第一篇：模糊控制優缺點

4模糊控制的優缺點及需要解決的問題分析 4.1模糊控制的優點

(1)使用語言方法, 可不需要過程的精確數學模型;(2)魯棒性強, 適于解決過程控制中的非線性、強耦合時變、滯后等問題;(3)有較強的容錯能力。具有適應受控對象動力學特征變化、環境特征變化和動行條件變化的能力;(4)操作人員易于通過人的自然語言進行人機界面聯系, 這些模糊條件語句容易加到過程的控制環節上。

4.2模糊控制的缺點

(1)信息簡單的模糊處理將導致系統的控制精度降低和動態品質變差;(2)模糊控制的設計尚缺乏系統性, 無法定義控制目標。4.3 模糊控制理論需解決的問題

模糊控制理論經過近幾十年的發展, 已經得到了廣泛的應用。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題, 歸納如下:(1)要揭示模糊控制器的實質和工作機理, 解決穩定性和魯棒性理論分析的問題。

2)很多應用和經驗表明, 模糊控制的魯棒性優于傳統控制策略。但模糊控制和傳統控制的魯棒性的對比關系究竟是怎么樣, 尚缺少理論分析和數學推導方面的比較。(3)模糊控制規則和隸屬度函數的獲取與確定是模糊控制中的?瓶頸&問題。目前模糊控制規則中模糊子集的一般選取都是以下3種: e= {負大, 負小, 零, 正小, 正大} = {NB, NS, ZO, PS, PB }或e =負大, 負中, 負小, 零, 正小, 正中, 正大= { NB, NM,NS, ZO, PS, PM, PB}或e= {負大, 負中, 負小, 零負,零正, 正小, 正中, 正大} = {NB, NM, NS, NZ, PZ, PS,PM, PB}, 而隸屬度函數通常選用的為三角隸屬度函數, 以第3種模糊子集為例, 對應的隸屬函數如圖3示。而規則中模糊子集及隸屬度函數的選擇大多數取決于經驗, 缺少相應的理論根據。

(4)在多變量模糊控制中, 需要對多變量耦合和?維數災&問題進行研究, 這些問題的解決與否將是多變量模糊控制能否廣泛應用的關鍵。

圖

3模糊化子集和模糊化等級

5模糊控制的發展趨勢

模糊控制的發展大致有以下幾個方向:(1)復合模糊控制器。繼續研究模糊控制和PID 控制器、變節構控制器、模糊H 控制器等的組合研究, 設計出滿足各種不同指標要求的控制器。

(2)和各種智能優化算法相結合的模糊控制。各種智能優化算法(如遺傳算法、模擬退火算法、粒子群優化算法等)能夠對模糊控制規則進行動態尋優, 故能在線修改模糊控制規則, 改善系統的控制品質。

(3)專家模糊控制。專家模糊是將專家系統技術與模糊控制相結合的產物。引入專家系統, 可進一步提高模糊控制的智能水平, 專家模糊控制保持了基于規則的方法和模糊集處理帶來的靈活性, 同時又把專家系統技術的知識表達方法結合起來, 能處理更廣泛的控制問題。

(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?維數災&等問題。

(5)很多公開發表的文獻對所設計模糊控制器的穩定性及魯棒性分析采用仿真實驗的方法, 而采用理論分析的較少。對混合模糊系統的穩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辨識的方法將控制對象變換為模糊模型表示,使整個系統變為純粹的模糊模型, 從而可采用模糊關系法及模糊相平面分析法等來檢驗系統的穩定性;第2種方法將控制器的模糊模型變為確定性的模型, 從而混合模糊系統變為常規的控制系統, 進而可采用常規的方法來對系統進行穩定性分析。例如

描述函數法、圓判據法、一般相平面法及線性近似法 等。而究竟采用模糊模型還是確定性模型則需要根據所設計系統的具體情況進行分析, 因此選擇合適的理論方法對所設計和模糊控制器進行穩定性及魯棒性分析也是模糊控制理論發展的方向之一。

結

束

語

文章對模糊控制理論的發展進行了簡要概述,對模糊控制的原理及模糊控制器的設計步驟進行了詳細介紹;對模糊控制在航空航天中應用(各種控制器的設計)進行了分析, 對模糊控制的優缺點及需要解決的問題進行了歸納和分析;最后對模糊控制的發展趨勢進行了展望。

第二篇：模糊控制學習心得

模糊控制學習心得

班別：電氣143 學號：1407300043 姓名：范寶榮

“模糊”是人類感知萬物,獲取知識,思維推理,決策實施的重要特征。“模糊”比“清晰”所擁有的信息容量更大,內涵更豐富,更符合客觀世界。

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,都沒有明確的內涵和外延,只能用模糊集合來描述。人們常用的經驗規則都是用模糊條件語句表達,例如,當我們擰開水閥往水桶里注水時,有這樣的經驗:桶里沒水或水較少時,應開大水閥;桶里水較多時,應將水閥關小些;當水桶里水快滿時,則應把閥門關得很小;而水桶里水滿時應迅速關掉水閥。其中,“較少”、“較多”、“小一些”、“很小”等,這些表示水位和控制閥門動作的概念都具有模糊性。即有經驗的操作人員的控制規則具有相當的模糊性。模糊控制就是利用計算機模擬人的思維方式,按照人的操作規則進行控制,實現人的控制經驗。

模糊控制理論是由美國著名的學者加利福尼亞大學教授Zadeh·L·A于1965年首先提出,它以模糊數學為基礎,用語言規則表示方法和先進的計算機技術,由模糊推理進行決策的一種高級控制策略。1974年,英國倫敦大學教授Mamdani·E·H研制成功第一個模糊控制器,充分展示了模糊技術的應用前景。

