在線推理式模糊控制器設計實驗指導書一、實驗目的利用Matlab軟件實現模糊控制系統仿真實驗，了解模糊控制的在線推理方法的基本原理及實現過程。二、實驗要求以matlab模糊工具箱中提供的一個水位模糊控制系統仿真的實例，定義語言變量的語言值，設置隸屬度函數，根據提供的規則建立模糊邏輯控制器。最后啟動仿真，觀察水位變化曲線。三、實驗內容1、模糊推理的五個步驟輸入變量的模糊化fuzzyinputs這是模糊推理的第一步，是獲取輸入變量，并確定它們的隸屬函數，從而確定屬于每個模糊集合的隸屬度。2)應用模糊算子ApplyFuzzyOperator完成了輸入模糊化，就知道了對于每個模糊規則，前提中每一個部分被滿足的程度。如果一個給定規則的前提有多個部分，則要應用模糊算子來獲得一個數值，這個數值表示前提對于該規則的滿足程度。模糊算子有模糊交（AND）和模糊或（OR）算子。3)應用推理方法ApplyImplicationMethod推理的類型有mamdani和sugeno推理。Mamdani推理法是一種在模糊控制中普遍使用的方法，它本質上仍然是一種合成推理方法，只不過對模糊蘊涵關系取不同的形式而已。Mamdani型推理，從每個規則的結果中得到的模糊集通過聚類運算后得到結果模糊集，被反模糊化后得到系統輸出。Sugeon型推理：其中每個規則的結果是輸入的線性組合，而輸出是結果的加權線性組合。4)輸出的聚類AggregateAllOutputs由于決策是在對模糊推理系統中所有規則進行綜合考慮的基礎上做出的，因此必須以某種方式將規則結合起來以做出決策。聚類就是這樣一個過程，它將表示每個規則輸出的模糊集結合成一個單獨的模糊集。聚類方法有max，probor（概率乘），sum。其中，sum執行的是各規則輸出集的簡單相加。5)解模糊化Defuzzify解模糊化過程也叫反模糊化過程，它的輸入是一個模糊集，既上一步的聚類輸出模糊集，其輸出為一個單值。模糊集的聚類中包含很多輸出值，因此必須進行反模糊化，以從集合中解析出一個單輸出值。2、模糊邏輯工具箱的介紹模糊邏輯工具箱提供的圖形用戶界面（GUI）工具有五個：模糊推理系統（FIS）編輯器；隸屬函數編輯器；模糊規則編輯器；模糊規則觀察器；輸出曲面觀察器。1）FIS編輯器：Matlab的FIS界面如圖3所示。在matlab的launchpad窗口中，用鼠標雙擊模糊邏輯系統工具箱（fuzzylogictoolbox）中的FISEditorviewer項，打開模糊推理系統編輯器（FISEditor），或者直接在matlab命令窗口中輸入指令：fuzzy。FIS處理系統有多少個輸入變量，輸出變量，名稱是什么，模糊算子“與”(min，prod乘積，custom自定義)，“或”(max大，probor概率統計方法，custom)，推理方法（min，prod，custom），聚類方法（max，probor，sum，custom），解模糊的方法（centroid質心法，bisector中位線法，middleofmaximum，largestofmaximum，smallestofmaximum）。圖1模糊推理系統（FIS）界面2)隸屬函數編輯器： 確定各個變量的論域和顯示范圍（左下角編輯區內），如圖4所示。打開方式：FISEditor/edit/membershipeditorfunction。定義每個變量的模糊集的名稱（如負大、負中、負小、零、正小、正中、正大）和個數（Edit菜單中AddMFs），以及每個模糊變量的隸屬函數類型和參數（點擊變量的隸屬函數曲線后在右下角編輯區內修改）。隸屬函數的類型有：trimf，trapmf，gbellmf，gaussmf，gauss2mf，sigmf，dsigmf，psigmf，pimf，smf，zmf圖2隸屬函數編輯器3)模糊規則編輯器： 完成了對變量的命名，隸屬函數也有了適當的形狀和名字，就可以編輯模糊規則。選擇連接關系（and或者or），權重，在編輯器左邊選擇一個輸入變量，并選擇它的語言值，然后在編輯器右邊的輸出變量中選擇一個輸出變量，并選中它的語言值，然后將這種聯系添加到模糊規則中。