模糊控制系统21模糊集合
控制系统的模糊控制理论与应用
控制系统的模糊控制理论与应用控制系统是指通过对特定对象的操作，以达到预期目标的过程。
在控制系统中，模糊控制理论是一种常用的控制方法。
本文将介绍控制系统的模糊控制理论以及其应用。
一、模糊控制理论的基本概念模糊控制理论是一种基于模糊逻辑的控制方法，它模拟了人类的思维和决策过程。
与传统的精确控制方法相比，模糊控制理论能够应对现实世界中存在的模糊不确定性和非线性关系。
1. 模糊集合模糊集合是模糊控制理论的基础，它是对现实世界中一类事物或对象的模糊描述。
不同于传统的集合理论，模糊集合允许元素以一定的隶属度或可信度属于这个集合。
2. 模糊逻辑模糊逻辑是模糊控制理论的核心，它用于描述和处理具有模糊性质的命题和推理。
模糊逻辑采用模糊集合的运算规则，能够处理模糊不确定性和非精确性的信息。
3. 模糊控制器模糊控制器是模糊控制系统的核心组件，它基于模糊逻辑进行决策和控制。
模糊控制器通常由模糊规则库、模糊推理机和模糊输出函数组成。
二、模糊控制理论的应用领域模糊控制理论具有广泛的应用领域，并在许多实际问题中取得了良好的效果。
1. 工业控制在工业控制领域，模糊控制理论可以应对复杂的非线性系统和参数不确定性。
例如，在温度控制系统中，模糊控制器可以根据当前的温度和环境条件，控制加热器的输出功率，以使温度保持在设定范围内。
2. 智能交通在智能交通系统中，模糊控制理论可以用于交通信号灯控制、车辆路径规划和交通流量优化。
通过根据交通状况和道路条件动态调整信号灯的时序，可以提高交通效率和道路安全性。
3. 机器人技术在机器人技术中，模糊控制理论可以用于机器人路径规划、动作控制和感知决策。
通过将环境信息模糊化，机器人可以根据当前的感知结果和目标任务制定合理的动作策略。
4. 金融风险控制在金融风险控制中，模糊控制理论可以用于风险评估和交易决策。
通过建立模糊规则库和模糊推理机制，可以根据不确定和模糊的市场信息制定合理的交易策略。
三、模糊控制理论的优势和发展方向模糊控制理论具有以下几个优势，使其在实际应用中得到了广泛的应用和研究：1. 简化建模过程：相比传统的控制方法，模糊控制理论能够简化系统的建模过程，减少系统的复杂性。
模糊集合
精确集合
X 6
1
X 6
A 0
A 1
X 6
模糊集合
13
A ( x) 1
A ( x) [0 1]
1
6
13
2) 连续形式: 令X = R+ 为人类年龄的集合, 模糊集合 B = “年龄在50岁左右”则表示为:
B { x, B ( x ) | x X } 1 式中： B ( x) x 50 4 1 ( ) 10
112121xfxfxxf??它的定义比模糊凸的定义严格不符合凸函数条件1x2x语言变量5元组为特征?????????规则与各值含义有关的语法值名称的句法规则产生论域术语的集合变量的名称
基于模糊推理的智能控制
1）模糊集合与模糊推理
2）模糊推理系统
3）模糊控制系统
0. 模糊概念
天气冷热
雨的大小
风的强弱
Trig(x;20,60,80)
Trap(x;10,20,60,90)
g(x;50,20)
bell(x:20,4,50)
隶属函数的参数化：
以钟形函数为例， bell ( x; a, b, c) a,b,c,的几何意义如图所示。
1
1
x c 2b a
斜率=-b/2a
c-a
c
c+a
改变a,b,c,即可改变隶属函数的形状。
R(U ,V ) {( x, y, R ( x, y)) | ( x, y) U V } U ,V 是二个论域。
同 一 空 间
R ( x, y) [0,1]
y1 y2 y3 y4
