專利名稱：模糊控制器的設(shè)計方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種如權(quán)利要求1前序部分所述的模糊控制器的設(shè)計方法。
模糊控制器的基礎(chǔ)理論例如已由漢斯-彼得·普羅伊斯(Hans-PeterPreuβ)的文章“模糊控制-借助模糊邏輯的試探式控制”，該文章發(fā)表在“atp”(1992)4，第176至183及“atp”(1992)5，第239至246頁中。那里所述的模糊控制器借助于模糊邏輯裝置應(yīng)用于調(diào)節(jié)、控制、過程優(yōu)化及試探式策略。在模糊控制中模糊控制器的輸入及輸出量的數(shù)值基本上是隨意的。為了設(shè)計一種模糊控制器，首先必須將輸入及輸出量的數(shù)字值范圍通過語言變量值如“小”，“中”或“大”進行質(zhì)的特征化。每個語言變量將通過一個隸屬函數(shù)來描述。這就以這樣的方式確定了語言變量值的數(shù)量表達，即它給出了一個過程量每次出現(xiàn)的數(shù)字值的一個邏輯值。通過該也被稱為模糊化的過程，被考察的過程被細分為“模糊”部分區(qū)域。部分區(qū)域的數(shù)目相當(dāng)于一個輸入量的語言變量值的數(shù)目，在多個輸入量的情況下相當(dāng)于各個輸入量的語言變量值的組合可能性的數(shù)目。對于每個該部分區(qū)域或綜合地對于多個部分區(qū)域，控制策略通過條件語句式的(如果-則)控制規(guī)則來確定。這些控制規(guī)則被寄存在一個控制規(guī)則基區(qū)(Regelbasis)中。在每個控制規(guī)則中，對于條件部分中輸入量的語言變量值的組合，例如通過用“與”或“或”運算符的關(guān)系連接對分別每個輸出量確定一個作為語言變量值的結(jié)果值。為了計算條件部分的邏輯值，將根據(jù)在控制規(guī)則中所使用的運算符來邏輯地連接由各個輸入量的隸屬函數(shù)求得的邏輯值。在被稱為推理，對單個控制規(guī)則的推理結(jié)論所進行的計算中，將例如在一個控制規(guī)則中由相應(yīng)語言變量表示的輸出量的隸屬函數(shù)限制在一個邏輯值上，條件部分將該邏輯值提供給控制規(guī)則。在所謂的組合前有關(guān)輸出量的控制功能彼此疊加，例如通過輸出量的所有隸屬函數(shù)的最大值的構(gòu)成來進行。最后進行稱為解模糊的輸出值計算，例如通過計算所有被限制的隸屬函數(shù)所包括的輸出量的值區(qū)域的重心位置來實現(xiàn)。
該文章所描述的設(shè)計方法，尤其是使用語言變量時的控制規(guī)則基區(qū)的表示，是以足夠的過程認(rèn)識或利用人工操作方式的操作者經(jīng)驗為前提的。即使該前提存在時，將操作者的經(jīng)驗轉(zhuǎn)換成簡單處理的模糊控制常常有困難。
本發(fā)明的目的在于，尋求一種模糊控制器的設(shè)計方法，它可以不受上述限制地使用，尤其是該方法中無需一定要將過程知識或操作者經(jīng)驗轉(zhuǎn)換成模糊控制，就能擬定控制基區(qū)。
本發(fā)明的目的是這樣實現(xiàn)的，即本文前言部分所述類型的方法將具有在權(quán)利要求1或3所述的特征。本發(fā)明的進一步優(yōu)選結(jié)構(gòu)將在從屬權(quán)利要求2和4至8中給出。根據(jù)本發(fā)明的新設(shè)計方法可得到一種如權(quán)利要求9所述的模糊控制器，它在控制電路中的作用類似于一個有經(jīng)驗的操作者。
本發(fā)明的設(shè)計方法的優(yōu)點在于無需使用經(jīng)驗知識可實現(xiàn)模糊控制的自動學(xué)習(xí)。如果需要時，該方法無需預(yù)先給定操作員便可應(yīng)用。僅是輸入及輸出量的學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)必須由用戶提供。該方法主要在一個模糊控制器要投入應(yīng)用時提供使用，盡管操作者經(jīng)驗不足或不明確。在此情況下根據(jù)學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)來設(shè)計模糊控制器的該方法是有利的。該方法可在一個通常的數(shù)據(jù)處理裝置上來實施。通過數(shù)集可由學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)分布自動地求得每個輸入或輸出量隸屬函數(shù)的數(shù)目及位置。這種分類本身是“不分明”，因此也可以在無足夠?qū)W習(xí)數(shù)據(jù)的區(qū)域中適當(dāng)?shù)夭逯?。并且也可以獲得一種自學(xué)型模糊控制器，這時模糊控制器擴展為實施本發(fā)明方法的一種裝置。
