浴Ｄ：刂凭褪抢糜?jì)算機(jī)模擬人的思維方式,按照人的操作規(guī)則進(jìn)行控制,實(shí)現(xiàn)人的控制經(jīng)驗(yàn)。

模糊控制理論是由美國(guó)著名的學(xué)者加利福尼亞大學(xué)教授Zadeh·L·A于1965年首先提出,它以模糊數(shù)學(xué)為基礎(chǔ),用語(yǔ)言規(guī)則表示方法和先進(jìn)的計(jì)算機(jī)技術(shù),由模糊推理進(jìn)行決策的一種高級(jí)控制策略。1974年,英國(guó)倫敦大學(xué)教授Mamdani·E·H研制成功第一個(gè)模糊控制器,充分展示了模糊技術(shù)的應(yīng)用前景。

盡管模糊控制理論已經(jīng)取得了可觀(guān)的進(jìn)展,但與常規(guī)控制理論相比仍不成熟。模糊控制系統(tǒng)的分析和設(shè)計(jì)尚未建立起有效的方法,在很多場(chǎng)合下仍然需要依靠經(jīng)驗(yàn)和試湊。近年來(lái),許多人一直嘗試將常規(guī)控制理論的概念和方法擴(kuò)展至模糊控制系統(tǒng),而模糊控制與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合的方法已成為研究的熱點(diǎn),二者的結(jié)合有效地推動(dòng)了自學(xué)習(xí)模糊控制的發(fā)展。模糊控制易于獲得由語(yǔ)言表達(dá)的專(zhuān)家知識(shí),能有效地控制那些難以建立精確模型而憑經(jīng)驗(yàn)可控制的系統(tǒng),而神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)則由于其仿生特性更能有效利用系統(tǒng)本身的信息,并能映射任意函數(shù)關(guān)系,具有并行處理和自學(xué)習(xí)能力,容錯(cuò)能力也很強(qiáng)。在集成大系統(tǒng)中,神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可用于處理低層感知數(shù)據(jù),模糊邏輯可用于描述高層的邏輯框架[5]。模糊邏輯與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)合有兩種情況:一是將模糊技術(shù)用于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)形成模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò),一是用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)模糊控制。這兩方面均見(jiàn)于大量的研究文獻(xiàn)。

常規(guī)模糊控制的兩個(gè)主要問(wèn)題在于:改進(jìn)穩(wěn)態(tài)控制精度和提高智能水平與適應(yīng)能力。從大量文獻(xiàn)中可以看出,在實(shí)際應(yīng)用中,往住是將模糊控制或模糊推理的思想,與其他相對(duì)成熟的控制理論或方法結(jié)合起來(lái),發(fā)揮各自的長(zhǎng)處,從而獲得理想的控制效果。

例如，利用模糊復(fù)合控制理論的分檔控制,將PI或PID控制策略引入Fuzzy控制器,構(gòu)成Fuzzy-PI或Fuzzy-PID復(fù)合控制;適應(yīng)高階系統(tǒng)模糊控制需要的三維模糊控制器;將精確控制和模糊控制結(jié)合起來(lái)的精確—模糊混合控制;將預(yù)測(cè)控制與模糊控制相結(jié)合,利用預(yù)測(cè)模型對(duì)控制結(jié)果進(jìn)行預(yù)報(bào),并根據(jù)目標(biāo)誤差和操作者的經(jīng)驗(yàn)應(yīng)用模糊決策方法在線(xiàn)修正控制策略的模糊預(yù)測(cè)控制等。

模糊控制的發(fā)展過(guò)程中,提出了多種自組織、自學(xué)習(xí)、自適應(yīng)模糊控制器。它們根據(jù)被控過(guò)程的特性和系統(tǒng)參數(shù)的變化,自動(dòng)生成或調(diào)整模糊控制器的規(guī)則和參數(shù),達(dá)到控制目的。這類(lèi)模糊控制器在實(shí)現(xiàn)人的控制策略基礎(chǔ)上,又進(jìn)一步將人的學(xué)習(xí)和適應(yīng)能力引入控制器,使模糊控制具有更高的智能性。自校正模糊控制器、參數(shù)自調(diào)整模糊控制等控制方法也較大地增強(qiáng)了對(duì)環(huán)境變化的適應(yīng)能力。模糊控制與其他智能控制方法的結(jié)合組成的模糊控制,如專(zhuān)家模糊控制能夠表達(dá)和利用控制復(fù)雜過(guò)程和對(duì)象所需的啟發(fā)式知識(shí),重視知識(shí)的多層次和分類(lèi)的需要,彌補(bǔ)了模糊控制器結(jié)構(gòu)過(guò)于簡(jiǎn)單、規(guī)則比較單一的缺陷,賦予了模糊控制更高的智能。