x1 0.8 1.0 0.1 0.7 0 x2 0 0.8 0 x3 0.9 1.0 0.7 0.8
模糊控制系统课件
（1）模糊化接口（Fuzzification）
所谓模糊化，就是通过传感器把被控对象的相关物理量 →电量，若传感器的输出量是连续的模拟量 A / D 数字量作 为计算机的输入测量值→标准化处理（即把其变化范围映射 到相应内部论域中，然后将内部论域中该输入数据转换成相 应语言变量的概念，并构成模糊集合）。
量化因子：K e
2n1 eH eL
， Kec
2n2 eH eL
，
比例因子：
Ku
uH uL 2m
注：误差和误差变化这两个变量的连续值与其论域中的离散值
并不是一一对应的。
（2）模糊推理机（Inference engine） 模糊推理机由知识库（数据库和规则库）与模糊
推理决策逻辑构成。这是基本部分。 ①知识库（Knowledge base）=数据库（Date base） +语言控制规则库（Rule base）
缺点：不同被控对象，控制规则不变，控制效果不好。
图4.3 简单模糊控制器的结构
⑵模糊自调整控制器----二维模糊控制器中加入修正因子
（规则自调整模糊控制器）
u e 1 e
低阶控制系统： >0.5 高阶控制系统： <0.5
当误差较大时，控制系统的主要任务是消除误差，加快响 应速度，这时对误差的加权应该大些；
的概念？ 3、常用的模糊控制器有哪些？ 4、二维FC的工作原理？优缺点？ 5、FC设计的两种实现方式及其特点？ 6、设计模糊控制器的步骤？
4.2模糊控制器的结构设计
4.2.1模糊控制器的结构设计 实质：模糊控制器输入语言变量及输出语言变量的选取和模糊控制器的不同
21. 如何通过模糊控制实现自适应系统？
21. 如何通过模糊控制实现自适应系统？21、如何通过模糊控制实现自适应系统？在当今科技飞速发展的时代，自适应系统在众多领域中发挥着至关重要的作用。
从工业自动化到智能交通，从智能家居到医疗设备，自适应系统能够根据环境的变化和输入的不确定性，自动调整自身的参数和行为，以达到最优的性能和效果。
而模糊控制作为一种智能控制方法，为实现自适应系统提供了一种有效的途径。
那么，什么是模糊控制呢？简单来说，模糊控制是一种基于模糊逻辑的控制方法，它不像传统的控制方法那样依赖于精确的数学模型，而是能够处理和利用模糊性和不确定性的信息。
在实际应用中，很多系统的行为和特性往往难以用精确的数学模型来描述，比如人的思维、判断和决策过程，或者一些复杂的非线性系统。
而模糊控制正是为了解决这类问题而应运而生的。
要通过模糊控制实现自适应系统，首先需要对系统进行模糊化处理。
这就意味着将系统的输入和输出变量转化为模糊集合。
例如，对于温度这个输入变量，我们可以定义“低温”、“中温”和“高温”等模糊集合。
同样，对于输出变量，比如风扇的转速，我们可以定义“慢速”、“中速”和“快速”等模糊集合。
接下来，要建立模糊规则库。
模糊规则库是模糊控制的核心部分，它包含了一系列基于专家经验或实验数据的规则。
这些规则通常以“如果……那么……”的形式表示。
比如，“如果温度是高温，那么风扇转速应该是快速”。
通过制定合理的模糊规则，可以使系统在不同的输入情况下做出相应的调整。
在模糊推理过程中，根据输入变量所属的模糊集合以及模糊规则库，通过一定的推理算法来确定输出变量所属的模糊集合。
这个过程类似于人类的推理和判断，是基于模糊逻辑进行的。
为了得到具体的输出值，还需要进行去模糊化处理。
去模糊化的方法有很多种，常见的有重心法、最大隶属度法等。
通过去模糊化，将模糊的输出集合转化为精确的数值，从而实现对系统的控制。
在实现自适应系统的过程中，模糊控制具有很多优势。