下面借助附圖所示實施例對本發(fā)明及其改進和優(yōu)點作進一步詳細說明，附圖中

圖1為具有兩個輸入及一個輸出的系統(tǒng)；圖2為用于輸出量y的一個語言變量K的寄存器值；圖3為用于輸出量y的一個語言變量G的寄存器值；圖4為以矩陣描述方式的一個模糊控制器的調(diào)節(jié)控制部件；圖5和6為根據(jù)一種最小值/最大值(MIN/MAX)方法的設(shè)計方法。
圖1中描繪了具有兩輸入量、即一個控制規(guī)則誤差e1及它的導(dǎo)數(shù)e2和一個輸出量y的功能框圖1。此外在圖框2，3及4中描繪了量e1，e2及y的隸屬函數(shù)。語言變量值各為K(小)及G(大)，對它們設(shè)定了圖框2，3及4中的隸屬函數(shù)。在圖框2，3及4的橫坐標(biāo)上記錄的值區(qū)域分別相當(dāng)于量e1，e2及y數(shù)值區(qū)域。在縱坐標(biāo)上設(shè)定了從0至1的邏輯值區(qū)域。為了設(shè)計一個模糊系統(tǒng)，首先通過圖中未示出的測量裝置記錄輸入量e1及e2以及輸出量y的信號曲線并作為離散值進行存儲。待求值的信號曲線可能起源于一個模擬控制電路或在操作員工作狀態(tài)下測量出的測量值。也可用此方式通過一個模糊控制器來模仿傳統(tǒng)控制器。
通過學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)的數(shù)集將所有的隸屬函數(shù)定位在學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)的聚積點上。同時每個輸入及輸出量的隸屬函數(shù)數(shù)目可作為數(shù)集的結(jié)果來得到。它的最大數(shù)目在需要的情況下可預(yù)給出。該數(shù)集是一維產(chǎn)生的，即每個輸入及輸出量與其余的無關(guān)。在多維數(shù)集的情況下可能出現(xiàn)分開的多維重心在第一輸入或輸出量上產(chǎn)生間隔的單維重心，而在第二輸入或輸出量上產(chǎn)生共同靠得太緊的單維重心。因此使必要的隸屬函數(shù)的數(shù)目不必要地增大了。通過單維數(shù)集可有利地避免該情況。此外相似的數(shù)集中心可以合并。為了聚集數(shù)可從兩個固定的邊緣數(shù)集及一個輸入或輸出量的數(shù)值區(qū)域上一個預(yù)定數(shù)目的獨立的但首先為等距離的數(shù)集中心出發(fā)。三角形隸屬函數(shù)將以這種方式定位，即三角形的頂角點位于數(shù)集中心上及底角點位于相鄰的數(shù)集中心內(nèi)。在一個迭代方法中，學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)依次地分配給相鄰位置上的數(shù)集中心并求得所有屬于該數(shù)集中心的已處理數(shù)據(jù)點的重心。這樣計算的重心在下次數(shù)據(jù)點處理時作為新數(shù)集中心。如上所述，隸屬函數(shù)通過得到的數(shù)集中心來確定。
接著對于由輸入量e1，e2及輸出量y的每個測量值組成的三維數(shù)值組，求得語言變量K和G的所述隸屬函數(shù)的邏輯值并確定出哪個占優(yōu)勢，即哪個語言變量具有比同一輸入或輸出量的其余語言變量更大的邏輯值。在圖1所示的實施例中，輸入量e1的語言變量G的邏輯值約為0.6，其語言變量K的邏輯值約為0.4。因此測量值位于語言變量G占優(yōu)勢的部分區(qū)域中。輸入量e2的語言變量G的邏輯值約為0.9，它同樣大于語言變量K的邏輯值0.1，所以它同樣位于語言變量G占優(yōu)勢的部分區(qū)域中。相反地，輸出量y的語言變量K的邏輯值為0.7，它大于語言變量G的邏輯值0.3，因此輸出量y的測量值位于語言變量K占優(yōu)勢的部分區(qū)域中。
