智能控制技术——模糊控制一

智能控制技术,模糊控制,主要内容,2,2. 模糊控制的理论基础 2.1 引言 2.1.1 模糊控制的发展概述 2.1.2 模糊控制的特点 2.2 模糊集合论基础 2.2.1 模糊集的概念 2.2.2 模糊集合的运算 2.2.3 隶属度函数的建立 2.2.4 模糊关系 2.3 模糊逻辑、模糊逻辑推理和合成 2.3.1 二值逻辑 2.3.2 模糊逻辑及其基本运算 2.3.3 模糊语言逻辑 2.3.4 模糊逻辑推理,3,2.1 引言,2.1.1 模糊控制的发展概述,传统控制理论的局限性,随着复杂系统的不断涌现，传统控制理论越来越多地显示它的局限性。,什么叫复杂系统？具体特征是什么？,4,2.1 引言,2.1.1 模糊控制的发展概述,传统控制理论的局限性,什么叫复杂系统？具体特征是什么？,（1）控制对象的复杂性 模型不确定或无法建立、 高度非线性、动态突变、多时间标度、复杂的信息模式等。,（2）输入参数的复杂性 传统控制：通常处理较简单的物理量如电量（电压、电流、 阻抗），机械量（位移、速度、加速度）等 如今需求：要考虑视觉、听觉、触觉信号，包含了图形、 文字、语言、声音等信息,输入输出参数越来越直接，越来越智能。,5,2.1 引言,2.1.1 模糊控制的发展概述,输入参数越来越直接的典型例子,假设有下图所示准备好的一盘排骨，所需调料也准备好了，需要炖排骨汤，请问怎么烧？,排骨怎么烧？,思考：把传统的锅和煤气灶看成一个经典控制系统，我们需要控制什么？,6,2.1 引言,2.1.1 模糊控制的发展概述,多大火候？ 炖多少时间？,输入参数越来越直接的典型例子,7,2.1 引言,2.1.1 模糊控制的发展概述,两个直观输入参数即搞定一切！,8,2.1 引言,2.1.1 模糊控制的发展概述,电压力锅：典型的模糊控制系统,在电压力锅做菜的过程中，我们输入的烹饪功能命令，口感命令都是模糊的概念，带有人类思维的命令。,智能控制系统分层递阶结构示意图,9,2.1 引言,2.1.1 模糊控制的发展概述,举个小例子：一般计算机的识别方式,某女登陆征婚网站， 输入条件：1、要帅；2、要有车。输出答案：象棋。,该女不服，继续：1、要高大；2、要有安全感。 输出答案：奥特曼。,10,2.1 引言,2.1.1 模糊控制的发展概述,举个小例子：一般计算机的识别方式,该女怒，继续：1、要有很多钱；2、要有大房子。 输出答案：银行。 于是该女一气之下把以上条件一起输入。 N秒后，给出答案：奥特曼在银行里下象棋。,11,2.1 引言,2.1.1 模糊控制的发展概述,举个小例子：一般计算机的识别方式,这个例子说明，目前大多数计算机并还不是那么智能。,12,2.1 引言,2.1.1 模糊控制的发展概述,举个小例子：一般计算机的识别方式,这个例子说明，目前大多数计算机还不是那么智能。,验证码（全自动区分计算机和人类的图灵测试） 有效防止某个黑客对某一个特定注册用户用特定程序暴力破解方式进行不断的登陆尝试。 该测试问题由计算机生成并评判，但是必须只有人类才能解答。,13,2.1 引言,2.1.1 模糊控制的发展概述,举个小例子：一般计算机的识别方式,这个例子说明，目前大多数计算机还不是那么智能。,14,2.1 引言,2.1.1 模糊控制的发展概述,举个小例子：一般计算机的识别方式,这个例子说明，目前大多数计算机还不是那么智能。,15,2.1 引言,2.1.1 模糊控制的发展概述,举个小例子：一般计算机的识别方式,这个例子说明，目前大多数计算机还不是那么智能。,16,2.1 引言,2.1.1 模糊控制的发展概述,举个小例子：一般计算机的识别方式,这个例子说明，目前大多数计算机还不是那么智能。,17,2.1 引言,2.1.1 模糊控制的发展概述,举个小例子：一般计算机的识别方式,这个例子说明，目前大多数计算机还不是那么智能。