首先，它对系统模型的精确性要求不高，能够适应那些难以建立精确数学模型的系统。
模糊控制系统应用2
3.1 模糊推理基础3.1.1 模糊集合1．模糊集合定义延用普通集合论的有关概念，设为论域，为元素，模糊集合定义：论域中元素的模糊集A是以：[0，1]为隶属函数表征的集合。
隶属函数表征属于模糊集合A的程度或等级，亦称模糊特征函数，是用于描述普通集合的特征函数的扩展，其值域是从普通集合特征函数的{0，1}扩充到[0，1]区间的实数。
若接近1，则表示属于A的程度高，反之，若接近0，则表示属于A的程度低。
2．集合表示方法1）Zadeh(查德)表示法在论域U中，＞0的全部元素组成的集合，称为Fuzzy集合A的“台”，或“支集”。
也就是说，当某个元素的隶属度为零时，它就不属于该Fuzzy集合。
当Fuzzy集合A有一个有限的台时，A可表达为：（3-1）式中，并不代表“分数”，而是表示论域U中元素与其隶属函数之间的对应关系，称为“单点”；符号“+”也不表示“求和”，而是表示Fuzzy集合在论域U上的整体。
可见，通过台来表示Fuzzy集合的Zadeh 表示法，实际上是将Fuzzy集合视为一些单点的集合，使Fuzzy集合的表达式更加简明、醒目，而不必再考虑那些不属于该集合的元素（尽管这些元素也确在论域U之中）。
当Fuzzy集合A的台有无限多个元素时，应用Zadeh表示法，Fuzzy集合A可表达为：（3-2）式中，积分符号不代表普通的积分，也不意味着求和，而是表示无限多个元素与相应隶属度对应关系的一个总括。
在这种情况下，式（3-2）中也不需加写算符。
2）向量表示法当Fuzzy集合A的台由有限个元素构成时，Fuzzy集合A还可表示成向量形式，即：（3-3）注意，应用向量表示法时，隶属度等于零的项，在式（3-3）所示向量中必须以0代替，不能舍弃。
例如，已知Fuzzy集合“几个”的Zadeh表示为：A = 0.3/3 + 0.7/4 + 1/5 + 1/6 + 0.7/7 + 0.3/8其中，论域U = {1，2，3，4，5，6，7，8，9}。
模糊控制系统简介
模糊理论在模糊控制中的应用——模糊控制系统摘要：模糊控制技术对工业自动化的进程有着极大地推动作用。
本文简要的讲述了模糊控制理论的起源及基本原理，详细分析了模糊控制器的设计方法，最后就典型的模糊控制系统原理和新型模糊控制系统应用进行了分析正文：一：模糊理论1.1模糊理论概念：模糊理论（Fuzzy Theory）是指用到了模糊集合的基本概念或连续隶属度函数的理论。
它可分类为模糊数学，模糊系统，不确定性和信息，模糊决策这五个分支，它并不是完全独立的，它们之间有紧密的联系。
1.2模糊理论产生：1965年，模糊理论创始人，美国加州福尼亚大学伯克利分校的自动控制理论专家L.A.Zadeh教授发表了题为“Fuzzy Set”的论文，这标志着模糊理论的诞生。
这一理论为描述和处理事务的模糊性和系统中的不确定性，以及模拟人所特有的模糊逻辑思维功能，从定性到定量，提供了真正强有力的工具。
1966年，马里诺斯发表了模糊逻辑的研究报告，而Zadeh进一步提出了著名的模糊语言值逻辑，并于1974年进行了模糊逻辑推理的研究。
由于这一研究和观点反映了客观世界中普遍存在的事务，它一出现便显示出强大的生命力和广阔的发展前途，在自然科学，其他科学领域及工业中得到了迅速的广泛的应用。
二：模糊控制理论2.1模糊控制理论的产生：在控制技术的应用过程中，对于多变量、非线性、多因素影响的生产过程，即使不知道该过程的数学模型，有经验的操作人员也能够根据长期的实践观察和操作经验进行有效地控制，而采用传统的自动控制方法效果并不理想。