盡管模糊控制理論已經取得了可觀的進展,但與常規控制理論相比仍不成熟。模糊控制系統的分析和設計尚未建立起有效的方法,在很多場合下仍然需要依靠經驗和試湊。近年來,許多人一直嘗試將常規控制理論的概念和方法擴展至模糊控制系統,而模糊控制與神經網絡相結合的方法已成為研究的熱點,二者的結合有效地推動了自學習模糊控制的發展。模糊控制易于獲得由語言表達的專家知識,能有效地控制那些難以建立精確模型而憑經驗可控制的系統,而神經網絡則由于其仿生特性更能有效利用系統本身的信息,并能映射任意函數關系,具有并行處理和自學習能力,容錯能力也很強。在集成大系統中,神經網絡可用于處理低層感知數據,模糊邏輯可用于描述高層的邏輯框架[5]。模糊邏輯與神經網絡的結合有兩種情況:一是將模糊技術用于神經網絡形成模糊神經網絡,一是用神經網絡實現模糊控制。這兩方面均見于大量的研究文獻。

常規模糊控制的兩個主要問題在于:改進穩態控制精度和提高智能水平與適應能力。從大量文獻中可以看出,在實際應用中,往住是將模糊控制或模糊推理的思想,與其他相對成熟的控制理論或方法結合起來,發揮各自的長處,從而獲得理想的控制效果。

例如，利用模糊復合控制理論的分檔控制,將PI或PID控制策略引入Fuzzy控制器,構成Fuzzy-PI或Fuzzy-PID復合控制;適應高階系統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合起來的精確—模糊混合控制;將預測控制與模糊控制相結合,利用預測模型對控制結果進行預報,并根據目標誤差和操作者的經驗應用模糊決策方法在線修正控制策略的模糊預測控制等。

模糊控制的發展過程中,提出了多種自組織、自學習、自適應模糊控制器。它們根據被控過程的特性和系統參數的變化,自動生成或調整模糊控制器的規則和參數,達到控制目的。這類模糊控制器在實現人的控制策略基礎上,又進一步將人的學習和適應能力引入控制器,使模糊控制具有更高的智能性。自校正模糊控制器、參數自調整模糊控制等控制方法也較大地增強了對環境變化的適應能力。模糊控制與其他智能控制方法的結合組成的模糊控制,如專家模糊控制能夠表達和利用控制復雜過程和對象所需的啟發式知識,重視知識的多層次和分類的需要,彌補了模糊控制器結構過于簡單、規則比較單一的缺陷,賦予了模糊控制更高的智能。

二者的結合還能夠擁有過程控制復雜的知識,并能夠在更為復雜的情況下對這些知識加以有效利用。

基于神經網絡的模糊控制能夠實現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、自組織、自學習方向發展,使得模糊控制參數、規則在控制過程中自動地調整、修改和完善,從而不斷完善系統的控制性能,達到更好的控制效果,而與專家系統、神經網絡等其他智能控制技術相融合成為其發展趨勢。

模糊邏輯控制(Fuzzy Logic Control)簡稱模糊控制(Fuzzy Control)，是以模糊集合論、模糊語言變量和模糊邏輯推理為基礎的一種計算機數字控制技術。1965年，美國的L.A.Zadeh創立了模糊集合論；1973年他給出了模糊邏輯控制的定義和相關的定理。1974年，英國的E.H.Mamdani首先用模糊控制語句組成模糊控制器，并把它應用于鍋爐和蒸汽機的控制，在實驗室獲得成功。這一開拓性的工作標志著模糊控制論的誕生。

模糊控制實質上是一種非線性控制，從屬于智能控制的范疇。模糊控制的一大特點是既具有系統化的理論，又有著大量實際應用背景。模糊控制的發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用。近20多年來，模糊控制不論從理論上還是技術上都有了長足的進步，成為自動控制領域中一個非常活躍而又碩果累累的分支。其典型應用的例子涉及生產和生活的許多方面，例如在家用電器設備中有模糊洗衣機、空調、微波爐、吸塵器、照相機和攝錄機等；在工業控制領域中有水凈化處理、發酵過程、化學反應釜、水泥窯爐等的模糊控制；在專用系統和其它方面有地鐵靠站停車、汽車駕駛、電梯、自動扶梯、蒸汽引擎以及機器人的模糊控制等。

所謂模糊控制,就是在控制方法上應用模糊集理論、模糊語言變量及模糊邏輯推理的知識來模擬人的模糊思維方法,用計算機實現與操作者相同的控制。該理論以模糊集合、模糊語言變量和模糊邏輯為基礎,用比較簡單的數學形式直接將人的判斷、思維過程表達出來,從而逐漸得到了廣泛應用。應用領域包括圖像識別、自動機理論、語言研究、控制論以及信號處理等方面。在自動控制領域,以模糊集理論為基礎發展起來的模糊控制為將人的控制經驗及推理過程納入自動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構包括知識庫、模糊推理、輸入量模糊化、輸出量精確化四部分。

知識庫包括模糊控制器參數庫和模糊控制規則庫。模糊控制規則建立在語言變量的基礎上。語言變量取值為“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,為建立模糊控制規則,需要將基本論域上的精確值依據隸屬函數歸并到各模糊子集中,從而用語言變量值(大、中、小等)代替精確值。這個過程代表了人在控制過程中對觀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應關系,映射到一個標準化論域上。通常,對應關系取為量化因子。為便于處理,將標準論域等分離散化,然后對論域進行模糊劃分,定義模糊子集,如NB、PZ、PS等。