二者的結(jié)合還能夠擁有過(guò)程控制復(fù)雜的知識(shí),并能夠在更為復(fù)雜的情況下對(duì)這些知識(shí)加以有效利用。

基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的模糊控制能夠?qū)崿F(xiàn)局部或全部的模糊邏輯控制功能。

模糊控制器正向著自適應(yīng)、自組織、自學(xué)習(xí)方向發(fā)展,使得模糊控制參數(shù)、規(guī)則在控制過(guò)程中自動(dòng)地調(diào)整、修改和完善,從而不斷完善系統(tǒng)的控制性能,達(dá)到更好的控制效果,而與專(zhuān)家系統(tǒng)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等其他智能控制技術(shù)相融合成為其發(fā)展趨勢(shì)。

模糊邏輯控制(Fuzzy Logic Control)簡(jiǎn)稱(chēng)模糊控制(Fuzzy Control)，是以模糊集合論、模糊語(yǔ)言變量和模糊邏輯推理為基礎(chǔ)的一種計(jì)算機(jī)數(shù)字控制技術(shù)。1965年，美國(guó)的L.A.Zadeh創(chuàng)立了模糊集合論；1973年他給出了模糊邏輯控制的定義和相關(guān)的定理。1974年，英國(guó)的E.H.Mamdani首先用模糊控制語(yǔ)句組成模糊控制器，并把它應(yīng)用于鍋爐和蒸汽機(jī)的控制，在實(shí)驗(yàn)室獲得成功。這一開(kāi)拓性的工作標(biāo)志著模糊控制論的誕生。

模糊控制實(shí)質(zhì)上是一種非線(xiàn)性控制，從屬于智能控制的范疇。模糊控制的一大特點(diǎn)是既具有系統(tǒng)化的理論，又有著大量實(shí)際應(yīng)用背景。模糊控制的發(fā)展最初在西方遇到了較大的阻力；然而在東方尤其是在日本，卻得到了迅速而廣泛的推廣應(yīng)用。近20多年來(lái)，模糊控制不論從理論上還是技術(shù)上都有了長(zhǎng)足的進(jìn)步，成為自動(dòng)控制領(lǐng)域中一個(gè)非常活躍而又碩果累累的分支。其典型應(yīng)用的例子涉及生產(chǎn)和生活的許多方面，例如在家用電器設(shè)備中有模糊洗衣機(jī)、空調(diào)、微波爐、吸塵器、照相機(jī)和攝錄機(jī)等；在工業(yè)控制領(lǐng)域中有水凈化處理、發(fā)酵過(guò)程、化學(xué)反應(yīng)釜、水泥窯爐等的模糊控制；在專(zhuān)用系統(tǒng)和其它方面有地鐵靠站停車(chē)、汽車(chē)駕駛、電梯、自動(dòng)扶梯、蒸汽引擎以及機(jī)器人的模糊控制等。

所謂模糊控制,就是在控制方法上應(yīng)用模糊集理論、模糊語(yǔ)言變量及模糊邏輯推理的知識(shí)來(lái)模擬人的模糊思維方法,用計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)與操作者相同的控制。該理論以模糊集合、模糊語(yǔ)言變量和模糊邏輯為基礎(chǔ),用比較簡(jiǎn)單的數(shù)學(xué)形式直接將人的判斷、思維過(guò)程表達(dá)出來(lái),從而逐漸得到了廣泛應(yīng)用。應(yīng)用領(lǐng)域包括圖像識(shí)別、自動(dòng)機(jī)理論、語(yǔ)言研究、控制論以及信號(hào)處理等方面。在自動(dòng)控制領(lǐng)域,以模糊集理論為基礎(chǔ)發(fā)展起來(lái)的模糊控制為將人的控制經(jīng)驗(yàn)及推理過(guò)程納入自動(dòng)控制提供了一條便捷途徑。