為計算測量值對于輸入及輸出量的部分區(qū)域的每種組合可能性設(shè)置了一個存儲器的寄存器。在圖1所示實施例中對于八種組合設(shè)置了八個寄存器，相當(dāng)于圖2及圖3中的矩陣域。圖2中的矩陣域與輸出量y的語言變量K占優(yōu)勢的組合可能性相對應(yīng)。圖3表示語言變量G占優(yōu)勢的矩陣域。在一個求值階段，根據(jù)由圖1求得的邏輯值在圖2所示的輸出量y的語言變量K占優(yōu)勢的矩陣中將一個值提高到9.0的量值上，該值被寫入輸入量e1及e2的語言變量G占優(yōu)勢的矩陣域中。該值的最佳選擇為等于輸出量的語言變量K的邏輯值0.7。此外也可以由當(dāng)前邏輯值及瞬時寫入值構(gòu)成最大值，由此可作到與相同或相似值的數(shù)目無關(guān)。
在圖2及圖3的矩陣域中寫入的值表示已經(jīng)過一系列的對測量三維數(shù)組求值的結(jié)果。在一個合成過程得到圖4所示的控制規(guī)則部分的矩陣表達式，同時將輸出量y的某語言變量寫在矩陣域中，該變量在求值階段對圖2及圖3中所示的矩陣進行比較時具有最大值。例如在圖3中的矩陣域內(nèi)輸入量e1和e2以及輸出量y的語言變量G的值55.1大于與此對應(yīng)的(圖2中)矩陣域內(nèi)兩輸入量e1和e2的語言變量G及輸出量y的語言變量K的值9.0，因此在圖4中兩個輸入量e1及e2的語言變量G相應(yīng)的矩陣域內(nèi)應(yīng)寫入輸出量y的語言變量G。根據(jù)圖4控制規(guī)則部分的兩種控制規(guī)則可以寫成下列式子如果(e1＝K)則(y＝K)及如果(e1＝G)則(y＝G)。
在至此所述的設(shè)計方法中為了確定寄存器內(nèi)容僅要考慮在相應(yīng)測量三維數(shù)組中占優(yōu)勢的隸屬函數(shù)。借助圖5及圖6來描述根據(jù)MIN/MAX法的設(shè)計方法，其中考慮了相鄰的語言變量較小的邏輯值。這將提高模糊描述的?；焚|(zhì)。
圖5中的模糊控制器5具有兩個輸入量x1和x2以及一個輸出量y1。輸入量x1，x2及輸出量y1分別具有語言變量K(小)，M(中)及G(大)的三種隸屬函數(shù)。借助圖5來說明一個測量值三數(shù)組的寄存器寫入過程。在寄存器單元中僅在輸出量y1的測量值中具有最大邏輯值的輸出量語言變量。在該例中輸出量y1的語言變量G具有邏輯值0.6(圖5中右框圖)。根據(jù)“與”的邏輯連接將輸入量x1，x2及輸出量y1的邏輯值的最小值寫入到相應(yīng)的寄存器單元中。在所述的例中，輸入量x1的測量值為語言變量M提供邏輯值0.8，輸入量x2為語言變量K提供邏輯值0.9，輸出量y1為語言變量G提供邏輯值0.6。邏輯值的最小值為0.6，它被寫入在用于x1＝M，x2＝K及y1＝G的寄存器單元中(圖5中的右下方矩陣)。同樣對輸入量x1及x2，也考慮提供較小邏輯值的相鄰隸屬函數(shù)。因此在該寄存器中也寫入組合可能性x1＝G，x2＝K及y1＝G。這里，隸屬函數(shù)為輸入量x1的語言變量G提供值0.2作為最小邏輯值，它被寫入在相應(yīng)的寄存器中。在y1＝G的矩陣中，根據(jù)為其余兩個組合可能性提供最小邏輯值的輸入量x2的語言變量M的邏輯值0.1得到具有值0.1的兩個寫入值。以此方式，通過測量值三維數(shù)組的求值已獲得了四個寫入值。但是僅當(dāng)求得的各個邏輯值的最小值大于至此已寫入的值時才進行寫入。在圖5所示的例中每個寄存器都是這種情況，因為在測量三維數(shù)組處理前所有的寄存器都是空的。該最大值的構(gòu)成相當(dāng)于由最小值構(gòu)成獲得的邏輯值的“或”邏輯連接。
圖6表示作為所有測量值三維數(shù)組求值結(jié)果的輸出量y1的語言變量K，M及G的矩陣及其在寄存器的寫入內(nèi)容形成。對輸入量x1及x2的相應(yīng)組合可能性取得最大邏輯值的那些區(qū)域用圓圈作了標(biāo)記。為了形成在圖6中所表示的控制矩陣，對輸入量x1及x2的組合可能性直接賦予根據(jù)求值具有最大相關(guān)性的語言變量K、M或G。利用控制關(guān)系矩陣現(xiàn)在可設(shè)置基本控制規(guī)則。譬如一種基本控制規(guī)則為如果((x1＝K)且(x2＝K))則(y1＝G)。
