控制规则是模糊半主动控制器的核心,它的正确与否直接影响到控制器的性能,其数目的多寡也是衡量控制器性能的一个重要因素,下面对控制规则做进一步的探讨。
模糊控制规则的取得方式:
(1) 专家的经验和知识
模糊控制也称为控制系统中的专家系统,专家的经验和知识在其设计上有余力的线索。人类在日常生活常中判断事情,使用语言定性分析多于数值定量分析;而模糊控制规则提供了一个描述人类的行为及决策分析的自然架构;专家的知识通常可用if….then的型式来表述。
藉由询问经验丰富的专家,获得系统的知识,并将知识改为if….then的型式,如此便可构成模糊控制规则。除此之外,为了获得最佳的系统性能,常还需要多次使用试误法,以修正模糊控制规则。
(2) 操作员的操作模式
现在流行的专家系统,其想法只考虑知识的获得。专家可以巧妙地操作复杂的控制对象,但要将专家的诀窍加以逻辑化并不容易,这就需要在控制上考虑技巧的获得。许多工业系统无法以一般的控制理论做正确的控制,但是熟练的操作人员在没有数学模式下,却能够成功地控制这些系统:这启发我们记录操作员的操作模式,并将其整理为if….then的型式,可构成一组控制规则。
(3) 学习
为了改善模糊控制器的性能,必须让它有自我学习或自我组织的能力,使模糊控制器能够根据设定的目标,增加或修改模糊控制规则。
模糊控制规则的形式主要可分为二种:
(1) 状态评估模糊控制规则
状态评估(state evaluation)模糊控制规则类似人类的直觉思考,它被大多数的模糊控制器所使用,其型式如下:
Ri:if x1 is Ai1 and x2 is Ai2 …. and xn is Ain
then y is Ci
其中x1,x2,…….,xn及y为语言变量或称为模糊变量,代表系统的态变量和控制变量;Ai1,Ai2,….,Ain及Ci为语言值,代表论域中的模糊集合。该形式还有另一种表示法,是将后件部改为系统状态变量的函数,其形式如下:
Ri:if x1 is Ai1 and x2 is Ai2 …. and xn is Ain
then y=f1(x1,x2,…….,xn)
(2)目标评估模糊控制规则
目标评估(object evaluation)模糊控制规则能够评估控制目标,并且预测未来控制信号,其形式如下:
Ri:if(U is Ci→(x is A1 and y is B1))then U is Ci
实际应用模糊控制时,最初的问题是控制器的设计,即如何设计模糊控制法则。到目前为止模糊控制还没能像传统的控制理论一样,借由一套发展完整的理论推导来设计。下面简单介绍一下其设计概念:
图3.4所示为单输入和单输出的定值控制时间响应图,若使用状态评估模糊控制规则的形式,前件部变量为输出的误差E和在一个取样周期内E的变化量CE,后件部变量为控制器输出量U的变化量CU。则误差、误差变化量及控制输出变化量的表示为:
其中E表误差,R表设定值,Y表系统输出,U表控制输出,下标n表在时刻n时的状态。由此可知,误差变化量CE是随输出Y的斜率的符号变号,当输出上升时,CE<0, 下降时CE>0。
本文所设计的模糊控制器之输出输入关系为:
E,CE→CU
在一般控制的计算法上称为速度型,这是由于其输出为U对时间的微分,相当于速度的CU。在构造上也可采用以U为后件部变量的位置型,但前件部变量必需改用E的积分值。
由于由E与CE推论CU的构造中,CU与E的关系恰巧相当于积分关系U(t)=Ki∫E(t)dt,而CU与CE的关系相当于比例关系U(t)=KpE(t)的缘故,所以又称为Fuzzy PI控制。
设计模糊控制规则时,是在所设想对控制对象各阶段的反应,记述采取哪一种控制比较好;首先选择各阶段的特征点,记录在模糊控制规则的前件部,然后思考在该点采取的动作,记录在模糊控制规则的后件部。例如,在第一循环之a1点附近,误差为正且大,但误差变化量几乎是零,可以记为“E is PB and CE is ZO”在此点附近需要很大的控制输出,记为”CU is PB”;同样地,对于b1点、c1点、d1点等的附近,可分别得到如下的控制规则:
a1:If E is PB and CE is ZO then CU is PB
b1:If E is ZO and CE is NB then XU is NB
c1:If E is NB and CE is ZO then CU is NB
d1:If E is ZO and CE is PB then CU is PB
在第二循环之a2,b2等之附近,其E和CE的绝对值比a1,b1点中之值相对减少,所以其CU值相对地也较小,其控制规则如下:
a2:If E is PM and CE is ZO then CU is PM
b2:If E is ZO and CE is NM then CU is NM
表为依上述程序所构成的13条控制规则,其中纵列为E值,横列为CE值,表中所列之值为控制输出变化量CU值。由表可知规则数最多可为49条,此表只使用了其中13条控制规则,设计者可依实际需要自行加减规则之数量,如19条、31条等等,以改系统之响应。