Options/Format下可以選擇模糊規則不同的格式，默認的是verbose（模糊規則的詳細格式），還有symbolic（符號格式），indexed（高度壓縮格式）圖3模糊規則編輯器4)模糊規則觀察器 模糊規則觀察器的功能是可以令用戶觀察模糊推理圖，并觀察模糊推理系統的行為是否與預期的一樣。可以觀察到輸入變量（默認色是黃色）和輸出變量（默認色是藍色）如何應用在模糊規則中；反模糊化的數值是多少。輸出曲面觀測器模糊規則觀察器非常詳細的顯示了在某一個時刻的計算。如果看到模糊推理系統的全部輸出曲面，即與整個輸入區間相對應的輸出區間，就要打開輸出曲面觀測器。View/viewsurface…3、在線推理模糊控制器的設計步驟：確定模糊規則：if（水位正好）then(閥門大小不變)②if（水位低）then(閥門迅速打開)③if（水位高）then(閥門迅速關閉)④if（水位正好且變化率為正）then(閥門緩慢關閉)⑤if（水位正好且變化率為負）then(閥門緩慢打開)1）在matlab命令窗口輸入：sltank，便可打開模型窗口如圖4。圖4水位控制系統的simulink仿真模型圖2）在matlab的命令窗口中，輸入指令：fuzzy，便打開了模糊推理系統編輯器（FISEditor）。（圖1）3）利用FISEditor編輯器的Edit/Addvariable/input菜單，添加一條輸入語言變量，并將兩個輸入語言和一個輸出語言變量的名稱分別定義為：level；rate；valve。其中，level代表水位（三個語言值：低，高，正好），rate代表變化率（三個語言值：正，不變，負），valve代表閥門（五個語言變量：不變，迅速打開，迅速關閉，緩慢打開，緩慢關閉）。4）利用FISEditor編輯器的Edit/membershipfunction菜單，打開隸屬度函數編輯器，將輸入語言變量level的取值范圍（range）和顯示范圍（displayrange）設置為[-1，1]，隸屬度函數類型（type）設置為高斯型函數（gaussmf），而所包含的三條曲線的名稱（name）和參數（parameters）（[寬度中心點]）分別設置為：high,[0.3-1];okay[0.30];low[0.31]。其中high、okay、low分別代表水位高、正好、低。將輸入語言變量rate的取值范圍（range）和顯示范圍（displayrange）設置為[-0.1，0.1]，隸屬度函數類型（type）設置為高斯型函數（gaussmf），而所包含的三條曲線的名稱（name）和參數（parameters）（[寬度中心點]）分別設置為：negative,[0.03-0.1];none[0.030];positive[0.030.1]。其中negativ、none、positive分別代表水位變化率為負、不變、正。將輸出語言變量valve的取值范圍（range）和顯示范圍（displayrange）設置為[-1，1]，隸屬度函數類型（type）設置為三角型函數（trimf），而所包含的五條曲線的名稱（name）和參數（parameters）（[abc]）分別設置為：close_fast,[-1-0.9-0.8];close_slow,[-0.6-0.5-0.4];none_change,[-0.100.1];open_slow,[0.20.30.4];open_fast,[0.80.91]。其中close_fast閥門迅速關閉,close_slow閥門緩慢關閉,none_change,open_slow閥門緩慢打開,open_fast閥門迅速打開。參數a,b,c指定三角形的形狀，第二位值代表函數的中心，第一、三位值決定了函數曲線的起始和終止點。圖5隸屬度函數編輯器5）利用編輯器的edit/rules菜單，打開模糊規則編輯器（ruleseditor），根據題給規則分別設置五條模糊規則。如下圖圖6模糊規則編輯器6）利用編輯器的FISEditor/file/exporttoworkspace,將按照步驟2-5建立的模糊推理系統，命名為tank保存到工作空間中。7）在圖7所示的simul