基于模糊推理的智能控制
1) 模糊集合与模糊推理
2)模糊推理系统
3)模糊建模与辨识
4)模糊控制系统
5)模糊控制系统的稳定性
0,模糊概念
天气冷热 雨的大小 风的强弱
人的胖瘦 年龄大小 个子高低
常用术语
1)模糊集合和模糊推理
① 模糊集合和隶属函数
精确集合 (非此即彼),A={X|X>6}
精确集合的隶属函数:
A 0
A 1
?
?
?
?
??
X
X
A 如果
如果?
模糊集合:
如果 是对象 x的集合,则 的模糊集合,X X A
}|))(,{( XxxxA A ?? ?
) )( MFAxA 的隶属函数(简写为称为模糊集合?
论域的二种形式:
1)离散形式 ( 有序或无序):
举例,X={上海 北京 天津 西安 }为城市的集合。
模糊集合 C =,对城市的爱好”可以表示为:
C = {(上海,0.8),(北京,0.9),(天津,0.7),(西安,0.6)}
隶属函数的性质:
a) 定义为有序对;
b) 隶属函数在 0和 1之间;
c) 其值的确定具有主观性和个人的偏好。
X 称为论域或域
又,X = {0 1 2 3 4 5 6}为一个家庭可拥有自行车数目的集合
模糊集合 C =,合适的可拥有的自行车数目”
C = {(0,0.1),(1,0.3),(2,0.7),(3,1.0),(4,0.7),(5,0.3),(6,0.1)}
6?X
6?X6?X
1?A?0?A?
1 13
1] 0[)( ?xA?
精确集合
模糊集合
1)( ?xA?
1 13
6
2) 连续形式,
令 X = R+ 为人类年龄的集合,
模糊集合 B =,年龄在 50岁左右”则表示为,
4)
10
50
(1
1
)(
}|)(,{
?
?
?
??
x
x
XxxxB
B
B
?
?
式中:
图示,
模糊集合的公式表示
?
?
?
?
?
?
?
? ?
X
iA
Xx iiA
Xxx
Xxx
A
i
轴)为连续空间(通常为实
为离散对象集合
/)(
/)(
?
?
注意, ? ? 和 并非求和和积分符号,
上述三个例子分别可写为
C = 0.8 /上海 +0.9 /北京 +0.7 /天津 +0.6 /西安
C = 0.1/0+0.3/1+0.7/2+1.0/4+0.3/5+0.1/6
x
x
B
R
/
)
10
50(1
1
4
?
? ??
?
/ 不是除法运算
② 支集
支集

交叉点
??
}0)(|{)( ?? xxA A?支集
截集?
③ 核
}1)(|{)( ?? xxA A?核
④ ? 截集 } )(|{ ??? ?? xxA
A)截集(
⑤ 交叉点
}5.0)(|{ ?? xxA A?)交叉点(
⑥ 模糊单点 的单点支集 1)( ?x
A?
年龄