同一個模糊控制規則庫,對基本論域的模糊劃分不同,控制效果也不同。具體來說,對應關系、標推論域、模糊子集數以及各模糊子集的隸屬函數都對控制效果有很大影響。這3類參數與模糊控制規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庫,與模糊控制規則庫共同組成知識庫。

模糊控制規則的來源有3條途徑:基于專家經驗和實際操作,基于模糊模型,基于模糊控制的自學習。

通過學習模糊控制，使我對模糊控制進行了簡單了解，主要知道了模糊控制的特點缺陷；模糊控制方法的研究現狀；模糊控制的進展，包括模糊控制與神經網絡的融合、模糊控制與遺傳算法的融合、專家模糊控制等的闡述；模糊控制在實際生產中的電機調速控制系統中的應用；以及模糊控制的最新研究領域及未來研究課題，指出模糊控制系統是易于接受，設計簡單，維護方便，而且比常規控制系統穩定性好的優勢特點，使得模糊控制正得到越來越廣泛的應用。

另外我還學習到模糊PID就是在PID控制的基礎上，使用模糊控制理論進行優化。

例如通過模糊規則來決定控制輸出U的大小，模糊控制的作用主要起到將人的經驗加到控制中去。

簡單例子吧，假如通過燃氣量的大小來控制爐溫，爐溫的測量值PV和設定值SP偏差較大，這個時候根據人為的經驗就需要給一個比較大的作用，讓燃氣量加大或減小，這個人為的經驗或者專家的經驗通過模糊規則進行轉換，最終控制輸出U的大小。

模糊系統理論還有一些重要的理論課題還沒有解決。其中兩個重要的問題是：如何獲得模糊規則及隸屬函數，這在目前完全憑經驗來進行；以及如何保證模糊系統的穩定性。

模糊控制器參數最優調整理論的確定，以及修正推理規則的學習方式和算法等。模糊動態模型的辨識方法、預測系統的設計方法和提高計算速度的方法。

在自動控制中，包括經典理論和現代控制理論中有一個共同的特點，即控制器的綜合設計都要建立在被控對象準確的數學模型(如微分方程等)的基礎上，但是在實際工業生產中，很多系統的影響因素很多，十分復雜。建立精確的數學模型特別困難，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學模型，根據實際系統的輸入輸出的結果數據，參考現場操作人員的運行經驗，就可對系統進行實時控制。

模糊控制實際上是一種非線性控制，從屬于智能控制的范疇。現代控制系統中的的控制能方便地解決工業領域常見的非線性、時變、在滯后、強耦合、變結構、結束條件苛刻等復雜問題。可編程控制器以其高可靠性、編程方便、耐惡劣環境、功能強大等特性很好地解決了工業控制領域普遍關心的可靠、安全、靈活、方便、經濟等問題，這兩者的結合，可在實際工程中廣泛應用。

第三篇：《模糊控制》課程實驗教學設計方法

文件20

《模糊控制》課程 實驗教學設計方法

李士勇教授

Harbin Institute of Technology

2005.11 文件20

《模糊控制》課程實驗教學設計方法

一、問題的提出

模糊控制課程作為黑龍江省精品課程，是由哈工大航天學院控制科學與工程系面向自動化專業開設的一門專業課，在自動化專業課程體系中，占有重要地位。

模糊控制教學，在形式上分為理論課教學和實驗課教學，二者是一個有機的整體。內容上它們既有聯系，又有差別；教學上它們既一致，又各有側重點；理論與實踐上它們相輔相成。然而，伴隨著精品課程建設的不斷深入，素質教育理念的確立，原有模糊控制課程的教學，無論是理論教學，還是實驗教學都明顯地缺少科學素質教育的核心內容之一——科學方法教育的支持。

素質教育泛指對學生各方面修養、能力的綜合培養；科學素質教育是指對學生發現問題、分析問題、解決問題以及知識更新能力的綜合培養。

模式泛指可以使人模仿的標準樣式、某種規范的結構或者框架。

方法論教育有兩個層次。一個是一般的、共性的、概括性的方法論教育，即哲學方法教育；另一個是特殊的、個性的、具體的方法論教育，如科學方法，思維方法和工作方法等。這兩個層次的方法統一于辯證法、認識論和方法論，它們之間既相互區別、又相互聯系、相互包含，并且還會在一定條件下相互轉換。本文所指科學方法專指具體的邏輯思維方法、創造性方法、研究方法和科學研究成果組織與表達方法（即寫作方法）。

本文所指實驗設計是指在正式進行科學實驗之前，實驗者根據一定的目的和要求，運用相關的科學知識、實驗原理，科學方法對實驗過程中的材料、手段、方法、步驟和策略等全部要素進行定制，以獲得優化實驗方案的過程。

科學素質教育模式下的理論教學設計應該是原有理論教學設計再加上科學方法的教學設計；而由于實驗教學設計的核心內容是實驗設計，所以實驗教學設計應該是在原有實驗設計基礎上再加上科學方法的教學設計，并按一定的原則和方式對其進行重新組織。只有這樣，才能滿足精品課程建設的高水平要求，才能充分體現出素質教育，特別是科學素質教育在人才培養中的重要作用。

基于上述討論，本文探討科學素質教育模式下的實驗設計問題。有關科學素質教育模式下的理論教學設計問題，限于篇幅將另文討論。作者認為，盡管目前的素質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問題將是一件很有意義的事情。值得注意的是，上述問題的提出，也間接說明了各學科專業有結合自己學科專業特點獨立開展科學方法教育的趨勢。