如右圖所示,模糊控制器的基本結(jié)構(gòu)包括知識(shí)庫(kù)、模糊推理、輸入量模糊化、輸出量精確化四部分。

知識(shí)庫(kù)包括模糊控制器參數(shù)庫(kù)和模糊控制規(guī)則庫(kù)。模糊控制規(guī)則建立在語(yǔ)言變量的基礎(chǔ)上。語(yǔ)言變量取值為“大”、“中”、“小”等這樣的模糊子集,各模糊子集以隸屬函數(shù)表明基本論域上的精確值屬于該模糊子集的程度。因此,為建立模糊控制規(guī)則,需要將基本論域上的精確值依據(jù)隸屬函數(shù)歸并到各模糊子集中,從而用語(yǔ)言變量值(大、中、小等)代替精確值。這個(gè)過(guò)程代表了人在控制過(guò)程中對(duì)觀(guān)察到的變量和控制量的模糊劃分。由于各變量取值范圍各異,故首先將各基本論域分別以不同的對(duì)應(yīng)關(guān)系,映射到一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)化論域上。通常,對(duì)應(yīng)關(guān)系取為量化因子。為便于處理,將標(biāo)準(zhǔn)論域等分離散化,然后對(duì)論域進(jìn)行模糊劃分,定義模糊子集,如NB、PZ、PS等。

同一個(gè)模糊控制規(guī)則庫(kù),對(duì)基本論域的模糊劃分不同,控制效果也不同。具體來(lái)說(shuō),對(duì)應(yīng)關(guān)系、標(biāo)推論域、模糊子集數(shù)以及各模糊子集的隸屬函數(shù)都對(duì)控制效果有很大影響。這3類(lèi)參數(shù)與模糊控制規(guī)則具有同樣的重要性,因此把它們歸并為模糊控制器的參數(shù)庫(kù),與模糊控制規(guī)則庫(kù)共同組成知識(shí)庫(kù)。

模糊控制規(guī)則的來(lái)源有3條途徑:基于專(zhuān)家經(jīng)驗(yàn)和實(shí)際操作,基于模糊模型,基于模糊控制的自學(xué)習(xí)。

通過(guò)學(xué)習(xí)模糊控制，使我對(duì)模糊控制進(jìn)行了簡(jiǎn)單了解，主要知道了模糊控制的特點(diǎn)缺陷；模糊控制方法的研究現(xiàn)狀；模糊控制的進(jìn)展，包括模糊控制與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的融合、模糊控制與遺傳算法的融合、專(zhuān)家模糊控制等的闡述；模糊控制在實(shí)際生產(chǎn)中的電機(jī)調(diào)速控制系統(tǒng)中的應(yīng)用；以及模糊控制的最新研究領(lǐng)域及未來(lái)研究課題，指出模糊控制系統(tǒng)是易于接受，設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，維護(hù)方便，而且比常規(guī)控制系統(tǒng)穩(wěn)定性好的優(yōu)勢(shì)特點(diǎn)，使得模糊控制正得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。

另外我還學(xué)習(xí)到模糊PID就是在PID控制的基礎(chǔ)上，使用模糊控制理論進(jìn)行優(yōu)化。

例如通過(guò)模糊規(guī)則來(lái)決定控制輸出U的大小，模糊控制的作用主要起到將人的經(jīng)驗(yàn)加到控制中去。

簡(jiǎn)單例子吧，假如通過(guò)燃?xì)饬康拇笮?lái)控制爐溫，爐溫的測(cè)量值PV和設(shè)定值SP偏差較大，這個(gè)時(shí)候根據(jù)人為的經(jīng)驗(yàn)就需要給一個(gè)比較大的作用，讓燃?xì)饬考哟蠡驕p小，這個(gè)人為的經(jīng)驗(yàn)或者專(zhuān)家的經(jīng)驗(yàn)通過(guò)模糊規(guī)則進(jìn)行轉(zhuǎn)換，最終控制輸出U的大小。

模糊系統(tǒng)理論還有一些重要的理論課題還沒(méi)有解決。其中兩個(gè)重要的問(wèn)題是：如何獲得模糊規(guī)則及隸屬函數(shù)，這在目前完全憑經(jīng)驗(yàn)來(lái)進(jìn)行；以及如何保證模糊系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

模糊控制器參數(shù)最優(yōu)調(diào)整理論的確定，以及修正推理規(guī)則的學(xué)習(xí)方式和算法等。模糊動(dòng)態(tài)模型的辨識(shí)方法、預(yù)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法和提高計(jì)算速度的方法。

在自動(dòng)控制中，包括經(jīng)典理論和現(xiàn)代控制理論中有一個(gè)共同的特點(diǎn)，即控制器的綜合設(shè)計(jì)都要建立在被控對(duì)象準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型(如微分方程等)的基礎(chǔ)上，但是在實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)中，很多系統(tǒng)的影響因素很多，十分復(fù)雜。建立精確的數(shù)學(xué)模型特別困難，甚至是不可能的。這種情況下，模糊控制的誕生就顯得意義重大，模糊控制不用建立數(shù)學(xué)模型，根據(jù)實(shí)際系統(tǒng)的輸入輸出的結(jié)果數(shù)據(jù)，參考現(xiàn)場(chǎng)操作人員的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，就可對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)控制。

