智能控制(第1版)--第5章-自适应模糊控制课件

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1、第第5章章 自适应模糊控制自适应模糊控制 模糊控制的突出优点是能够比较容易地将模糊控制的突出优点是能够比较容易地将人的控制经验溶入到控制器中，但若缺乏这样人的控制经验溶入到控制器中，但若缺乏这样的控制经验，很难设计出高水平的模糊控制器。的控制经验，很难设计出高水平的模糊控制器。而且，由于模糊控制器采用了而且，由于模糊控制器采用了IF-THRNIF-THRN控制规控制规则，不便于控制参数的学习和调整，使得构造则，不便于控制参数的学习和调整，使得构造具有自适应的模糊控制器较困难。具有自适应的模糊控制器较困难。自适应模糊控制有两种不同的形式：自适应模糊控制有两种不同的形式：(1)(1)直接自适应模糊

2、控制直接自适应模糊控制:根据实际系统性能与根据实际系统性能与理想性能之间的偏差，通过一定的方法来直接调理想性能之间的偏差，通过一定的方法来直接调整控制器的参数；整控制器的参数；(2)(2)间接自适应模糊控制间接自适应模糊控制:通过在线辨识获得控通过在线辨识获得控制对象的模型，然后根据所得模型在线设计模糊制对象的模型，然后根据所得模型在线设计模糊控制器。控制器。5.1 模糊逼近模糊逼近5.1.1 模糊系统的设计模糊系统的设计 设二维模糊系统设二维模糊系统 为集合为集合上的一个函数，上的一个函数，其解析式形式未知。假设对任意一其解析式形式未知。假设对任意一 个个 ，都能得到，都能得到 ，则可设计一

3、个逼近的模糊系统。，则可设计一个逼近的模糊系统。模糊系统的设计步骤为：模糊系统的设计步骤为：步骤步骤1 1：在：在 上定义上定义 个标准的、一致个标准的、一致的和完备的模糊集的和完备的模糊集 )(xg 22211,RUUx)(xgii,2,1iNiiNiiiAAA,21 步骤步骤2 2：组建 条模糊集IF-THEN规则：21NNM ：如果 为 且 为 ，则 为21iiuR1x11iA2x22iAy21iiB 其中，2211,2,1,2,1NiNi 将模糊集 的中心（用 表示）选择为21iiB21iiy212121,iiiieegy（5.1）步骤步骤3 3：采用乘机推理机，单值模糊器和中心平均解

4、模糊器，根据 条规则来构造模糊系统 21NNM xf 112222112211112221N1iN1i2121N1iN1i)()()()()x(fxxxxyiAiAiAiAii（5.2）5.1.2 5.1.2 模糊系统的逼近精度模糊系统的逼近精度 万能逼近定理万能逼近定理 令 为式（5.2）中的二维模糊系统，为式（5.1）中的未知函数，如果 在 上是连续可微的，则 xf xg xg 2111,U2211hxghxgfg (5.3)模糊系统的逼近精度为：2,1max111ieehjijiNjii(5.4)式中，无穷维范数 定义为 。xdxdUx sup 由(5.4)式可知：假设 的模糊集的个数为

5、 ，其变化范围的长度为 ，则模糊系统的逼近精度满足ixiNiL1iiiNLh1iiihLN即：由该定理可得到以下结论：（1）形如式（5.2）的模糊系统是万能逼近器，对任意给定的 ，都可将 和 选得足够小，使 成立，从而保证 。（2）通过对每个 定义更多的模糊集可以得到更为准确的逼近器，即规则越多，所产生的模糊系统越有效。（3）为了设计具有预定精度的模糊系统，必须知道 关于 和 的导数边界，即 和 。同时，在设计过程中，还必须知道 在 处的值。01h2h2211hxghxg fgxfxgUxsupix xg1x2x1xg2xg xg),(2121iieex 2211,2,1,2,1NiNi5.1

6、.3 5.1.3 仿真实例仿真实例 实例实例1 1 针对一维函数 ，设计一个模糊系统 ，使之一致的逼近定义在 上的连续函数 ，所需精度为 ，即 。xg xf3,3U xxgsin2.0 xfxgUxsup 由 于 ，由 式（5.3）可知，故取 满足精度要求。取 ，则模糊集的个数为 。在 上定义31个具有三角形隶属函数的模糊集 ，如图5-1所示。所设计的模糊系统为：1cosxxghhxgfg2.0h2.0h311hLN3,3UjA 311311sinjjAjjAjxxexf-3-2-1012300.20.40.60.81xMembership function 图5-1 隶属函数 一维函数逼近仿