輸入量x1及x2的三種組合可能性得到的基本控制規(guī)則在結(jié)果部分中具有語言變量G。這些基本控制規(guī)則可通過它們條件部分的“或”邏輯連接歸納成一種緊湊的用括號括起來的控制規(guī)則它表示為如果(x2＝K)則(y1＝G)。
由多個基本控制規(guī)則構(gòu)成該緊湊的控制規(guī)則其優(yōu)點在于，在相同數(shù)目的控制規(guī)則的情況下可處理更多數(shù)量的輸入量。因此在控制器具有相同的調(diào)節(jié)范圍的情況下可實現(xiàn)更大的模糊控制器。當(dāng)控制過程的控制規(guī)則數(shù)量仍超過一預(yù)定最大值時，可通過重新啟動學(xué)習(xí)過程以減少隸屬函數(shù)最大數(shù)目來保證所產(chǎn)生的控制規(guī)則不超過最大允許的范圍。
在該實施例中僅考慮占優(yōu)勢的輸出量y1的語言變量來用于所有量的組合可能性的最小邏輯值的求值及寫入。這意味著方法的簡化未帶來值得一提的質(zhì)量損失。但也完全有可能在該方法中同樣考慮作為輔助值情況下對輸出量y1提供較小邏輯值的相鄰語言變量。
在緊接著的試驗階段可將通過具有該控制器及在圖5中所示的隸屬函數(shù)的模糊控制器計算出的輸出量與測量出的輸出量相比較。如果在此情況下不能滿足預(yù)定的精確度要求，則存在這樣的可能性，即在重新開始的學(xué)習(xí)階段求得另外的測量值并用同樣的預(yù)定隸屬函數(shù)重復(fù)求值階段及合成處理，或也可通過預(yù)給定的變化，如對于輸入或輸出量的隸屬函數(shù)的數(shù)目或形式的變化來嘗試對模糊控制器進一步改善。在一個優(yōu)選的實施形式中僅對輸出量的隸屬函數(shù)重新優(yōu)化，并使偏移的平方和減至最小，作為數(shù)值優(yōu)化的目的函數(shù)。
權(quán)利要求
1.一種模糊控制器的設(shè)計方法，該模糊控制器包括-至少一個輸入及輸出量(e1，e2，y)，-一個模糊化裝置，用于求出輸入量(e1，e2)的語言變量(K，G)的邏輯值，-一個控制器，用于對于輸入量(e1，e2)的語言變量(K，G)的組合確定輸出量(y)的語言變量(K，G)作為結(jié)果，及-一個解模糊的裝置，用于根據(jù)輸出量(y)的語言變量(K，G)的邏輯值確定輸出量(y)的值，其特征在于-測量在一個學(xué)習(xí)階段中所出現(xiàn)的輸入及輸出量(e1，e2，y)的數(shù)值組合，-通過一個數(shù)集將語言變量(K，G)的隸屬函數(shù)定位在所測量的學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)的聚集點上，-在用于部分區(qū)域的求值階段中，該區(qū)域中個別語言變量(K，G)占優(yōu)勢，即其中一個語言變量(K，G)的邏輯值大于同一輸入或輸出量(e1，e2，y)的其余語言變量(G，K)的邏輯值，當(dāng)輸入及輸出量(e1，e2，r)的測量值組合落在某組合可能性的部分區(qū)域時，對每個輸出量(y)的語言變量(K，G)始終將一個為該部分區(qū)域內(nèi)的不同輸入量(e1，e2)的各種組合可能性設(shè)置的某存儲器內(nèi)寄存器的內(nèi)容增加1，及-在一個合成處理中，通過選擇具有最大寄存器內(nèi)容的那個輸出量(y)的語言變量(K，G)作為控制規(guī)則結(jié)果，確定條件部分含有各種組合可能性的控制器的基本控制規(guī)則。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于-將寄存器內(nèi)容的增大數(shù)值設(shè)為等于各輸出量(y)的占優(yōu)勢的語言變量(K，G)的邏輯值，或通過選擇最大值獲得該增大數(shù)值。