二、實驗設計的基礎

1、模糊控制實驗的定義

模糊控制實驗的定義符合一般科學實驗的定義，即人們根據一定的科學研究目的、運用科學儀器或設備等手段，在人為控制或模擬研究對象的條件下，獲得科學事實的過程。

科學事實是指通過觀察和實驗所獲得的經驗事實，是指對客觀事實的感知、描述和記錄，作為觀察和實驗的結果反映到人們的意識中。科學事實一般可為兩類：一類是指客體與儀器相互作用結果的表征，如觀測儀器上所記錄和顯示的數字、圖像等；另一類是指觀察和實驗所得結果的陳述和判斷。科學事實屬于認識論的范疇，是科學研究的基礎。

科學實驗在科學研究中除了具有明確的目的性和主動性以外，還具有重要的作用，表現在兩個方面，首先它是檢驗理論、原理真理性的標準，是證明科學知識的手段；其次它是獲得新假說、新理論的直接來源，是發展科學知識的手段。作者指出，從科學素質教育角度來看，科學實驗還是科學方法與實驗技能訓練的手段。

2、模糊控制實驗遵循的一般科學研究方法

模糊控制實驗遵循的一般科學研究方法：

（1）根據經驗或現象的觀察提出或確定問題，樹立研究目標；（2）觀察并記錄有關的數據、資料；

（3）根據觀察數據提出解釋性假說，以解釋觀察到的現象；

（4）根據假說進行推演，構造理論體系，同時提出判決實驗方案；（5）用實際的實驗對假說進行檢驗；

（6）根據實驗所得結果，接受、修改或放棄假說。

上述具有歸納特點的科學研究方法，適用于一切科學研究過程，并得到科學界的廣泛認可。由此可以看出，要想進行科學實驗，首先要對研究對象所表現出來的現象提出某種可能的解釋。也就是提出某種設想或假說，然后設計實驗來驗證這個設想或假說。本文把這種科學實驗稱為一般意義上的科學實驗，它的內涵僅限于科學事實的驗證和發現。

與上述一般意義上的科學實驗不同，科學素質教育模式下的模糊控制實驗已不再局限于一般意義，而是被賦予了明顯的方法論意義。此時的實驗不僅會被當作科學事實驗證和發現的手段，而且還會被當作一種科學方法與實驗技能訓練的手段。當把它當作訓練手段使用時，強調的是人在整個實驗過程中的主體意識（動腦）與主體行為（動手）。這一過程包括實驗準備、實驗設計、實驗實施、實驗控制以及實驗結果處理等實驗的各個階段。例如，我們可以在科學方法方面進行如下問題設計：

（1）什么是科學問題？如何定義科學問題？定義科學問題的方法有哪些？（2）什么是科學事實？如何獲取科學事實？獲取科學事實的方法有哪些？（3）什么是設想或假說？如何提出設想或假說？提出設想或假說的方法有哪些？

（4）什么是理論體系？如何構造理論體系？構造理論體系的邏輯方法有哪些？（5）什么是判決實驗？如何設計判決實驗？判決實驗的設計方法有哪些？對判決實驗進行控制的方法有哪些？保證判決實驗結果精確性的方法有哪些？（6）什么是設想或假說檢驗？如何進行設想或假說檢驗？除檢驗的實驗方法外，檢驗的理論方法有哪些？確保檢驗的權威性或可信性的方法有哪些？如何進行佐證？

（7）如何對實驗結果進行分析？實驗結果的分析方法有哪些？

（8）根據實驗結果，如何接受或放棄設想或假說？修改設想或假說的方法有哪些？修改后的設想或假說上升為理論后，其應用范圍或領域有哪些？結論是否還能再精確一點？表述再簡單一點？應用更方便一點？

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

（11）能否歸納、總結并說明上述各個步驟中所包含的邏輯思維方法、創造性方法、研究方法和寫作方法？它們各有什么作用？他們之間的相互區別、聯系是什么？

3、模糊控制實驗的分類

可以按照科學實驗的定義、目的、作用、性質、用途和方式等對其進行分類。依據實驗的作用進行分類，模糊控制實驗可分為驗證性實驗、探索性實驗、綜合性實驗和訓練性實驗四大類。驗證性實驗則用于知識證明或知識遷移；探索性實驗用于科學發現；綜合性實驗則既包含知識發現也包含知識證明；訓練性實驗則是把實驗作為訓練手段而使人們通過它掌握科學方法與實驗技能。依據實驗的性質進行分類，模糊控制實驗可分為模擬控制系統實驗、數字控制系統實驗、非線性控制系統實驗等等。

二、實驗設計的原則

雖然模糊控制實驗可以劃分成不同類型，但是它們的設計程序或實驗過程卻是大致相同的。依據一般科學研究方法進行實驗規劃時，實驗的基本過程可分為三個階段：一是準備階段；二是實施階段；三是結果處理階段。其中準備階段的實驗設計是整個研究過程中極其重要的環節，它不僅影響實驗能否得到科學的結果，而且關系到實驗的人力、物力和實驗經費的合理性等。因此，應按一定的原則進行實驗設計。

1、安全性原則

無論什么實驗都應在安全、可靠的環境下進行，要確保實驗人員、環境的絕對安全。這是任何實驗都必須滿足的先決條件，模糊控制實驗也不能例外。

2、科學性原則

所謂科學性是指實驗目的要明確，實驗原理要正確，實驗材料和實驗手段的選擇要恰當，整個設計思路和實驗方法的確定都不能偏離本學科專業基本知識、基本原理以及其他相關學科領域的基本原則。