7、真程序见chap5_1.m。逼近效果如图5-2和5-3所示：-3-2-10123-1-0.500.51xApproaching 图5-2 模糊逼近-3-2-10123-505x 10-3xApproaching error 图5-3 逼近误差 实例实例2 2 针对二维函数 ，设计一个模糊系统 ，使之一致的逼近定义在 上的连续函数 所需精度为 。xg xf 1,11,1U 212106.028.01.052.0 xxxxxg1.0由于 ，由式（5.3）可知，取 ，时，有满足精度要求。由于 ，此时模糊集的个数为 即 和 分别在 上定义11个具有三角形隶属函数的模糊集 。16.006.01.0sup

8、21xxgUx34.006.028.0sup12xxgUx2.01h2.02h1.02.034.02.016.0 fg2L111hLN1x2x1,1UjA所设计的模糊系统为：(5.6)该模糊系统由 条规则来逼近函数 11111121111111211221122121,iiiAiAiiiAiAiixxxxeegxf1211111 xg 二维函数逼近仿真程序见chap5_2.m。和 的隶属函数及 的逼近效果如图5-4至5-7所示 1x2x xg-1-0.8-0.6-0.4-0.200.20.40.60.8100.20.40.60.81x1Membership function图5-4 的隶属函数

9、1x-1-0.8-0.6-0.4-0.200.20.40.60.8100.20.40.60.81x2Membership function 图5-5 的隶属函数 2x 图5-6 模糊逼近 图5-7 逼近误差5.2 5.2 间接自适应模糊控制间接自适应模糊控制5.2.1 5.2.1 问题描述问题描述 考虑如下 阶非线性系统：(5.7)其中 和 为未知非线性函数，和 分别为系统的输入和输出。设位置指令为 ，令 (5.8)n uxxxgxxxfxnnn11,fgnRu nRymyxyyyemmTneee1,e选择 ，使多项式 的所有根部都在复平面左半开平面上。取控制律为 (5.9)将(5.9)代入(

10、5.7)，得到闭环控制系统的方程：(5.10)由 的选取，可得 时 ，即系统的输出 渐进地收敛于理想输出 。Tnkk1,knnnksks11 exxTnmyfgu)()(10)1(1)(ekekennnt0)(teymy 如果非线性函数 和 是已知的，则可以选择控制 来消除其非线性的性质，然后再根据线性控制理论设计控制器。)(xf)(xgu5.2.2 5.2.2 控制器的设计控制器的设计 如果 和 未知，控制律（5.9）很难实现。可采用模糊系统 和 代替 和 ，实现自适应模糊控制。xf xg xf xg xf xg1.1.基本的模糊系统基本的模糊系统以 来逼近 为例，可用两步构造模糊系统：步骤

11、1：对变量 ()，定义 个模糊集合 ()。步骤2：采用以下 条模糊规则来构造模糊系统：IF is is THEN is (5.11)其中 ，。xfixni,2,1ipiliAiipl,2,1niip1fxf:jR1x11lAandand nxnlA1fnllE1iipl,2,1ni,2,1 采用乘积推理机、单值模糊器和中心平均解模糊器，则模糊系统的输出为 (5.12)其中 为 的隶属函数。11111111111|plplniiAplplniiAllffnnilinnilinxxyxf iAxjiix 令令 是自由参数，放在集合是自由参数，放在集合 中。引入向中。引入向量量 ，(5.12)(5.

12、12)式变为式变为 (5.13)(5.13)其中其中 为为 维向量，其第维向量，其第 个元素为个元素为 (5.14)(5.14)nllfy1niipfR1 x xfTff|x xniip1nll,1 1111111plplniiAniiAllnniliilinxxx2.2.自适应模糊滑模控制器的设计自适应模糊滑模控制器的设计 采用模糊系统逼近 和 ，则控制律（5.9）变为 (5.15),(5.16)其中 为模糊向量，参数 和 根据自适应律而变化。fg exxTnmfgyfgu1 xxTfff|xxTggg|xTfTg 设计自适应律为：(5.17)(5.18)自适应模糊控制系统如图5-8所示。x

13、PbeTf1 uTgxPbe2图5-8 自适应模糊控制系统3.3.稳定性分析稳定性分析由式（5.15）代入式（5.7）可得如下模糊控制系统的闭环动态 （5.19）令：,（5.20）uggffgfTn)()()(xxxxee11100000000100000010kkknn1000b则动态方程（5.19）可写为向量形式：(5.21)设最优参数为 (5.22)(5.23)其中 和 分别为 和 的 集合。uggffgf)()()()(xxxxbee nffRxffffxx|supminarg*nggRxggggxx|supminarg*fgfg定义最小逼近误差为 (5.24)式（5.21）可写为：（

