Fuzzy Control. Mit 304 Bildern und 46 Tabellen
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- Hartmut Hertz
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1 Fuzzy Control Optimale Nachbildung und Entwurf optimaler Entscheidungen von Dr.-Ing. Mario Koch, Dr.-Ing. Thomas Kuhn und Professor Dr.-Ing. habil Jürgen Wernstedt Technische Universität Ilmenau Mit 304 Bildern und 46 Tabellen R. Oldenbourg Verlag München Wien 1996
2 Inhaltsverzeichnis Vorwort 1 Einführung Entscheidungsaufgaben in der Automatisierung Systemtechnische Grundlagen Signale, System, Prozeß Steuerung, Regelung, operative Steuerung Klassifikation und Klassensteuerung Wissensbasierte Entscheidungsfindung Entwurfswege optimaler Regelungen und Entscheidungen Entwurf auf der Basis von Prozeßmodellen und der Simulation Entwurf durch Suche am Prozeß Entwurf auf der Basis der Nachbildung des Entscheidungsverhaltens des Menschen Determiniertheit, Unsicherheit und Unscharfe in der Automatisierung Determiniertheit, Unsicherheit und Unscharfe Entscheidung auf der Grundlage von deterministischen Konzepten Entscheidung auf der Grundlage von statistischen Konzepten Entscheidung auf der Grundlage von unscharfen Konzepten Entscheidung auf der Grundlage von Lernkonzepten Zusammenfassende Wertung 21 2 Ausgewählte Grundlagen Strategien zum Entwurf von Reglern Regelungstechnische Gesichtspunkte Festlegung der Regelkreisstrukturen Festlegung der Struktur des Reglers Die Mehrpunktregelung Die Kennfeldregelung Die zeitdiskrete Regelung Die Klassenregelung Die Zustandsregelung Parameteroptimierung von Regelungen Gütekriterien Optimierungsverfahren 44
3 XII Inhalt Gewährleistung der Robustheit Stabilitätsanalyse von Fuzzy Regelungen Aspekte der Wahrscheinlichkeitstheorie und Statistik Häufigkeit und Wahrscheinlichkeit Zufallsgrößen und Wahrscheinlichkeitsverteilungen Momente der Verteilung Mehrdimensionale Zufallsgrößen und ihre Verteilung Stichproben, statistische Prüf- und Schätzverfahren Stichproben und ihre Verteilung Statistische Prüfverfahren Statistische Schätzverfahren Aspekte der Klassifikationsmethoden Objekt, Klasse, Merkmal Klassifikator Klassifikationsmethoden Grundlagen des Fuzzy Konzeptes Scharfe und unscharfe Mengen, Zugehörigkeitsfunktionen Elementare Fuzzy Operatoren Linguistische Variable und linguistische Regeln Relationen von Fuzzy Mengen Allgemeine Struktur der Fuzzyverarbeitung Struktur der Fuzzyverarbeitung Die Fuzzyfizierung Die Fuzzy Inferenzstrategien Die Defuzzyfizierung Entwurf von Kennlinien und Kennflächen mit Fuzzy Systemen Zusammenfassende Wertung Klassifikation und Klassensteuerung Das Steuerungs- und Regelungsproblem als Klassifikationsaufgabe Merkmale zur Situationsbeschreibung Situationsbezogene Merkmalbildung Signalbezogene Merkmalbildung Entscheidungsbezogene Merkmalbildung Die Klassifikationsverfahren Der Bayes Klassifikator (BK) Der Fuzzy Klassifikator (FK) Entwurfsbeispiele für den Bayes- und den Fuzzy Klassifikator Vergleich der Klassifikator Konzepte zur Lösung von Steuerungsaufgaben 139