从这一点引申开来，是否可将人的操作经验总结为若干条控制规则以避开复杂的模型建造过程？模糊控制理论与技术由此应运而生。
20世纪70年代模糊理论应用于控制领域的研究开始盛行，并取得成效。
其代表是英国伦敦大学玛丽皇后分校的E.H.Mamdani教授将IF-THEN型模糊规则用于模糊推理，并把这种规则型模糊推理用于蒸汽机的自动运转中。
模糊控制系统课件2.1
2.1 模 糊 集 合 及 其 隶 属 函 数
模 糊 集 合 及 其 表 示
分类：有限集合、无限集合、连续集合、离散集合 分类 普通集合：两个元素之间只能有“属于”、“不属于”，“非 普通集合 此即彼”，不能模棱两可。外延、内涵均清晰，有局限性。 例：不大于100的自然数。即：0、1、2、3……. 模糊集合：一群人身高“高、较高、一般高、不高”，没有一 模糊集合 个划分标准。 例1：“青年人”是一个模糊概念，问题： ①“青年人”的年龄界限是什么？ 界限 0~35 ， 此界限内，是 属于青年 人的 ？ 3个人分 26、35、55 ，属于青年人的 一 ？ 例2： 的 分 “ ”， 2个 91，98， 98分分属于“ ” 个集合的 91分 高。 A 注：模糊集合用大写英文字母下加波浪线表示，如 ~ 、 B 。 ~ 以后为简化，省略下划线，A、B。 L.A.Zadeh提出模糊集合理论。
2.1.1 2.1.1 模 糊 集 合 及 其 表 示
U中的元素ui与 对 的 序偶(ui，A(ui))，A可表示为：
A(ui)组成
例： 例：
={
200，0 ， 400，0.2 ， 600，0.4 ， 800，0.6 1000，0.8 ， 1200，1.0 ， 1400，1.0 }
，
2.1.1 2.1.1 模 糊 集 合 及 其 表 示
第2章 模糊逻辑与模糊推理
美国加州大学控制专家L.A.Zadeh教授 于1965年创立了模糊集合理论。模糊理 论是在模糊集合理论的基础上发展起来 的，主要包括模糊集合理论、模糊逻辑、 模糊推理和模糊控制等方面的研究。
2.1.1 模糊集合及其表示 (1)模糊集合的概念 模糊集合的概念 集合：具有本质属性的全体事物的总和。 集合： 例：“山东科技大学的学生”可以作为一个集合。 用大写字母A、B……X、Y、Z等表示。包含多 个个体元素；一个概念的外延就是一个集合。 元素： 元素：集合 的个体 用 写字母u 论域： 论域：集合的全体； 全 用大写字母U、V表示。 v表示。 的全体。
模糊控制技术课后习题答案
模糊控制技术课后习题答案模糊控制技术课后习题答案模糊控制技术是一种广泛应用于工程领域的控制方法，它通过模糊推理和模糊逻辑来处理模糊信息，从而实现对复杂系统的控制。
在学习模糊控制技术的过程中，课后习题是巩固知识和加深理解的重要途径。
下面将为大家提供一些模糊控制技术课后习题的答案，希望对大家的学习有所帮助。
1. 什么是模糊控制系统？模糊控制系统是一种基于模糊逻辑和模糊推理的控制系统。
它通过建立模糊规则库，对输入和输出进行模糊化处理，然后通过模糊推理得到控制信号，实现对系统的控制。
模糊控制系统能够处理模糊信息和不确定性，适用于复杂系统的控制。
2. 什么是模糊集合？模糊集合是对现实世界中模糊概念的数学描述。
与传统的集合不同，模糊集合中的元素具有模糊隶属度，表示了元素与集合之间的模糊关系。
模糊集合可以用隶属函数来表示，隶属函数的取值范围在[0,1]之间。
3. 什么是模糊逻辑？模糊逻辑是一种扩展了传统逻辑的数学理论，它能够处理模糊信息和不确定性。
在模糊逻辑中，命题的真值不再是只有真和假两种取值，而是可以是任意在[0,1]范围内的模糊值。
模糊逻辑通过模糊推理和模糊规则来处理模糊信息，实现对复杂问题的推理和决策。