模糊控制實(shí)際上是一種非線(xiàn)性控制，從屬于智能控制的范疇。現(xiàn)代控制系統(tǒng)中的的控制能方便地解決工業(yè)領(lǐng)域常見(jiàn)的非線(xiàn)性、時(shí)變、在滯后、強(qiáng)耦合、變結(jié)構(gòu)、結(jié)束條件苛刻等復(fù)雜問(wèn)題。可編程控制器以其高可靠性、編程方便、耐惡劣環(huán)境、功能強(qiáng)大等特性很好地解決了工業(yè)控制領(lǐng)域普遍關(guān)心的可靠、安全、靈活、方便、經(jīng)濟(jì)等問(wèn)題，這兩者的結(jié)合，可在實(shí)際工程中廣泛應(yīng)用。

第五篇：第三章 城市交通信號(hào)模糊控制理論

2城市交通信號(hào)模糊控制理論

模糊控制理論應(yīng)用于工業(yè)、汽車(chē)、家用電器、交通等各個(gè)領(lǐng)域，其在交通中的一個(gè)重要的應(yīng)用就是城市交通信號(hào)模糊控制。本章在闡述模糊控制原理的基礎(chǔ)上，介紹城市交通信號(hào)模糊控制的理論基礎(chǔ)，為下一章的城市交通信號(hào)模糊控制器的設(shè)計(jì)作理論鋪墊。2.1模糊控制基礎(chǔ)理論分析 2.1.1模糊控制的特點(diǎn)

模糊控制實(shí)際上是一種非線(xiàn)性控制，屬于智能控制的范疇。近幾十年來(lái)模糊控制理論無(wú)論是在理論還是技術(shù)上都有了很大的進(jìn)步，模糊控制在實(shí)際應(yīng)用上也已經(jīng)碩果累累，這主要是由模糊控制的特點(diǎn)決定的：

1、模糊控制既具有系統(tǒng)化的理論，又有著大量實(shí)際應(yīng)用背景。

2、模糊控制是一種基于規(guī)則的控制。在實(shí)際的設(shè)計(jì)中不需要建立精確的數(shù)學(xué)模型，因而控制器的設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，便于應(yīng)用。

3、基于模型的控制算法及系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，由于出發(fā)點(diǎn)和性能指針的不同，容易導(dǎo)致很大差異；但一個(gè)系統(tǒng)的語(yǔ)言控制規(guī)則卻具有相對(duì)的獨(dú)立性，利用這些控制規(guī)律間的模糊連接，容易找到這種規(guī)律，使控制效果優(yōu)于常規(guī)控制器。

4、模糊控制系統(tǒng)的魯棒性強(qiáng)，干擾和參數(shù)變化對(duì)控制效果的影響被大大減弱，尤其適合于非線(xiàn)性、時(shí)變及純滯后系統(tǒng)的控制。

5、許多復(fù)雜系統(tǒng)，很難建立模型和控制，因?yàn)樗鼈儼淮_定性、不精確性、并混雜有非線(xiàn)性和時(shí)變性。模糊控制對(duì)于那些數(shù)學(xué)模型難以建立，變化非常顯著的對(duì)象較適用。

6、是一種反映人類(lèi)智慧思維的智慧控制。模糊控制采用人類(lèi)思維中的模糊量，如“高”“中”“低”“大”“小”，控制量由模糊推理導(dǎo)出。這些模糊量和模糊推理是人類(lèi)通常智慧活動(dòng)的體現(xiàn)。

7、模糊控制具有語(yǔ)詞計(jì)算和處理不確定性以及模糊信息的能力。模糊控制本質(zhì)上是一種基于語(yǔ)言規(guī)則的仿人智能控制。由于控制對(duì)象僅能提供一些模糊信息，計(jì)算機(jī)參與這類(lèi)控制時(shí)必須模仿人類(lèi)能夠接受和處理模糊信息，進(jìn)行模糊控制的本領(lǐng)。2.1.2模糊控制的基本概念