1.0
0.5
45 90
⑦ 凸性
满足:,,和任何
当仅当任何一个模糊集合是凸的,
]1 0 [
,21
?
?
?
Xxx
)}(),(m i n{))1(( 22121 xxxx AA ????? ???
普通函数凸的定义,
)()1()()1(( 2121 xfxfxxf ???? ????? )
它的定义比模糊凸的定义严格
不符合凸
函数条件
1x
2x
⑧ 语言变量
5元组为特征
?
?
?
?
?
?
?
?
?
规则与各值含义有关的语法
值名称的句法规则产生
论域
术语的集合
变量的名称
)(
,
,
,
,)(
,
,,),(,
M
xG
X
xxT
x
MGXxTx
模糊集合的运算和隶属函数的参数化
包含或子集:
并(析取)
交(合取)
补(负)
)()( xxBA BA ?? ???
)()())(),(m ax ( xxxx
BAC
BABAC ????? ???
??
BABAC xx
BAC
????? ???
??
))(),(m i n (
)(1)(
,
xx
AAA
AA ?? ??
? 或非
隶属函数参数化
三角形隶属函数
梯形隶属函数
高斯形隶属函数
一般钟形隶属函数
?
?
?
?
?
?
?
?
??
??
?
?
?
?
?
?
xc
cxb
bxa
ax
cbaxt r i g
bc
xc
ab
ax
0
0
),,;(
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
??
??
??
?
?
?
?
?
?
xd
dxc
cxb
bxa
ax
dcbaxT r a p
cd
xd
ab
ax
0
1
0
),,,,(
的宽度。决定的中心;代表 MFMFc
ecxg
cx
),;(
2)(
2
1
?
? ?
??
?
b
a
cx
cbaxb e l l 2
1
1),,;(
??
?
Trig(x;20,60,80) Trap(x;10,20,60,90)
g(x;50,20) bell(x:20,4,50)
cc-a c+a
斜率 =-b/2a
隶属函数的参数化:
以钟形函数为例,
b
a
cx
cbaxb e l l 2
1
1),,;(
??
?
a,b,c,的几何意义如图所示。
改变 a,b,c,即可改变隶属函数的形状。
二维模糊隶属函数
1)一维模糊集合的圆柱扩展
? ?? YX A yxxAC ),/()()( ?
中的圆柱扩展:在论域中的模糊集合 YXAX ?,
2)模糊集合的投影
的投影:和在中二维模糊集合在 YXRYX ?
xyxR
X RyX
/]),(m a x[?? ?
?? Y RxY yyxR /]),(m ax[ ?
二维的隶属函数可以进行 max(OR) 和 min(AND)运算:
梯形 Trap(x,-6,-2,2,6)和 Trap(y,-6,-2,2,6)的 min和 max运算
钟形 bell(x,4,3,0)和 bell(y,4,3,0)的 min和 max运算 22
更一般化的二个模糊集合的运算
1)三角范式运算:
二个模糊集合 A和 B的“交”用函数
来确定。 ]1,0[]1,0[]1,0[,??T
)(~)())(),(()( xxxxTx BABABA ????? ????
4个最常用的 T范式算子:
1,0
1a
1
),(
}1,0m a x {),(
),(
),m i n (),(
m i n
?
?
?
?
?
?
?
?
???
?????
???
???
ba
b
ba
babaT
bababaT
abbabaT
bababaT
dp
bp
ap



强积:
有界积:
代数积:
交(极小):
?
20
2)协三角运算 S—范式
1,0
0a
0
),(
},1m i n {),(
?),(
),m ax (),(
m ax
?
?
?
?
?
?
?
?
???
????
????
???
ba
b
ba
babaS
bababaS
ababbabaS
bababaS
ds
bs
as



强和:
有界和:
代数和:
并(极大):
?
二个模糊集合 A和 B的“并”用函数
来确定。 ]1,0[]1,0[]1,0[,??S
)(~)())(),(()( xxxxSx BABABA ????? ????
4个最常用的 S范式算子:
模糊与概率的差别:
C A
91.0)( ?CL? 91.0][ ?? LAP r
}{ 可饮液体的集合?L
口极渴的人饮用哪杯液体?
C A
啤酒 盐酸
91.0)( ?CL? 0][ ?? LAPr
1)模糊隶属函数表示物体(对象)对不精确定义性质
的相似程度。
2)概率把信息转变为事件发生或出现的频度。
模糊关系与复合运算
精确关系 模糊关系




表示二个或二个以上集合
元素之间关联、交互、互
连是否存在。
表示二个或二个以上集合
元素之间关联、交互、互
连是否 存在或不存在的程度 。
是二个精确的集合。,
},|),{(),(
VU
YyXxyxVUR ???
是二个论域。,
}),(|)),(,,{(),(
VU
VUyxyxyxVUR R ??? ?
??
? ???
其它。
当只当(
0
)(),1 VURyx
R? ]1,0[),( ?yxR?
举例
???
?
???
?
011
000
321 yyy
2
1
x
x
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
8.07.00.19.0
008.00
7.01.00.18.0
4321 yyyy
3
2
1
x
x
x
同一空间模糊关系复合运算:
取极小运算
(三角范式运算)
),(),(),( yxyxyx SRSR ??? ???
取极大运算
协三角范式运算)
( ),(),(),( yxyxyx SRSR ??? ???