3、可行性原則

可行性原則是指在設計本學科專業實驗時，從實驗原理、實驗的實施到實驗結果的產生，都具有可行性。

4、簡便性原則

設計實驗時，要考慮到實驗材料容易獲得，實驗裝置比較簡單，消耗品、易耗品比較便宜，實驗操作過程比較簡單，實驗步驟比較少，實驗時間比較短。

5、可重復性原則

重復、隨機和對照是保證實驗結果正確性的三大原則，多年來為研究者所公認。因此，在實驗設計中也必須注意實驗的可重復性。任何實驗都必須要有足夠的實驗次數，才能判斷結果的可靠性，設計的實驗不能只能進行一次，在無法重復的情況下，所獲結論可信度極差。可重復性是進行一切科學實驗所必須滿足的條件。

6、方法論原則

當把科學實驗作為科學方法訓練手段使用時，就應在兩個層次上考慮方法論原則。在哲學方法層次上要依據方法論中所貫穿的辯證法精神及其基本原則，認識論中感性認識、理性認識與實踐之間的準則關系等進行方法論問題設計并加以檢驗；在科學方法層次上要依據實驗中可能用到的具體的邏輯思維方法、創造性方法、研究方法和科學研究成果組織與表達方法進行方法論問題設計并加以檢驗。只有這樣，才能突出和強化科學實驗在科學素質教育中的作用。

三、實驗設計的內容

根據模糊控制實驗的定義及其分類，科學素質教育模式下的模糊控制實驗設計的內容應有利于下述目標的實現。

1、有利于通過實驗證明知識；

2、有利于通過實驗實現知識的遷移；

3、有利于通過實驗發現知識；

4、有利于通過實驗建立知識體系（理論體系）；

5、有利于通過實驗訓練，掌握科學方法。

基于上述目標，一個較為完整的模糊控制實驗設計，應包含以下幾方面的內容：

1、確定實驗題目；

2、提出實驗驗設想與假說；

3、確定實驗方法和實驗步驟（包括實驗過程控制以及重復、隨機和對照等實驗策略的制定）；

4、提出實驗預期結果；

5、確定要觀察、記錄和搜集的數據及其方法；

6、確定數據預處理的內容與方式；

7、確定數據分析的內容與方法；

8、實驗報告格式、內容及其編寫（填寫）要求的設計；

9、上述各項內容中所包含的有關的具體的方法論問題設計。

與此相對應，能夠體現上述設計思想與內容的模糊控制實驗報告一般應具有如下結構：

1、實驗題目；

2、實驗目的（驗證、探索、綜合和訓練）；

3、實驗要求（實驗前、實驗中及實驗后）；

4、實驗原理（隱含實驗假說和實驗預期）；

5、實驗設備、儀器與材料；

6、實驗內容；

7、實驗方法與步驟（隱含實驗類型、實驗控制及實驗策略）；

8、實驗結果（實驗數據）；

9、實驗結論（數據分析、比較和評價等）；

10、實驗討論與思考。

四、實驗設計實踐

在精品課程建設過程中，在精品意識和科學素質教育理念的推動下，模糊控制實驗設計的目標已發生了根本性轉變。實驗設計目標已從過去單一的驗證性實驗設計目標向驗證性實驗、探索性實驗、綜合性實驗和訓練性實驗目標群邁進。這一目標群的建立，一方面使得模糊控制實驗不再是知識的簡單驗證、再現和遷移；另一方面也使得實驗指向了未知的過程、科學方法的訓練以及實驗技能的培養。同時，這一目標群的建立，也為營造學生人人動手和人人動腦的科學實驗研究氣氛，改善實驗條件和實現模糊控制“用理論指導實驗，用實驗深化理論”的良性循環提供了良好的契機。

目前，哈工大本科生模糊控制實驗涉及驗證性實驗、探索性實驗、綜合性實驗和訓練性實驗四大類。這些實驗是結合我校控制科學與工程學科專業特點、理論教學的需要、精品課程建設以及科學素質教育理念而設計的系列實驗。旨在讓學生通過這些實驗來驗證、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，并通過這些實驗掌握科學方法與實驗技能。

第四篇：第三章 城市交通信號模糊控制理論

2城市交通信號模糊控制理論

模糊控制理論應用于工業、汽車、家用電器、交通等各個領域，其在交通中的一個重要的應用就是城市交通信號模糊控制。本章在闡述模糊控制原理的基礎上，介紹城市交通信號模糊控制的理論基礎，為下一章的城市交通信號模糊控制器的設計作理論鋪墊。2.1模糊控制基礎理論分析 2.1.1模糊控制的特點

模糊控制實際上是一種非線性控制，屬于智能控制的范疇。近幾十年來模糊控制理論無論是在理論還是技術上都有了很大的進步，模糊控制在實際應用上也已經碩果累累，這主要是由模糊控制的特點決定的：

1、模糊控制既具有系統化的理論，又有著大量實際應用背景。

2、模糊控制是一種基于規則的控制。在實際的設計中不需要建立精確的數學模型，因而控制器的設計簡單，便于應用。

3、基于模型的控制算法及系統設計方法，由于出發點和性能指針的不同，容易導致很大差異；但一個系統的語言控制規則卻具有相對的獨立性，利用這些控制規律間的模糊連接，容易找到這種規律，使控制效果優于常規控制器。