14、5.25）将式（5.16）代入式(5.25),可得闭环动态方程：（5.26）该方程清晰地描述了跟踪误差和控制参数 、之间的关系。自适应律的任务是为 、确定一个调节机理，使得跟踪误差 和参数误差 、达到最小。uggffgfxxxx*|uggffggffxxxxbeeuTggTff)()(xxbee fgeffggfg定义Lyapunov函数 (5.27)式中 ，是正常数，为一个正定矩阵且满足Lyapunov方程 （5.28）其中 是一个任意的 正定矩阵，由式（5.20）给出。ggTggffTffTV21212121Pee12PQPPTQnn取 ，。令 ，则（5.26）式变为：PeeTV211 f

15、fTffV1221 ggTggV2321uxxbMTggTff)()(M ee MMMMMMMVTTTTTTTTTTTTTTTPeQeePePeQeePePeePPeePePeeePePee212121212121212121211即 的导数为：（5.29）uxxVTTggTTffTTPbePbePbeQee*121fTffV121gTggV*231V uVVVVTgTggTfTffTTxPbexPbePbeQee2*2113211)(121将 将自适应律（5.17）和（5.18）代入上式，得：（5.30）由于 ，通过选取最小逼近误差 非常小的模糊系统，可实现 。PbeQeeTTV21021Q

16、eeT0V5.2.3 5.2.3 仿真实例仿真实例 被控对象取单级倒立摆，如图5-5所示，其动态方程如下：ummxmlmmxmmxmlmmxxmlxxgxxxcccc/cos3/4/cos/cos3/4/sincossin1211211221221其中 和 分别为摆角和摆速，为小车质量，为摆杆质量，为摆长的一半，为控制输入。1x2x2/8.9smg kgmc1mkgm1.0lml5.0u位置指令为 。取以下5种隶属函数：则用于逼近 和 的模糊规则分别有25条。ttxdsin1.0 224/6/expiiNMxx 224/12/expiiNSxx224/expiiZxx 224/12/expii

17、PSxx 224/6/expiiPMxxfg图5-5 单级倒立摆系统示意图 根据隶属函数设计程序，可得到隶属函数图，如图5-6所示。-0.8-0.6-0.4-0.200.20.40.600.20.40.60.81xMembership function degree图图5-6 的隶属函数的隶属函数 ix 倒立摆初始状态为 ，和 的初始值取0.10，采用控制律（5.9），取 自适应参数取 ，。在程序中，分别用 、和表示模糊系统 的分子、分母及 ，仿真结果如图5-7至图5-10所示。0,60/fg100010Q21k12k501122FS1FSFS x x012345678910-0.2-0.15

18、-0.1-0.0500.050.10.15time(s)Position tracking图5-7 位置跟踪012345678910-4-202468time(s)Control input图5-8 控制输入信号012345678910-2-10123time(s)fx and estiamted fx图图5-9 及及 的变化的变化 txf,txf,01234567891000.511.5time(s)gx and estimated gx图图5-10 及及 的变化的变化 txg,txg,间接模糊自适应控制仿真程序有5个：（1）隶属函数设计程序：chap5_3mf.m；(2)Simulink主

19、程序：chap5_3sim.mdl；(3)控制器S函数：chap5_3s.m；(4)被控对象S函数：chap5_3plant.m；(5)作图程序：chap5_3plot.m。见附录。5.3 5.3 直接自适应模糊控制直接自适应模糊控制 直接模糊自适应控制和间接自适应模糊控制所采用的规则形式不同。间接自适应模糊控制利用的是被控对象的知识，而直接模糊自适应控制采用的是控制知识。5.3.1 5.3.1 问题描述问题描述考虑如下方程所描述的研究对象 （5.31）（5.32）式中，为未知函数，为未知的正常数。buxxxfxnn)1()(,xy fb 直接自适应模糊控制采用下面IF-THEN模糊规则来描述

20、控制知识：如果 是 且且 是 ，则 是 （5.33）式中，为 中模糊集合，且 。设位置指令为 ，令 (5.34)1xrP1nxrnPurQriPrQRuLr,2,1myxyyyemmTneee1,e选择 ，使多项式 的所有根部都在复平面左半开平面上。取控制律为 (5.35)将(5.35)代入(5.31)，得到闭环控制系统的方程：(5.36)由 的选取，可得 时 ，即系统的输出 渐进地收敛于理想输出 。Tnkk1,knnnksks11 exTnmyfbu)(10)1(1)(ekekennnt0)(teymy 直接型模糊自适应控制是基于模糊系统设计一个反馈控制器 和一个调整参数向量 的自适应律，使