在人們的思維中，有很多沒(méi)有明確外延的一些概念，即模糊概念，如以人的年齡為對(duì)象，那么“年輕”、“中年”、“老年”就沒(méi)有明確的外延；不同的人有不同的感受與判斷；再如爐溫的“高溫”、“中溫”、“低溫”也是此類(lèi)的概念。以上這種概念不能用經(jīng)典集合加以描述，不能絕對(duì)地區(qū)別“屬于”與“不屬于”，而要用模糊集合的概念描述。在本文中用到的模糊控制重要概念有：變量的論語(yǔ)、模糊子集、隸屬度、模糊關(guān)系與模糊矩陣。

1、論語(yǔ)：被考慮對(duì)象的所有元素的全體稱(chēng)為論語(yǔ)，又稱(chēng)全域、全集、有的也稱(chēng)空間，一般用大寫(xiě)字母U表示。

2、模糊子集：給定論語(yǔ)U，U到[0，1]閉區(qū)間的任意映射?A，?A：U→[0，1] ?→?A

都確定U的一個(gè)模糊子集A，A就是論語(yǔ)U的模糊子集。

~~

3、隸屬度函數(shù)：上式中?A稱(chēng)為模糊子集的隸屬度函數(shù)。隸屬度函數(shù)的表示方法大致有以下三種：

(l)圖形表示法(2)表格表示法(3)公式表示法

4、隸屬度：?A(?)為?對(duì)A的隸屬度。

~

5、模糊關(guān)系：模糊關(guān)系R也稱(chēng)模糊控制規(guī)則，它描述了元素之間的關(guān)聯(lián)程度，當(dāng)論域X、~Y都是有限集時(shí)，模糊關(guān)系可以用模糊矩陣來(lái)表示。設(shè)X=?x1,x2,???xn?，Y=?y1,y2,???yn?，模糊矩陣R的元素rij表示論域X中第i格元素xi與論域Y中的第j格元素yj對(duì)于關(guān)系R的~`隸屬程度，即?RXi，Yj?rij。

~??2.1.3模糊控制過(guò)程及原理分析

模糊控制的控制規(guī)律由計(jì)算機(jī)的程序?qū)崿F(xiàn)，實(shí)現(xiàn)的過(guò)程是：計(jì)算機(jī)采樣獲取被控制量的精確值，然后將此量與給定值比較得到誤差E；將誤差E作為模糊控制的一個(gè)輸入量；把E的精確量模糊化變成模糊變數(shù)，從而得到E的模糊語(yǔ)言集合的一個(gè)子集e~；由e~與控制規(guī)則R進(jìn)行模糊推理，得到控制變量u，其中u=e?R，其中u是模糊變量；將模糊~~~~~~變量u轉(zhuǎn)換為精確量，這樣通過(guò)u可以對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行控制；循環(huán)進(jìn)行第二次采樣，進(jìn)行第~~二步控制，循環(huán)下去，最終實(shí)現(xiàn)被控對(duì)象的模糊控制。具體的模糊控制原理與過(guò)程如下圖所示：

模糊控制的核心是模糊控制器，在使用模糊控制器進(jìn)行模糊控制時(shí)必不可少的三步驟為：精確量的模糊化、模糊規(guī)則的設(shè)計(jì)、反模糊化，下面分別分析、介紹這三部分。

（一）精確量的模糊化

精確變量的模糊化過(guò)程實(shí)際上是定義模糊變量的模糊子集的過(guò)程，而定義一個(gè)模糊子集就要確定模糊子集隸屬函數(shù)曲線(xiàn)的形狀，確定隸屬函數(shù)曲線(xiàn)有以下常用的幾種方法：

（1）主觀(guān)經(jīng)驗(yàn)法：當(dāng)論域是離散變量時(shí)，根據(jù)主觀(guān)人數(shù)或個(gè)人經(jīng)驗(yàn)，直接或間接給出隸屬的具體值，由此來(lái)確定隸屬度函數(shù)。

（2）分析推理法：當(dāng)論域連續(xù)，根據(jù)問(wèn)題的性質(zhì)，應(yīng)用一定的分析與推理，決定選用某些典型的函數(shù)作為隸屬函數(shù)。如三角形函數(shù)、梯形函數(shù)、高斯函數(shù)等。

（3）調(diào)查統(tǒng)計(jì)法：以調(diào)查統(tǒng)計(jì)結(jié)果所得出的經(jīng)驗(yàn)曲線(xiàn)作為隸屬函數(shù)、作為隸屬曲線(xiàn)。根據(jù)曲線(xiàn)找出相應(yīng)的函數(shù)表達(dá)式。