4. 什么是模糊推理？模糊推理是模糊控制系统中的核心过程，它通过对模糊规则进行推理，得到模糊输出。
模糊推理的基本思想是将输入与模糊规则库中的规则进行匹配，然后根据匹配程度和规则的权重计算出输出的模糊值。
常用的模糊推理方法有模糊关联和模糊推理机。
5. 什么是模糊控制器？模糊控制器是模糊控制系统中的关键组成部分，它通过模糊推理和模糊规则来生成控制信号，实现对系统的控制。
模糊控制器的输入是模糊化后的系统状态，输出是经过去模糊化处理的控制信号。
常见的模糊控制器有模糊PID控制器和模糊神经网络控制器。
通过以上几个问题的回答，我们对模糊控制技术有了初步的了解。
模糊控制技术作为一种处理模糊信息和不确定性的控制方法，在工程领域有着广泛的应用。
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饭店小费模 糊系统中的
信息处理
输入变量“服务”采 用三个模糊集合表示， 分别为“差”、 “好”、“极好”， 对应于曲线型MF；
变量“食物”用两个 模糊集合表示，分别 为“糟糕”和“美 味”，采用直线型MF；
输出变量“小费”由 “少”、“一般”和 “多”三个集合表示， 采用三角形MF。
输入变量的论域为[0，10]，输出 变量的论域是0%～0.25%。 11
步骤1：输入变量的模 糊化；
例如，考虑“服务” 质量的分数为3，该精 确输入对于“差”模 糊集的隶属度为 μ=0.3，即为模糊化 的结果。如果“食物” 的打分为8，其对应于 “糟糕”模糊集的模 糊化结果为μ=0。
一旦输入被模糊化，便可 知它对某条规则前提部 分的隶属度。
规则1：如果服务差或者食物不好，那 么小费就少。规则2：如果服务好，那 么小费一般。规则3：如果服务极好， 或者食物很美味，那么小费多。
14
步骤4：所有 规则作用结 果的聚集
采用叠加方 法对这些输 出进行合成， 以形成最终 的模糊输出 结果 ，如图 右边的底部 所示。
15
步骤5：解模 糊。
最后，模糊 输出(面积) 转化为精确 输出(小费为 16.7%) ， 即 一个单纯的 数字.
典 型 的 解 模 糊 方 法 有 重 心 法 (COA)。
例如，温度是一个模糊变 量，它可以由语言变量冷、 温、热来定义，每一个语 言变量可以用一个三角形 的或含有部分直线段的隶 属函数(MF)来表示。
一个MF是一条描述模糊变 量在某区域的值如何被映 射为0到1之间的一个隶属 值μ(隶属度)的曲线。
a)模糊集合中的温度表示 b)清晰集合中的温度表示
4
不同种类的隶属函数
a)模糊集合 b)清晰集合
8
2.1.3模糊系统
一个模糊推理系统(或称模糊系统)实质上包含从 一个基于模糊逻辑的给定输入集合到输出集合的 映射算式。该映射的过程反映了推理或推断的基 本思想。一个模糊推理过程包括以下五个步骤：
步骤1：输入变量的模糊化； 步骤2：对规则的前提部分应用模糊运算(AND、
1
2.1 模糊集合
经典的集合理论是基于布尔逻辑的，一个特定的 对象或变量要么属于一个给定的集合(逻辑1)， 要么不属于(逻辑0)。
但是，在基于模糊逻辑的模糊集合理论中，一个 特性的对象对于给定的集合总有一个隶属度，其 可能是0(完全不属于这个集合)到1(完全属于这 个集合)之间的某个值。
正是由于这个原因，模糊逻辑常被称为多值逻辑， 以区别于二值布尔逻辑。
这种推理步骤有助于产 么小费一般。规则3：如果服务极好， 生某条规则的结论部分。 或者食物很美味，那么小费多。
13
步骤3：从前提 到结论的推理；
在这个规则中， 输出MF“少” 在μ=0.3时被 截得以形成如 图所示的模糊 输出.