,Google收购，用于门牌号，路牌的识别,18,2.1 引言,2.1.1 模糊控制的发展概述,一般计算机有时候很难处理人类看起来非常简单的事情,复杂图像识别 语言描述 根据语境判断命令 ,绝大多数计算机只能接受确定的命令并产生确定的响应！,19,2.1 引言,2.1.1 模糊控制的发展概述,自然界中带有人类思维的模糊概念,20,2.1 引言,2.1.1 模糊控制的发展概述,假设对于成绩的评价只分为合格和不合格,能不能给出一个更加“公平”的评价： 60：100%合格 90：200%合格 59：99%合格,21,2.1 引言,2.1.1 模糊控制的发展概述,对于经典控制理论里面的温度调节系统,22,2.1 引言,2.1.1 模糊控制的发展概述,模糊控制的由来,模糊控制（Fuzzy Control）来源于对人类经验控制行为的模仿。,模糊控制以模糊集合论为数学基础,1965年，Professor Lotfi A. Zadeh教授发表了开创性的文章Fuzzy Sets，标志着模糊理论的诞生。,23,2.1 引言,2.1.1 模糊控制的发展概述,模糊控制的发展第二阶段,1973年 Zadeh又在他的重要文章Outline of an approach to the analysis of complex systems and decision process中，引入了语言变量和模糊规则的概念，建立了模糊控制的基本原理。 同时期，Mamdani和Ostergaard分别将模糊控制成功地应用于蒸汽机和水泥窑的控制，为模糊理论的发展展现了光明的前景。,24,2.1 引言,2.1.1 模糊控制的发展概述,模糊控制的发展第三阶段,上世纪80年代，模糊理论的应用在深度和广度上都有了较大进展，产生了大量的应用成果。 特别是在日本，模糊控制被成功地应用于废水处理、机器人、汽车驾驶、家用电器和地铁系统等许多领域，掀起了模糊技术应用的浪潮。模糊软硬件也投入商业使用。,25,2.1 引言,2.1.1 模糊控制的发展概述,模糊控制的发展第四阶段,上世纪90年代以来，模糊理论的研究取得了一系列突破性的进展，例如自适应模糊控制，模糊系统的结构和稳定性分析，模糊优化，模糊逼近等。 模糊理论已成为智能技术的三大支柱之一。,26,2.1 引言,2.1.1 模糊控制的特点,（1）模糊控制不需要被控对象的数学模型。 模糊控制是以人对被控对象的控制经验为依据而设计的控制器，故无需知道被控对象的数学模型。 （2）模糊控制是一种反映人类智慧的智能控制方法。 模糊控制采用人类思维中的模糊量，如“高”、“中”、“低”、“大”、“小”等，控制量由模糊推理导出。这些模糊量和模糊推理是人类智能活动的体现。,？,27,2.1 引言,2.1.1 模糊控制的特点,（3）模糊控制易于被人们接受。 模糊控制的核心是控制规则，模糊规则是用语言来表示的，如“今天气温高，则今天天气暖和”，易于被一般人所接受。 （4）构造容易。 模糊控制规则易于软件实现。 （5）鲁棒性和适应性好。 通过专家经验设计的模糊规则可以对复杂的对象进行有效的控制。,主要内容,28,2. 模糊控制的理论基础 2.1 引言 2.1.1 模糊控制的发展概述 2.1.2 模糊控制的特点 2.2 模糊集合论基础 2.2.1 模糊集的概念 2.2.2 模糊集合的运算 2.2.3 隶属度函数的建立 2.2.4 模糊关系 2.3 模糊逻辑、模糊逻辑推理和合成 2.3.1 二值逻辑 2.3.2 模糊逻辑及其基本运算 2.3.3 模糊语言逻辑 2.3.4 模糊逻辑推理,29,2.2 模糊集合论基础,2.2.1 模糊集的概念,集合的概念,集合：具有某种特定属性的对象的全体,论域U：集合的全体 元素u：集合中的元素 : 元素u在论域U内,30,2.2 模糊集合论基础,2.2.1 模糊集的概念,集合的表示方法,（1）列举法：将集合的元素全部列出的方法,（2）定义法：用集合中的共性来描述集合的方法,（3）归纳法：通过一个递推公式来描述集合的方法,（4）特征函数表示法：利用经典集合论非此即彼等明晰性来表示集合的方法,（5）通过某些集合的运算来表示的集合,31,2.2 模糊集合论基础,2.2.1 模糊集的概念,集合的表示方法,例1：设集合U由1到5的五个自然数组成，试分别用列举法，定义法，归纳法写出该集合的表达式。