4 XIII 4.1 Der Klassifikatorentwurf Spezifische Einsatzanforderungen Zusammenfassende Wertung 154 Ermittlung von Steuervorschlägen in einer Situationsklasse Einführende Betrachtungen Bestimmung der Reglerparameter Simulationsergebnisse 159 Die Entwurfsstrategie der Klassensteuerung Festlegung der Struktur des Klassifikators und der Steuergesetze Erstellen einer Lernprobe Strukturierung der Lernprobe und Parametrierung der Klassensteuerung Strukturoptimierang der Klassensteuerung Implementation und Test der Steuerung Zusammenfassende Wertung 193 Realisierte Anwendungsprojekte Klassensteuerung der Talsperre Ratscher zum Hochwasserschutz im Gebiet der Werra/Thüringen Klassensteuerung der Staustufe Melk /Donau zur Energiegewinnung und zum Hochwasserschutz 209 Entwurf von Fuzzy Steuerungen und Regelungen Regelungstechnische Entwurfsgesichtspunkte und Entwurfsschritte 223 Statischer Entwurf des Fuzzy Systems Das parametrische Fuzzy Konzept Die Zugehörigkeitsfunktionen der Merkmale Das Regelwerk Die Zugehörigkeitsfunktionen der Entscheidungen Ein Beispiel Fuzzy System Nachbildung linearer und nichtlinearer Funktionen Die beschränkte lineare Kennlinie Die stückweise lineare Kennlinie Die stetige nichtlineare Kennlinie Das mehrdimensionale nichtlineare Kennfeld 249 Dynamischer Entwurf des Fuzzy Reglers Der Entwurf integralen Übertragungsverhaltens Der Fuzzy I-Regler mit integraler Merkmasbildung Der Fuzzy I-Regler mit integraler Stellgrößenbildung Probleme der praktischen Umsetzung Der Entwurf differenzierenden Übertragungsverhaltens.. 253
5 Inhalt Die Filterung Die Beobachtung Die on-line Schätzung Hilfsregelgrößen- und Störgrößenaufschaltungen Elementare lineare Fuzzy Regler Ausgangssituation Der Fuzzy P-Regler Der Fuzzy I-Regler Der Fuzzy D-Regler Der Fuzzy PI-Regler Der Fuzzy PD-Regler Der Fuzzy PID-Regie Zusammenfassende Wertung Suchverfahren für den optimalen Fuzzy Reglerentwurf Die Lösung des unbeschränkten konvexen Problems Die Lösung des beschränkten Problems Die Evolutionsstrategie Zur historischen Entwicklung Eine Klassifikation der Evolutionsstrategien Die Behandlung der Ungleichungsbeschränkungen Die Auswahl geeigneter Evolutionsstrategien für SOFCON Entwurf optimaler Fuzzy Regler für Testprozesse Ein Fuzzy PI-Regler Der vollständige Kompromiß Die stellaufwandsminimale Reglereinstellung Die arbeitspunktspezifische Reglereinstellung Der progressive Fuzzy PID-Regler Der fuzzyadaptierte PID-Regler Ein fuzzyadaptierter PID-Regler für Prozesse mit bekannter Nichtlinearität Ein fuzzyadaptierter PID-Regler für Prozesse mit zeitvarianter Totzeit Zusammenfassende Wertung Anwendungen Entwurf einer Motorsteuerung für optimale Fahrkennlinien eines Transportroboters Prozeßbeschreibung Entwurf der Fuzzy Steuerung Entwurf einer optimalen fuzzygesteuert adaptierten PID-Regelung eines instabilen mechatronischen Systems (Instabiler Propellerarm) Die Modellbildung Das Gütekriterium 317
6 Inhalt XV Zur Auswahl einer geeigneten Reglerstruktur Die Ergebnisse der Optimierung Das Ilmenauer Fuzzy Tool und die Fuzzy Control Design Toolbox für Matlab Das Ilmenauer Fuzzy Tool (IFT) Das Simulationsmodul Das Optimierungsmodul Die Portierung von Fuzzy Systemen Die Fuzzy Control Design Toolbox für Matlab Die Fuzzy Matrix Struktur Zur Arbeit mit der FCD Toolbox Die Simulation mit der FCD Toolbox unter Simulink Die Optimierung mit der FCD Toolbox 339 Literatur 343 Sachwortverzeichnis 350
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