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(fù)小、負(fù)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(fù)小、負(fù)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(yùn)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(lán)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、?。┘?以敘述，借助定性的、不精確的及模糊的條件語 句來表達(dá)。 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(yùn)算的模糊量，然后將這些量在模糊控制器中加以 運(yùn)算，最后再將運(yùn)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(jìn)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(jìn)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(qiáng)，響應(yīng)速度快，并對系 統(tǒng)參數(shù)的變化有較強(qiáng)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(fù)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(qiáng)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(jī) 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(dá)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(jìn)風(fēng)；2出風(fēng)口 ；3蒸發(fā)器風(fēng)機(jī):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(jìn)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(fù)大，負(fù)中，負(fù)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(fù)大 NB( Negative Big )、 負(fù)中 NM( Negative Medium )、 負(fù)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) 正小：u ( X )=1/ ( 1+(x-1) 2) 正很?。簎 ( X)=1/ ( 1+0.5X2) 負(fù)很小：u ( x)=1/ ( 1+0.5X2) 負(fù)?。簎 ( x )=1/ ( 1+(x+1) 2 負(fù)中：u ( x)=1/ ( 1+(x+2) 2) 負(fù)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(jī)、蒸發(fā)器風(fēng)機(jī)、電子膨脹閥 ★控制目標(biāo): 壓縮機(jī)能量調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)控制其排量； 蒸發(fā)器風(fēng)機(jī)控制車內(nèi)的送風(fēng)量； 電子膨脹閥控制壓縮機(jī)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(jī)排量、膨脹閥開度和風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速的等級。 (1)如果溫差“正大”，溫差變化率“負(fù)很小”，認(rèn)為機(jī)器制冷力嚴(yán)重 不足。運(yùn)行狀態(tài)設(shè)置為：壓縮機(jī)排量為“最大”，膨脹閥開度為“最 大”，風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速為“最大”。 (2)如果溫差“正中” 運(yùn)行狀態(tài)設(shè)置為： ,溫差變化率“正大”，認(rèn)為機(jī)器制冷力不足， 壓縮機(jī)排量為“大”，膨脹閥開度為“大”，風(fēng)機(jī) 轉(zhuǎn)速為“大”。 (3)如果溫差“正小” 運(yùn)行狀態(tài)設(shè)置為： ,溫差變化率“正中”，認(rèn)為機(jī)器制冷力

23、仍不足， 壓縮機(jī)排量為“中”，膨脹閥開度為“中”，風(fēng)機(jī) 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(fù)大時，誤差變化為負(fù)大為例，這時誤差有增大的趨勢，為 盡快消除已有的負(fù)大誤差并抑制誤差變大，所以控制量取負(fù)大，即使風(fēng)門 開度達(dá)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?。簎 (x)=1 正很小：u (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?。簎(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(jī)排量F對“中等排量”隸屬度u (F)=0.8，風(fēng) 機(jī)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?？紤]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(jī)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 最小：u (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(jìn)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(jìn)行熱負(fù)荷模糊修正。 4、 根據(jù)車門啟閉情況，對控制輸出進(jìn)行修正 緒諂* 實行模糊控制要進(jìn)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