,解： 列举法 U=1,2,3,4,5 定义法 U=u|u为自然数，且1u5 归纳法 U=ui+1=ui+1, i=1,2,3,4, u1=1,32,2.2 模糊集合论基础,2.2.1 模糊集的概念,经典集合,经典集合论中任意一个元素u与任意一个集合U之间的关系，只是“属于”（1）或“不属于”（0）两种，它描述的是有明确分界线的元素的组合。,例如“男人”和“女人”这样一对集合就是有明确分界线的。,但对于“速度快”、“年轻”、“热”此类的集合描述就没有明确的分界线。,33,2.2 模糊集合论基础,2.2.1 模糊集的概念,模糊集合与隶属度函数,模糊集合：边界不很明确的同一类模糊事物或模糊概念的“集合”。,隶属度函数：元素属于该模糊集合的程度。,34,2.2 模糊集合论基础,2.2.1 模糊集的概念,例2：设论域U=张三，李四，王五，评语为“学习好”。设三个人学习成绩总评分是张三得95分，李四得90分，王五得85分。,若采用隶属度函数：,35,2.2 模糊集合论基础,2.2.1 模糊集的概念,例3：人对温度的感觉(0C 40C的感觉)：,经典集合：14.99C属于“冷”；15.01 C属于舒适。与人的感觉一致吗？,36,2.2 模糊集合论基础,2.2.1 模糊集的概念,例3：人对温度的感觉(0C 40C的感觉)：,37,2.2 模糊集合论基础,2.2.1 模糊集的概念,模糊集合的表示方法,若论域U为连续域，则可写成,若论域U为离散域，且是有限集合，则可以表示成：,(1) Zadeh表示法,(2) 序偶表示法,(3) 向量表示法,38,2.2 模糊集合论基础,2.2.1 模糊集的概念,例4：集合F表示论域U中远大于0的数，论域U为5，10，20，50，100，分别用分别用三种方法表示模糊集合F。,模糊集合的表示方法,39,2.2 模糊集合论基础,2.2.1 模糊集的概念,例5：设论域U=张三，李四，王五，评语为“学习好”。设三个人学习成绩总评分是张三得95分，李四得90分，王五得85分。分别用三种方法表示模糊集合“学习好”。,若采用隶属度函数：,40,2.2 模糊集合论基础,2.2.1 模糊集的概念,例5：设论域U=张三，李四，王五，评语为“学习好”。设三个人学习成绩总评分是张三得95分，李四得90分，王五得85分。分别用三种方法表示模糊集合“学习好”。,(1)计算属于“学习好”这个模糊集合的隶属度函数： 张三：0.95 李四：0.9 王五：0.85,41,2.2 模糊集合论基础,2.2.1 模糊集的概念,例5：设论域U=张三，李四，王五，评语为“学习好”。设三个人学习成绩总评分是张三得95分，李四得90分，王五得85分。分别用三种方法表示模糊集合“学习好”。,(2) Zadeh表示法：,42,2.2 模糊集合论基础,2.2.1 模糊集的概念,例5：设论域U=张三，李四，王五，评语为“学习好”。设三个人学习成绩总评分是张三得95分，李四得90分，王五得85分。分别用三种方法表示模糊集合“学习好”。,(3)序偶表示法：,43,2.2 模糊集合论基础,2.2.1 模糊集的概念,例5：设论域U=张三，李四，王五，评语为“学习好”。设三个人学习成绩总评分是张三得95分，李四得90分，王五得85分。分别用三种方法表示模糊集合“学习好”。,(4)向量表示法：,44,2.2 模糊集合论基础,2.2.1 模糊集的概念,例5：设论域U=张三，李四，王五，评语为“学习好”。设三个人学习成绩总评分是张三得95分，李四得90分，王五得85分。分别用三种方法表示模糊集合“学习好”。,(5)思考： 如果评语是“学习不好”，那怎么表示这个模糊集合？,45,2.2 模糊集合论基础,2.2.2 模糊集合的运