三条规则采用 同样的方法被 评价，其结果 显示在图的最 右边。
规则1：如果服务差或者食物不好，那么小 费就少。规则2：如果服务好，那么小费一 般。规则3：如果服务极好，或者食物很美 味，那么小费多。
当输入为X=-3和Y=1.5时， 规则1的开放度(DOF)为 DOF1=μNS(X)∧μZE(Y)=0.8∧
0.6=0.6 输出为截去顶部的MF(PS’) 对于规则2和规则3，有
DOF2=μZE(X)∧μZE(Y)=0.4∧0.6=0.4 DOF3=μZE(X)∧μPS(Y)=0.4∧1.0=0.4
12
步骤2：对规则的前 提部分应用模糊运算；
在这个规则中，使用
的是“OR”运算，因
此在0.3和0两个值之
间，模糊算子的运算
结果为0.3，该值也
被定义为一条规则的
开放度(DOF)。反之，
如果这条规则包含
“AND”运算，那么0
将被选取。
规则1：如果服务差或者食物不好，那
么小费就少。规则2：如果服务好，那
2
输入/输出映射问题
一个模糊逻辑问题可以被等效为一个通过“黑箱”描述 的具有输入/输出的、静态的和非线性的映射问题。
所有的输入信息定义在输入空间中，并在黑箱中被处理， 结果显示在输出空间中。
通常映射可以是静态的也可以是动态的，且映射的特性 是由黑箱的特性决定的。
3
2.1.1隶属函数 (MF)
a)三角形 b)梯形 c) 高斯形 d)双侧高斯形
5
不同种类的隶属函数
e)钟形 f)右开口S形 g)左开口S形 h)差值S形
6
不同种类的隶属函数
i)乘积S形 j)多项式Z形 k)多项式π形 l)多项式S形
7
2.1.2 模糊集合 运算
采用三角型MF的 模糊集合A和B之 间的或、与、非 逻辑运算如图 (左边)，并与右 边相应的布尔逻 辑运算相比较。
16
2.1.3推理方法 1、Mamdani方法
考虑一个模糊系统中的三条规则，其一般表述形式如下： 规则1：如果X是负小(NS)且Y是零(ZE)，那么Z是正小
(PS); 规则2：如果X是零(ZE)且Y是零(ZE)，那么Z是零(ZE)； 规则3：如果X是零(ZE)且Y是正小(P糊控制系统是一种自动控制系统。 它是以模糊数学、模糊语言形式的知识表示和模
糊逻辑推理为理论基础，采用计算机控制技术构 成的一种具有闭环结构的数字控制系统。 它的组成核心是具有智能性的模糊控制器。 在控制原理上它应用模糊集合论、模糊语言变量 和模糊逻辑推理的知识，模拟人的模糊思维方法， 对复杂过程进行控制。
OR、NOT)； 步骤3：从前提到结论的推理； 步骤4：所有规则作用结果的聚集； 步骤5：解模糊。
9
餐馆小费模糊推理系统
其中“食物”和“服务”是输入模糊变量(变量 范围(或论域)是[0，10])；
“小费”是输出模糊变量(变量范围是[0， 0.25])。
输出是这个系统三条规则执行结果的合成。 10
(NS)。 其中，X和Y是输入变量；Z是输出变量；NS、ZE和PS是
模糊集合。
17
基于Mamdani方法的三规 则模糊推理过程
规则1：如果X是负小(NS)且Y是零(ZE)， 那么Z是正小(PS); 规则2：如果X是零(ZE)且Y是零(ZE)， 那么Z是零(ZE)； 规则3：如果X是零(ZE)且Y是正小(PS)， 那么Z是负小(NS)。