3.一種模糊控制器的設(shè)計方法，該模糊控制器包括-至少一個輸入及輸出量(x1，x2，y1)-一個模糊化裝置，用于對于輸入量(x1，x2)求得其語言變量(K，M，G)的邏輯值，-一個控制器，用于對于輸入量(x1，x2)的語言變量(K，M，G)的組合確定輸出量(y1)的語言變量(K，M，G)作為結(jié)果，及-一個解模糊的裝置，用于根據(jù)輸出量(y1)的語言變量(K，M，G)的邏輯值確定輸出量(y1)的值，其特征在于-測量在一個學(xué)習(xí)階段中所出現(xiàn)的輸入及輸出量(x1，x2，y1)的數(shù)值組合，-通過一個數(shù)集將語言變量(K，M，G)的隸屬函數(shù)定位在測量的學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)的聚集點上，-在部分區(qū)域的求值階段中，該區(qū)域中個別語言變量(K，M，G)占優(yōu)勢，即其中一個語言變量(K，M，G)的邏輯值大于同一輸入或輸出量(x1，x2，y1)的其余語言變量的邏輯值，對輸出量(y1)的每個占優(yōu)勢的語言變量(K，M，G)，當(dāng)輸出量(y1)的語言變量(K，M，G)的邏輯值的最小值大于目前已寫入某寄存器的值時，其是該寄存器與不同輸入量(x1，x2)的部分區(qū)域的各組合可能性對應(yīng)，將該邏輯值的最小值寫入該寄存器，及-在一個合成處理中，通過選擇具有最大寄存器內(nèi)容的那個輸出量(y1)的語言變量(K，M，G)作為控制規(guī)則的結(jié)果，確定條件部分含有各種組合可能性的控制器的基本控制規(guī)則。
4.如上述任一項權(quán)利要求所述的方法，其特征在于數(shù)集是一維地產(chǎn)生的。
5.如權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于-為了聚集數(shù)將從一個輸入量(e1，e2，x1，x2)或輸出量(y，y1)的數(shù)值區(qū)域上一個預(yù)定數(shù)目的獨立的但首先為等距離的數(shù)集中心和兩個固定的邊緣數(shù)集中心出發(fā)，-三角形的隸屬函數(shù)將這樣地定位，即三角形的頂角點位于數(shù)集中心上及底角點位于相鄰的數(shù)集中心內(nèi)，-在一個迭代方法中，學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)依次分配給相鄰位置上的數(shù)集中心并求得所有屬于該數(shù)集中心的已處理數(shù)據(jù)點的重心，及-將這樣計算出的重心在下次數(shù)據(jù)點處理時作為新數(shù)集中心使用。
6.如上述任一項權(quán)利要求所述的方法，其特征在于-在合成處理中得到的具有相同結(jié)果部分的基本控制規(guī)則通過它們條件部分的“或”邏輯連接歸納為一種緊湊的控制規(guī)則。
7.如上述任一項權(quán)利要求所述的方法，其特征在于-在一個試驗階段中，將通過模糊控制器計算的輸出量與測量出的輸出量(y)相比較，及-當(dāng)偏差值超過預(yù)定極限值，則通過改變語言變量(K，G)的數(shù)目或改變隸屬函數(shù)的形式進行重新優(yōu)化。
8.如權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于-僅使輸出量(y，y1)的隸屬函數(shù)重新優(yōu)化，及-使偏移值的平方和減至最小作為數(shù)值優(yōu)化的目標(biāo)函數(shù)。
9.一種模糊控制器，它包括用于實施如上述任一項權(quán)利要求所述的方法的裝置。
全文摘要
一種模糊控制器的設(shè)計方法，其中在一個學(xué)習(xí)階段中在一個模擬量控制電路中，或在操作者操作時記錄輸入和輸出量(e1，e2，y)的波形，通過一個數(shù)集將語言變量(K，M，G)的隸屬函數(shù)定位在測量的學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)的聚集點上，在一個求值階段中對于輸入及輸出量(e1，e2，y)的相應(yīng)測量值求出其語言變量(K，G)出現(xiàn)的組合，及在一個合成處理中確定產(chǎn)生該組合的控制器的控制規(guī)則。本發(fā)明應(yīng)用在過程自動化中。
文檔編號G06F7/60GK1163002SQ95196095
公開日1997年10月22日 申請日期1995年10月23日 優(yōu)先權(quán)日1995年10月23日
發(fā)明者漢斯-彼得·普羅伊斯 申請人:西門子公司