將確定的隸屬函數(shù)曲線(xiàn)離散化，就得到了有限個(gè)點(diǎn)上的隸屬度，便構(gòu)成了一個(gè)模糊變數(shù)的模糊子集。模糊子集的數(shù)量一般選5個(gè)或7個(gè)為宜。隸屬度函數(shù)曲線(xiàn)的形狀一般有：三角形、梯形、高斯型等，在目前的應(yīng)用中大部分都是為方便起見(jiàn)采用梯形、三角形隸屬度函數(shù)。

（二）模糊規(guī)則的設(shè)計(jì)

模糊規(guī)則是模糊控制中的重要環(huán)節(jié)，模糊控制器正是依據(jù)這些模糊控制規(guī)則來(lái)完成最終推理，它用“IF--THEN”的形式描述被控對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性。目前模糊規(guī)則大都是專(zhuān)家經(jīng)驗(yàn)確定，并且要求模糊控制規(guī)則要完整覆蓋模糊集合。

常見(jiàn)的模糊控制規(guī)則根據(jù)模糊控制器的種類(lèi)不同可分為以下幾種：（1）單輸入單輸出模糊控制器

該種控制器僅有一個(gè)輸入變量、一個(gè)輸出變量，設(shè)模糊集合A為屬于論域X的輸入，~~模糊集合B為屬于論域Y的輸出，其控制規(guī)則通常由模糊條件語(yǔ)句

~~If A THEN B

~~~~

If A THEN B ELSE C

~~~~~~其中模糊集合B與C具有相同的論域Y，這種控制反應(yīng)非線(xiàn)性比例(P)控制規(guī)律。

~~~~(2)雙輸入單輸出模糊控制器

設(shè)模糊集合E屬于論域X的輸入，模糊集合EC屬于論域Y的輸入，兩者一同構(gòu)成模糊控制器的二維輸入，屬于論域Z的模糊集合U是模糊控制器的一維輸出，這類(lèi)模糊控制器的控制規(guī)則通常由模糊條件語(yǔ)句

IF E AND EC THEN U

來(lái)表達(dá)，是模糊控制中最常用的一種控制規(guī)則，它反映非線(xiàn)性比例加微分(PD)控制規(guī)律。(3)多輸入單輸出模糊控制器

假設(shè)模糊集合A，B，C?N分別屬于各自論域的多維輸入，U為屬于其論域的單維~~~~~~~~~~~~~~~輸出，其控制規(guī)則通常由模糊條件語(yǔ)句

IF A AND B AND?AND N THEN U來(lái)描述。

~~~~~~~(4)雙輸入多輸出模糊控制器

設(shè)模糊集合E屬于論語(yǔ)X的輸入，模糊集合EC屬于論語(yǔ)Y的輸入，兩者一同構(gòu)成模糊控制器的二維輸入，多維輸出為UV?W的模糊控制器。這類(lèi)控制器的控制規(guī)則可由一組模糊條件語(yǔ)句

~~~~~

IF E AND EC THEN U

AND

IF E AND EC THEN V AND

IF E AND EC THEN W

在制定模糊規(guī)則時(shí)要根據(jù)實(shí)際情況分別來(lái)設(shè)計(jì)確定合適的控制規(guī)則。

(三)模糊判決

通過(guò)模糊推理得到的結(jié)果只是一個(gè)模糊集合，但在實(shí)際執(zhí)行中，需要有一個(gè)精確值才能對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行控制，因此要有一個(gè)將模糊集合變成一個(gè)最佳代表的精確值的反模糊化這一過(guò)程。

該過(guò)程有三種方法：最大隸屬度函數(shù)法、重心法、加權(quán)平均法。最大隸屬度函數(shù)方法簡(jiǎn)單快捷，但是不考慮輸出隸屬度函數(shù)的形狀，只關(guān)心其最大隸屬度輸出值，因此會(huì)丟失一些信息；重心法取模糊隸屬度函數(shù)曲線(xiàn)與橫坐標(biāo)圍成面積的重心為模糊推理最終輸出值，該方法與最大隸屬度法相比具有更平滑的輸出推理控制；加權(quán)平均是重心法的一種拓展方法，調(diào)整系數(shù)可以轉(zhuǎn)化為重心法，需要根據(jù)實(shí)際來(lái)確定系數(shù)。綜合上述，重心法較最大隸屬度方法更加平滑，較后者較簡(jiǎn)單實(shí)用，故重心法是目前較理想的逆模糊化方法。

后面設(shè)計(jì)的模糊控制器使用重心法來(lái)解模糊，這里就著重介紹重心法，重心法是根據(jù)輸出模糊集合隸屬度函數(shù)曲線(xiàn)與橫坐標(biāo)圍城面積的中心相應(yīng)的輸出當(dāng)作精確值的輸出，其公式如下： ~~