举例
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
8.07.019.0
008.00
7.01.018.0
),( yxM?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
5.08.003.0
7.05.04.09.0
6.09.004.0
),( yxL?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
??
5.07.003.0
004.00
6.01.004.0
),( yxLM?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
??
8.08.019.0
7.05.08.09.0
7.09.018.0
),( yxLM?
非同一空间模糊关系复合运算:
精确关系 模糊关系
不同乘积空间,但有一个公
共集合的二个关系复合定义为:
,),(,),(
,
),(
),(),(),(
为复合算子
使当仅当至少有一个
的子集,是
?
?
QwyPyx
Vy
RwxWUR
WVQVUPWUR
??
?
??
?
) ) },(),([(m a x),,{(),(
-m a x )2
) ) },(),,([ m i n (m a x),,{(),(
m i nm a x 1
wyyxwxwx
wyyxwxwx
QP
y
QP
QP
y
QP
???
???
??
?
?
?
?
乘积复合运算
复合运算)
常用的复合运算:
不同乘积空间,但有一个公
共集合的二个模糊关系 R(U,V)
和 S(V,Z)定义为:
SRP ??
) ) },(),([(s u p),,{(),(
-m ax )2
) ) },(),,([ m i n (s u p),,{(),(
m i nm ax 1
zyyxwxzx
zyyxzxzx
SP
Vy
SP
SP
Vy
SP
???
???
??
?
?
?
?
?
?
乘积复合运算
复合运算)
常用的模糊复合运算:
当 U,V,W是离散论域时,
Sup(取上界 )变成取极大运算
非同一空间模糊关系复合运算举例与图示:
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
???
2.07.0
6.05.0
3.02.0
1.09.0
),(
2.03.08.06.0
9.08.02.04.0
7.05.03.01.0
),
},{,},,,{ },3,2,1{
ZYSYXR
baZYX

令 ????举例
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
3.06.0
6.07.0
5.07.0
m i nm ax
SR ?
复合:采用
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
24.054.0
48.063.0
30.049.0
:m a x
SR ?
乘积复合采用
0, 6 30, 6 3 ) 0, 4,0, 0 4,( 0, 3 6,m ax
)7.09.0,5.08.0,2.02.0,9.04.0( m ax),2(
0, 70, 7 ) 0, 5,0, 2,( 0, 4,m ax
)7.09.0,5.08.0,2.02.0,9.04.0( m ax),2(
??
?????
??
?????
a
a
SR
SR
?
?
?
?
1
2
3
a
b
X R
Y
S Z
?
?
?
?0.4
0.2
0.8
0.9
0.9
0.2
0.5
0.7
X中元素 2和 Z中元素 a通过二二连接建立的路径,选择
连接强度最大者,其强度由子路径强度乘积或取极小计
算而得。
图示:
Ux?
Ux?
Ux?
Ux?
),( yxR?
),( yxR?
Vy?
Vy?
),( zyS?
),( zyS?
Wz?
Wz?
Wz?
),( azT?
),( azT?
),( zxSR ??
),( zxSR ??
),( axTSR ???
),( axTSR ???
Xa?
Xa?
),( zyS?)( xR?
R
VU ?
),( zxSR ??
模糊关系隶属函数的计算
),( zxSR ??
),( axTSR ???
)),(),(s u p ( zyyx SR ?? ??
)),(),(),(s u p ( azzyyx TSR ??? ???
为离散域时:当 WVU,,
) ) ],(),(),([(m ax),(
-m ax )2
) ) ],(),,(),,([ m i n (m ax),(
m i nm ax 1
azzyyxax
azzyyxax
TSR
Vy
TSR
TSR
Vy
TSR
????
????
???
?
?
?
?
??
??
乘积复合运算
复合运算)
),( zxSR ?? ) ) ],(),(m a x [ m i n ( zyx SR ???
),( zxSR ?? ) ) ],()(m a x [ ( zyx SR ?? ??

模糊隶属函数的修正( Hedges)
75.0
m i n u s
25.1
p l u s
5.0
dilA
2
co n A
)]([)(
)]([)(
m i n u s ) p l u s( )3
)]([)(
( D i l at i o n ) )2
)]([)(
i o n )C o n c en t r at( 1
xx
xx
xx
xx
A
A
A
A
??
??
??
??
?
?
?
?
或人为修正
扩展
压缩)
)(xA?
)(co n A x?
)(dilA x?