21、得系统输出 尽可能地跟踪理想输出 。)(xuu ymy5.3.2 5.3.2 控制器的设计控制器的设计 直接自适应模糊控制器为 （5.37）式中，是一个模糊系统，是可调参数集合。xDuu Du模糊系统 可由以下两步来构造：步骤1：对变量 ，定义 个模糊集合 ()步骤2：用以下 条模糊规则来构造模糊系统 :如果 是 且且 是 ，则 是 （5.38）其中，,。Du),2,1(nixiimiliAiiml,2,1niim1xuD1x11lAnxnlnADunll 1Siml,2,11ni,2,1 采用乘积推理机、单值模糊器和中心平均解模糊器来设计模糊控制器，即 （5.39）令 是自由参数，放在集合

22、中，则模糊控制器为：(5.40)其中 为 维向量。nniinniinmlniilAmlmlniilAllumlDxxyu111111)()(11111xnlluy1niimR1)(xxTDu xniim1其第其第 个元素为个元素为 (5.41)(5.41)模糊控制规则（模糊控制规则（5.335.33）是通过设置其初始参数而）是通过设置其初始参数而被嵌入到模糊控制器中的。被嵌入到模糊控制器中的。nll,1 1111111mlmlniiAniiAllnniliilinxxx5.3.3 5.3.3 自适应律的设计自适应律的设计 将式（5.35）、（5.37）代入式（5.31），并整理得：（5.42）

23、xeDTnuube)(11100000000100000010kkknnb000b令（5.43）则闭环系统动态方程（5.42）可写成向量形式：（5.44）xbeeDuu uuDRxRnniimxsupminarg1（5.45）定义最优参数为:定义最小逼近误差为：（5.46）由式（5.44）可得：（5.47）由式（5.40），可将误差方程（5.47）改写为：（5.48）uuDx*|uuuuDDDxbxxbee bxbee)(T定义Lyapunov函数：（5.49）其中参数 是正的常数。为一个正定矩阵且满足Lyapunov方程 （5.50）其中 是一个任意的 正定矩阵，由式（5.43）给出。TTb

24、V221PeePQPPTQnn令则（5.48）式变为：PeeTV211*22TbVbxb)(TMM ee MMMMMMMVTTTTTTTTTTTTTTTPeQeePePeQeePePeePPeePePeeePePee212121212121212121211取 即 的导数为：（5.51）)(211xPbeQeeTTTVTbV*2VTTTTbxPbeQeV)(21e令 为 的最后一列，由 可知则式（5.51）变为：（5.52）取自适应律 （5.53）则 （5.54）npPTb,0,0bbePbenTTpbbVnTnTTTpexpeQee)(21)(xpenTbVnTTpeQee21 由于 ，是最

25、小逼近误差，通过设计足够多规则的模糊系统 ，可使 充分小，并满足 ，从而使得 。0QxDuQepeTnTb210V直接型自适应模糊控制系统的结构如图5-15所示。图5-15 直接型自适应模糊控制系统 5.3.4 5.3.4 仿真实例仿真实例 被控对象为一二阶系统：uxx13325 ttxdsin位置指令为 。25exp1/13xxN 225.1expxxN 215.0expxxN 215.0expxxP 225.1expxxP 25exp1/13xxP取以下6种隶属函数：系统摆初始状态为 ，的初始值取0，采用控制律（5.39），取 ,自适应参数取 。根据隶属函数设计程序，可得到隶属函数图，如图

26、5-16所示。在控制系统仿真程序中，分别用 、和 表示模糊系统 的分子、分母及 ，仿真结果如图5-17和图5-18所示。0,1500050Q11k102k502FS1FSFS x x-3-2-1012300.20.40.60.81xMembership function degree图图5-12 的隶属函数的隶属函数 x012345678910-1.5-1-0.500.511.5time(s)Position tracking图图5-13 位置跟踪位置跟踪 012345678910-1-0.8-0.6-0.4-0.200.20.4time(s)Position tracking error图图5-14 控制输入信号控制输入信号 直接自适应模糊控制程序有直接自适应模糊控制程序有5个：个：（1）隶属函数设计程序）隶属函数设计程序chap5_4mf.m；(2)Simulink主程序主程序chap5_4sim.mdl；(3)控制器控制器S函数程序函数程序chap5_4s.m；(4)被控对象被控对象S函数程序函数程序chap5_4plant.m；(5)作图程序：作图程序：chap5_4plot.m。