~~~~~~~u????u?uii?1nni

i???u?i?1ui是對(duì)象論域中的元素，??ui?是論域元素ui對(duì)模糊子集的隸屬度

2.2城市交通信號(hào)模糊控制相關(guān)理論分析

城市交信號(hào)模糊控制是模糊控制在城市交通控制中的一個(gè)具體的應(yīng)用，它解決了城市交通信號(hào)控制建模難、建立的模型難以用算法求解的問(wèn)題。本節(jié)結(jié)合具體的交通信號(hào)控制問(wèn)題，利用模糊控制的基礎(chǔ)理論分析城市交通信號(hào)模糊控制理論。2.2.1城市交通信號(hào)模糊控制問(wèn)題描述

傳統(tǒng)的單個(gè)信號(hào)交叉口控制方式：固定周期和綠信比的固定配時(shí)控制、感應(yīng)控制。固定配時(shí)根據(jù)以往觀(guān)測(cè)的交通需求，按預(yù)先設(shè)計(jì)的配時(shí)方案進(jìn)行控制，無(wú)法根據(jù)相應(yīng)交通需求的隨機(jī)變化而變化。感應(yīng)控制在一定程度上克服了固定配時(shí)的不足，但在相位綠燈時(shí)間內(nèi)，只要檢測(cè)到車(chē)輛到達(dá)就給出一個(gè)單位的綠燈延時(shí)，直到最大綠燈時(shí)間為止。也就是說(shuō)它只關(guān)心有無(wú)車(chē)輛到達(dá)、車(chē)輛到達(dá)與否，而沒(méi)有考慮有多少輛車(chē)到達(dá)，只能考慮一個(gè)相位方向的延誤情況，而沒(méi)有真正的總體考慮總延誤，因而無(wú)法真正響應(yīng)各個(gè)相位的交通需求。

模糊邏輯控制是一種新型的智能控制方式，它綜合考慮交叉口車(chē)輛到達(dá)與排隊(duì)情況，以交叉口的總延誤最小為控制目標(biāo)，調(diào)整控制策略使得交通控制能真正響應(yīng)交通實(shí)時(shí)變化的需求。

城市交通信號(hào)模糊控制通過(guò)設(shè)置在各個(gè)車(chē)道上的車(chē)輛檢測(cè)器檢測(cè)到各個(gè)相位的到達(dá)車(chē)輛數(shù)，計(jì)算出各個(gè)相位的車(chē)輛排隊(duì)長(zhǎng)。通過(guò)綠燈相位的入口流量、車(chē)輛排隊(duì)長(zhǎng)度來(lái)考察綠燈相位的交通情況、紅燈相位的車(chē)輛排隊(duì)長(zhǎng)度來(lái)考慮紅燈相位的交通狀況，綜合考慮紅燈、綠

燈相位的交通情況，用城市交通信號(hào)模糊控制器做出是否轉(zhuǎn)換信號(hào)的判決，通過(guò)是否轉(zhuǎn)換交通信號(hào)來(lái)影響交通流。根據(jù)城市交通信號(hào)模糊控制的思想：當(dāng)綠燈相位的車(chē)流量很大、排隊(duì)長(zhǎng)度相當(dāng)長(zhǎng)時(shí)，有必要延長(zhǎng)該相位的綠燈時(shí)間，但是是否做出延長(zhǎng)綠燈時(shí)間的決定還要看紅燈相位的交通情況，若紅燈相位的排隊(duì)長(zhǎng)度很小時(shí)，控制器就會(huì)做出延長(zhǎng)綠燈時(shí)間的判決； 若紅燈相位排隊(duì)長(zhǎng)隊(duì)很長(zhǎng)時(shí)，綜合考慮總的車(chē)輛平均延誤就不一定會(huì)繼續(xù)延長(zhǎng)綠燈時(shí)間，到底做出什么樣的判決，取決于模糊控制器的設(shè)計(jì)，模糊推理規(guī)則的設(shè)定。要得到理想的控制結(jié)果就要合理設(shè)計(jì)城市交通信號(hào)模糊控制器、合理設(shè)置模糊推理規(guī)則。

可以解決的問(wèn)題可以用以下實(shí)際問(wèn)題來(lái)描述：假設(shè)一個(gè)平面交叉口采用典型的四相位放行控制方式：東西直行為第一相位，東西左轉(zhuǎn)為第二相位，南北直行為第三相位，南北左轉(zhuǎn)為第四相位。