4、模糊控制系統的魯棒性強，干擾和參數變化對控制效果的影響被大大減弱，尤其適合于非線性、時變及純滯后系統的控制。

5、許多復雜系統，很難建立模型和控制，因為它們包含不確定性、不精確性、并混雜有非線性和時變性。模糊控制對于那些數學模型難以建立，變化非常顯著的對象較適用。

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

7、模糊控制具有語詞計算和處理不確定性以及模糊信息的能力。模糊控制本質上是一種基于語言規則的仿人智能控制。由于控制對象僅能提供一些模糊信息，計算機參與這類控制時必須模仿人類能夠接受和處理模糊信息，進行模糊控制的本領。2.1.2模糊控制的基本概念

在人們的思維中，有很多沒有明確外延的一些概念，即模糊概念，如以人的年齡為對象，那么“年輕”、“中年”、“老年”就沒有明確的外延；不同的人有不同的感受與判斷；再如爐溫的“高溫”、“中溫”、“低溫”也是此類的概念。以上這種概念不能用經典集合加以描述，不能絕對地區別“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、模糊子集、隸屬度、模糊關系與模糊矩陣。

1、論語：被考慮對象的所有元素的全體稱為論語，又稱全域、全集、有的也稱空間，一般用大寫字母U表示。

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

都確定U的一個模糊子集A，A就是論語U的模糊子集。

~~

3、隸屬度函數：上式中?A稱為模糊子集的隸屬度函數。隸屬度函數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A的隸屬度。

~

5、模糊關系：模糊關系R也稱模糊控制規則，它描述了元素之間的關聯程度，當論域X、~Y都是有限集時，模糊關系可以用模糊矩陣來表示。設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對于關系R的~`隸屬程度，即?RXi，Yj?rij。

~??2.1.3模糊控制過程及原理分析

模糊控制的控制規律由計算機的程序實現，實現的過程是：計算機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輸入量；把E的精確量模糊化變成模糊變數，從而得到E的模糊語言集合的一個子集e~；由e~與控制規則R進行模糊推理，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轉換為精確量，這樣通過u可以對被控對象進行控制；循環進行第二次采樣，進行第~~二步控制，循環下去，最終實現被控對象的模糊控制。具體的模糊控制原理與過程如下圖所示：

模糊控制的核心是模糊控制器，在使用模糊控制器進行模糊控制時必不可少的三步驟為：精確量的模糊化、模糊規則的設計、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程實際上是定義模糊變量的模糊子集的過程，而定義一個模糊子集就要確定模糊子集隸屬函數曲線的形狀，確定隸屬函數曲線有以下常用的幾種方法：

（1）主觀經驗法：當論域是離散變量時，根據主觀人數或個人經驗，直接或間接給出隸屬的具體值，由此來確定隸屬度函數。

（2）分析推理法：當論域連續，根據問題的性質，應用一定的分析與推理，決定選用某些典型的函數作為隸屬函數。如三角形函數、梯形函數、高斯函數等。

（3）調查統計法：以調查統計結果所得出的經驗曲線作為隸屬函數、作為隸屬曲線。根據曲線找出相應的函數表達式。

將確定的隸屬函數曲線離散化，就得到了有限個點上的隸屬度，便構成了一個模糊變數的模糊子集。模糊子集的數量一般選5個或7個為宜。隸屬度函數曲線的形狀一般有：三角形、梯形、高斯型等，在目前的應用中大部分都是為方便起見采用梯形、三角形隸屬度函數。

（二）模糊規則的設計

模糊規則是模糊控制中的重要環節，模糊控制器正是依據這些模糊控制規則來完成最終推理，它用“IF--THEN”的形式描述被控對象的動態特性。目前模糊規則大都是專家經驗確定，并且要求模糊控制規則要完整覆蓋模糊集合。

常見的模糊控制規則根據模糊控制器的種類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輸入變量、一個輸出變量，設模糊集合A為屬于論域X的輸入，~~模糊集合B為屬于論域Y的輸出，其控制規則通常由模糊條件語句

~~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，這種控制反應非線性比例(P)控制規律。

~~~~(2)雙輸入單輸出模糊控制器

設模糊集合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，這類模糊控制器的控制規則通常由模糊條件語句

IF E AND EC THEN U

來表達，是模糊控制中最常用的一種控制規則，它反映非線性比例加微分(PD)控制規律。(3)多輸入單輸出模糊控制器

假設模糊集合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，其控制規則通常由模糊條件語句

IF A AND B AND?AND N THEN U來描述。

