模糊控制——理論基礎(1)


1、模糊控制

   模糊控制是建立在人工經驗基礎之上的。對於一個熟練的操作人員,他往往憑借豐富的實踐經驗,采取適當的對策來巧妙地控制一個復雜過程。若能將這些熟練操作員的實踐經驗加以總結和描述,並用語言表達出來,就會得到一種定性的、不精確的控制規則。如果用模糊數學將其定量化就轉化為模糊控制算法,形成模糊控制理論。

2、特點

(1)模糊控制不需要被控對象的數學模型。模糊控制是以人對被控對象的控制經驗為依據而設計的控制器,故無需知道被控對象的數學模型。

(2)模糊控制是一種反映人類智慧的智能控制方法。模糊控制采用人類思維中的模糊量,如“高”、“中”、“低”、“大”、“小”等,控制量由模糊推理導出。這些模糊量和模糊推理是人類智能活動的體現。

(3)模糊控制易於被人們接受。模糊控制的核心是控制規則,模糊規則是用語言來表示的,如“今天氣溫高,則今天天氣暖和”,易於被一般人所接受。

(4)構造容易。模糊控制規則易於軟件實現。

(5)魯棒性和適應性好。通過專家經驗設計的模糊規則可以對復雜的對象進行有效的控制。

3、模糊集合

模糊集合是模糊控制的數學基礎。

模糊集合的表示

①    模糊集合A由離散元素構成,表示為散元素構成,表示為:

② 模糊集合A由連續函數構成,各元素的隸屬度就構成了隸屬度函數(Membership Function),此時A表示為:

  在模糊集合的表達中,符號“/”、“+”和“∫”不代表數學意義上的除號、加號和積分,它們是模糊集合的一種表示方式,表示“構成”或“屬於”。

      模糊集合是以隸屬函數來描述的,隸屬度的概念是模糊集合理論的基石。

 例3.1 設論域U={張三,李四,王五},評語為學習好。設三個人學習成績總評分是張三得95分,李四得90分,王五得85分,三人都學習好,但又有差異。

     若采用普通集合的觀點,選取特征函數

  此時特征函數分別為 C(張三)=1,C(李四)=1,C(王五)=1。這樣就反映不出三者的差異。假若采用模糊子集的概念,選取[0,1]區間上的隸屬度來表示它們屬於“學習好”模糊子集A的程度,就能夠反映出三人的差異。

      采用隸屬函數 μ(x)=x/100,由三人的成績可知三人“學習好”的隸屬度為 C(張三)=0.95,C(李四)=0.90,C(王五)=0.85。用“學習好”這一模糊子集A可表示為:

A={0.95,0.90,0.85}

其含義為張三、李四、王五屬於“學習好”的程度分別是0.95,0.90,0.85。

 

例3.2 以年齡為論域,取X=[0,100]。Zadeh給出了“年輕”的模糊集Y,其隸屬函數為:

通過Matlab仿真對上述隸屬函數作圖,隸屬函數曲線如圖3-1所示。

 

 4、模糊集合的基本運算

由於模糊集是用隸書函數來表征的,因此兩個子集之間的運算實際上就是逐點對隸屬度作相應的運算。

(1)空集

    模糊集合的空集為普通集,它的隸屬度為0,即:

(2)全集

    模糊集合的全集為普通集,它的隸屬度為1,即

 

(3)等集

      兩個模糊集A和B,若對所有元素u,它們的隸屬函數相等,則A和B也相等。即

4)補集

     A的補集,則:

(5)子集

  若B為A的子集,則

 

(6)並集

  若C為A和B的並集,則

一般地,

(7)交集

若C為A和B的交集,則

一般地,

注意:模糊集合的運算符雖然和數學上集合的符號相同,但意思完全不同

(8)模糊運算的基本性質

 

5、模糊算子

        模糊集合的邏輯運算實質上就是隸屬函數的運算過程。采用隸屬函數的取大(MAX)-取小(MIN)進行模糊集合的並、交邏輯運算是目前最常用的方法。但還有其它公式,這些公式統稱為“模糊算子”。

        設有模糊集合A、B和C,常用的模糊算子如下:

 


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