注：

1、由于中國(guó)的道路交叉口的右轉(zhuǎn)車(chē)流一般不受城市交通信號(hào)的控制，所以城市交通信號(hào)模糊控制中不考慮右轉(zhuǎn)車(chē)流。

2、各個(gè)相位的直行、左轉(zhuǎn)車(chē)道上設(shè)置一組車(chē)輛檢測(cè)器，可以實(shí)時(shí)檢測(cè)到各個(gè)車(chē)道的車(chē)流到達(dá)、車(chē)輛排長(zhǎng)度。

根據(jù)以上所述，該城市交叉口交通信號(hào)控制問(wèn)題可以描述如下：

控制目標(biāo)：使通過(guò)交叉口的車(chē)流量的平均排隊(duì)長(zhǎng)度最短，車(chē)輛平均延誤最小。城市交通信號(hào)模糊控制器綜合考慮綠燈相位、紅燈相位的交通情況，做出以交叉口的總延誤最小為控制目標(biāo)。

控制變量：信號(hào)周期、各相位的綠信比。模糊控制器做出是否延長(zhǎng)放行相位的綠燈時(shí)間的決定，延長(zhǎng)綠燈時(shí)間會(huì)增加總的綠燈時(shí)間，也會(huì)改變信號(hào)周期，這樣就會(huì)調(diào)整信號(hào)的綠信比。

2.2.2城市交通信號(hào)模糊控制原理分析

城市交通信號(hào)模糊控制器是城市交通模糊控制決策部分，做出是否轉(zhuǎn)換交通信號(hào)的決定來(lái)影響控制交通流，交通流的變化會(huì)使得紅燈、綠燈相位的交通狀況的變化，城市交通信號(hào)模糊控制器會(huì)根據(jù)實(shí)際情況做出相應(yīng)的是否轉(zhuǎn)換相位的決策，周而復(fù)始，進(jìn)行實(shí)時(shí)交通控制。

針對(duì)以上城市交通信號(hào)控制問(wèn)題，城市交通信號(hào)模糊控制的控制思路與策略是這樣進(jìn)行的：

1、給定每個(gè)相位的最小綠燈時(shí)間與最大綠燈時(shí)間，以保證通行相位的車(chē)輛通行權(quán)、與

等待相位車(chē)輛的通行權(quán)。

2、假設(shè)按最初給定該相位的最小綠燈時(shí)間放行第一相位(東西直行)，放行時(shí)間到達(dá)最短綠燈時(shí)間時(shí)開(kāi)始計(jì)算該放行相位的入口流量、排隊(duì)長(zhǎng)度、下一個(gè)要放行相位的排隊(duì)長(zhǎng)度，通過(guò)模糊控制器綜合考慮是否繼續(xù)放行當(dāng)前相位，模糊控制器做出決策。

3、如果繼續(xù)放行該相位就在最短綠燈時(shí)間的基礎(chǔ)上增加一個(gè)延長(zhǎng)綠時(shí)間，否則就放行下一相位。

4、每一相位放行時(shí)間到達(dá)最大時(shí)間時(shí)就自動(dòng)強(qiáng)制轉(zhuǎn)換下一相位。

5、這樣循環(huán)控制形成周期、綠信比隨交通狀況實(shí)時(shí)變化的控制方案。城市交通信號(hào)模糊控制把城市交通模糊控制器與交通流生成、交通車(chē)輛延誤綜合考慮的周期循環(huán)控制。要進(jìn)行城市交通信號(hào)模糊控制需要幾個(gè)重要的組成部分：交通流、車(chē)輛檢測(cè)器、模糊控制器、交通延誤。計(jì)算具體的框架如下圖：

該控制過(guò)程通過(guò)交通流生成模型生成一定的交通流，生成的交通流通過(guò)車(chē)輛檢測(cè)器可以檢測(cè)監(jiān)視得到綠燈相位的排隊(duì)長(zhǎng)度、綠燈相位的入口流量、紅燈相位排隊(duì)長(zhǎng)度三個(gè)城市交通模糊控制器的輸入量；將該輸入量輸入模糊邏輯控制器后，可以得出該時(shí)段的控制策略；對(duì)交通信號(hào)進(jìn)行控制；對(duì)交通信號(hào)控制同時(shí)會(huì)對(duì)交通流產(chǎn)生影響，形成新的交通流繼續(xù)以上的循環(huán)可以對(duì)一定時(shí)段的交通信號(hào)進(jìn)行控制。