~~~~~~~(4)雙輸入多輸出模糊控制器

設模糊集合E屬于論語X的輸入，模糊集合EC屬于論語Y的輸入，兩者一同構成模糊控制器的二維輸入，多維輸出為UV?W的模糊控制器。這類控制器的控制規則可由一組模糊條件語句

~~~~~

IF E AND EC THEN U

AND

IF E AND EC THEN V AND

IF E AND EC THEN W

在制定模糊規則時要根據實際情況分別來設計確定合適的控制規則。

(三)模糊判決

通過模糊推理得到的結果只是一個模糊集合，但在實際執行中，需要有一個精確值才能對被控對象進行控制，因此要有一個將模糊集合變成一個最佳代表的精確值的反模糊化這一過程。

該過程有三種方法：最大隸屬度函數法、重心法、加權平均法。最大隸屬度函數方法簡單快捷，但是不考慮輸出隸屬度函數的形狀，只關心其最大隸屬度輸出值，因此會丟失一些信息；重心法取模糊隸屬度函數曲線與橫坐標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；加權平均是重心法的一種拓展方法，調整系數可以轉化為重心法，需要根據實際來確定系數。綜合上述，重心法較最大隸屬度方法更加平滑，較后者較簡單實用，故重心法是目前較理想的逆模糊化方法。

后面設計的模糊控制器使用重心法來解模糊，這里就著重介紹重心法，重心法是根據輸出模糊集合隸屬度函數曲線與橫坐標圍城面積的中心相應的輸出當作精確值的輸出，其公式如下： ~~

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

i???u?i?1ui是對象論域中的元素，??ui?是論域元素ui對模糊子集的隸屬度

2.2城市交通信號模糊控制相關理論分析

城市交信號模糊控制是模糊控制在城市交通控制中的一個具體的應用，它解決了城市交通信號控制建模難、建立的模型難以用算法求解的問題。本節結合具體的交通信號控制問題，利用模糊控制的基礎理論分析城市交通信號模糊控制理論。2.2.1城市交通信號模糊控制問題描述

傳統的單個信號交叉口控制方式：固定周期和綠信比的固定配時控制、感應控制。固定配時根據以往觀測的交通需求，按預先設計的配時方案進行控制，無法根據相應交通需求的隨機變化而變化。感應控制在一定程度上克服了固定配時的不足，但在相位綠燈時間內，只要檢測到車輛到達就給出一個單位的綠燈延時，直到最大綠燈時間為止。也就是說它只關心有無車輛到達、車輛到達與否，而沒有考慮有多少輛車到達，只能考慮一個相位方向的延誤情況，而沒有真正的總體考慮總延誤，因而無法真正響應各個相位的交通需求。

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輛到達與排隊情況，以交叉口的總延誤最小為控制目標，調整控制策略使得交通控制能真正響應交通實時變化的需求。

城市交通信號模糊控制通過設置在各個車道上的車輛檢測器檢測到各個相位的到達車輛數，計算出各個相位的車輛排隊長。通過綠燈相位的入口流量、車輛排隊長度來考察綠燈相位的交通情況、紅燈相位的車輛排隊長度來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，用城市交通信號模糊控制器做出是否轉換信號的判決，通過是否轉換交通信號來影響交通流。根據城市交通信號模糊控制的思想：當綠燈相位的車流量很大、排隊長度相當長時，有必要延長該相位的綠燈時間，但是是否做出延長綠燈時間的決定還要看紅燈相位的交通情況，若紅燈相位的排隊長度很小時，控制器就會做出延長綠燈時間的判決； 若紅燈相位排隊長隊很長時，綜合考慮總的車輛平均延誤就不一定會繼續延長綠燈時間，到底做出什么樣的判決，取決于模糊控制器的設計，模糊推理規則的設定。要得到理想的控制結果就要合理設計城市交通信號模糊控制器、合理設置模糊推理規則。

可以解決的問題可以用以下實際問題來描述：假設一個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，東西左轉為第二相位，南北直行為第三相位，南北左轉為第四相位。

注：

1、由于中國的道路交叉口的右轉車流一般不受城市交通信號的控制，所以城市交通信號模糊控制中不考慮右轉車流。

2、各個相位的直行、左轉車道上設置一組車輛檢測器，可以實時檢測到各個車道的車流到達、車輛排長度。

根據以上所述，該城市交叉口交通信號控制問題可以描述如下：

控制目標：使通過交叉口的車流量的平均排隊長度最短，車輛平均延誤最小。城市交通信號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。

控制變量：信號周期、各相位的綠信比。模糊控制器做出是否延長放行相位的綠燈時間的決定，延長綠燈時間會增加總的綠燈時間，也會改變信號周期，這樣就會調整信號的綠信比。

2.2.2城市交通信號模糊控制原理分析

城市交通信號模糊控制器是城市交通模糊控制決策部分，做出是否轉換交通信號的決定來影響控制交通流，交通流的變化會使得紅燈、綠燈相位的交通狀況的變化，城市交通信號模糊控制器會根據實際情況做出相應的是否轉換相位的決策，周而復始，進行實時交通控制。

針對以上城市交通信號控制問題，城市交通信號模糊控制的控制思路與策略是這樣進行的：

1、給定每個相位的最小綠燈時間與最大綠燈時間，以保證通行相位的車輛通行權、與

等待相位車輛的通行權。

2、假設按最初給定該相位的最小綠燈時間放行第一相位(東西直行)，放行時間到達最短綠燈時間時開始計算該放行相位的入口流量、排隊長度、下一個要放行相位的排隊長度，通過模糊控制器綜合考慮是否繼續放行當前相位，模糊控制器做出決策。

3、如果繼續放行該相位就在最短綠燈時間的基礎上增加一個延長綠時間，否則就放行下一相位。

4、每一相位放行時間到達最大時間時就自動強制轉換下一相位。

5、這樣循環控制形成周期、綠信比隨交通狀況實時變化的控制方案。城市交通信號模糊控制把城市交通模糊控制器與交通流生成、交通車輛延誤綜合考慮的周期循環控制。要進行城市交通信號模糊控制需要幾個重要的組成部分：交通流、車輛檢測器、模糊控制器、交通延誤。計算具體的框架如下圖：

該控制過程通過交通流生成模型生成一定的交通流，生成的交通流通過車輛檢測器可以檢測監視得到綠燈相位的排隊長度、綠燈相位的入口流量、紅燈相位排隊長度三個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，可以得出該時段的控制策略；對交通信號進行控制；對交通信號控制同時會對交通流產生影響，形成新的交通流繼續以上的循環可以對一定時段的交通信號進行控制。

第五篇：基于模糊控制的電加熱爐控制系統

基于模糊控制的電加熱爐控制系統

姓名：

唐玉光 班級：2011級9班 學號：01201102060909

目錄

目錄..................................................................................................................................................2 1 引言..............................................................................................................................................3 2.加熱爐控制的意義......................................................................................................................4 3.傳統PID與模糊控制的簡介......................................................................................................5 4.模糊控制與PID控制方法的設計與比較...................................................................................6

4.1模糊控制器設計................................................................................................................6 4.2 PID及模糊控制原理和仿真結構圖................................................................................7 4.3滯后時間的影響................................................................................................................9 5.總結：........................................................................................................................................11 6.參考文獻：..................................................................................................................................12 1 引言

PID控制是控制領域產生最早，應用最廣的一種控制方法。具不完全統計，不論是工業過程控制還是航空航天控制領域，PID控制早已經上了經典教科書，然而由于其原理簡單和應用效果，人們仍然不斷研究其各種設計方法和未來發展潛力[1]。模糊控制在只能控制領域由于理論研究比較成熟，實現相對比較簡單，適應面寬而得到廣泛的應用。在現代工業控制應用中，模糊控制都充當著重要的角色。PID控制和模糊控制作為應用廣泛，特點鮮明，又具有某些聯系的兩種控制方式一直受到控制領域廣泛的關注，眾多學者從不同角度對他們進行了對比性研究。[2][3][4]。

2.加熱爐控制的意義

在控制領域中，溫度控制廣泛應用于社會生活的各個領域。電加熱爐溫度控制具有升溫單向性，大慣性大滯后性的特點。其升溫單向性是由于電加熱爐的升溫是依靠電阻絲，降溫是依靠環境自然冷卻。當其溫度一旦有超調，就無法單純用控制手段時期降溫，種種很大的不確定性使得加熱爐在加熱過程中很難全面考慮各種因素的影響，準確控制加熱過程。傳統的繼電器電路簡單實用，但由于繼電器動作頻繁，可能會因觸電不良而影響正常工作。今年來提出改進的電路，采用主回路無觸點控制，客服繼電器結出不良的缺點，且維修方便，缺點是溫度控制范圍小，精度不高，因此，設計和精度相適應的電加熱爐溫控系統非常有實際意義。3.傳統PID與模糊控制的簡介

PID控制即比例，積分，微分控制。由于其結構簡單，容易實現，控制效果好，魯棒性強等特點，因而，自19世紀40年代開始，PID控制在工業過程控制過程中至今仍得到廣泛應用。溫度控制系統將電阻實時采集的溫度值與設定值進行比較，所得差值作為PID控制模塊的輸入。經PID算法計算出輸出控制量，利用修改被控制量誤差的方法實現閉環控制。該方法需現場整定PID參數，而確定被控對象模型具有一定的難度。另外，該方法抗干擾的能力較差。

模糊邏輯在控制領域的應用稱為模糊控制。模糊控制主要將操作者的經驗和專家的控制經驗和知識表示成語言變量描述的控制規則，然后根據控制規則實施控制。它適用于不一取得精確數學模型和數學模型位置或者經常變化的對象。

基于模糊算法的溫度控制系統的實現，首先根據控制經驗形成模糊規則輸入計算機中。然后將采樣所得溫度誤差和誤差變化率的精確量模糊化，計算機根據模糊規則推理做出模糊決策，求出相應的控制量。將控制量精確化后去驅動執行機構，調整輸入達到調節溫度目的。

4.模糊控制與PID控制方法的設計與比較

Ke??s電加熱爐的模型G?s??，Ts?14.1模糊控制器設計

模糊控制器的設計如圖4.1.1,圖4.1.2，圖4.1.3.控制器采用雙輸入單輸出如圖4.1.1

圖4.1.1 控制規則的設定如圖4.1.2，圖4.1.3

圖4.1.2

圖4.1.3 4.2 PID及模糊控制原理和仿真結構圖

原理結構如圖4.2.1 圖4.2.2

圖4.2.1 PID控制原理

圖4.2.2模糊控制原理

仿真結構如圖4.2.3圖4.2.4

圖4.2.3PID仿真結構

圖4.2.4模糊控制仿真結構

4.3滯后時間的影響

常規PID ：?=0.2，T=80

模糊控制：?=0.2，T=80

常規PID ：?=0.3，T=80

模糊控制：?=0.3，T=80 5.總結：

由上述比較可知，隨著純滯后時間的增加，對于常規PID控制系統會造成系統波動加大，而模糊控制系統受到的影響較小，他的控制精度和動態特性很理想，說明模糊控制在被控對象當前的慣性時間下對純滯后時間的魯棒性較好，比常規PID控制好些。

總結以上仿真實驗，我們可得出結論如下： 模糊控制對純滯后時間的魯棒性比常規PID控制好 模糊控制的動態特性控制精度比常規PID控制好 模糊控制臂比常規PID控制的穩定性好

6.參考文獻：

[1]FANG Y,CHOW TW S,LIX D.D se of recurrent neural netw ork in discrete sliding-mode control[J].IEEE.priceedings;Control

theory

and applications,1999.146(1):84-90.[2]王巖青，蔣昌盛。一類非線性不確定中立系統的魯棒自適應滑膜控制[J].吉林大學學報：工學版，2007,37（4）：935-938.[3]CHEM T L ,W U Y C.Intetiable structucre control approval foe eobot manipulators[J].IEEE ptoceedings-D,1992,161-165.[4]杜紅珊，一類反射非線性系統的自適應神經網絡輸出反饋變結構控制[J].控制理論與應用，2008,25（6）：1042-1044