Побудова системи нечіткого виведення
Визначення множини вхідних та вихідних лінгвістичних змінних нечіткої системи керування змішувачем. Аналіз побудови системи нечіткого виведення, розгляд його етапів, аналіз наукового та технічного застосування. Аналітичне рішення тестового прикладу.
| Рубрика | Программирование, компьютеры и кибернетика |
| Вид | курсовая работа |
| Язык | украинский |
| Дата добавления | 17.05.2012 |
| Размер файла | 412,6 K |
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Размещено на http://www.allbest.ru/
МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ
НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ “ХАРКІВСЬКИЙ ПОЛІТЕХНІЧНИЙ ІНСТИТУТ”
Кафедра “Системного аналізу та управління”
Курсова робота
Дисципліна
“ Експертні системи "
Тема
„ Побудова системи нечіткого виведення ”
Керівник роботи:
доц. каф. САіУ Ю.І. Дорофєєв
Виконавець:
студент групи ІФ-57в С.С. Хлуд
Харків - 2011
МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ
НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ “ХАРКІВСЬКИЙ ПОЛІТЕХНІЧНИЙ ІНСТИТУТ”
Кафедра “Системного аналізу та управління”
ЗАВДАННЯ
на науково-дослідну курсову роботу
Дисципліна: “ Експертні системи ”
Тема: „ Побудова системи нечіткого виведення ” (Варіант №1)
Короткий зміст роботи:
а) теоретична частина
Побудова нечіткої системи керування змішувачем води при прийнятті душу.
Проведення аналізу побудови системи нечіткого виведення, розгляд етапів нечіткого виводу. Аналіз наукового та технічного застосування системи нечіткого виведення, на основі аналізу літературних джерел та Інтернету наведення свідомості про історію відкриття та дослідження системи нечіткого виводу.
б) програмно-розрахункова частина
Відображення схеми роботи нечіткої системи управління змішувачем води.
Сформувати базу нечітких правил, здійснити фазифікацію вхідних змінних, агрегування підумови в нечітких правилах, активізацію підзаключень нечітких правил, акумулювання висновків нечітких правил, дефазифікацію вихідних змінних.
Дата видачі завдання: 17.10.2011 Термін захисту: 23.12.2011
Керівник курсової роботи: / доц. каф. САіУ Ю.І. Дорофєєв
Зміст
- Вступ
- 1. Постановка задачі
- 2. Програмна реалізація
- 2.1 Визначення множини вхідних та вихідних лінгвістичних змінних нечіткої системи керування змішувачем
- 2.2 Визначення терм-множини значень лінгвістичних змінних
- 2.3 Визначення функцій приналежності
- 2.4 Формування евристичних правил, що застосовуються для регулювання температури води на виході змішувача
- 2.5 Отримання результату нечіткого виводу
- 3. Аналітичне рішення тестового приклада
- 3.1 Фазифікація вхідних змінних
- 3.2 Агрегування підумови в нечітких продукційних правилах
- 3.3 Активізація підзаключень нечітких продукційних правилах
- 3.4 Акумулювання висновків нечітких продукційних правилах
- 3.5 Дефазифікація вихідних змінних
- Висновок
- Список використаних джерел
Вступ
Нечіткий вивід займає центральне місце в нечіткій логіці і системах нечіткого управління. Процес нечіткого виводу є деякою процедурою або алгоритмом здобуття нечітких висновків на основі нечітких умов або передумов з використанням розглянутих вище понять нечіткої логіки. Цей процес сполучає в собі всі основні концепції теорії нечіткої множини: функції приналежності, лінгвістичні змінні, нечіткі логічні операції, методи нечіткої імплікації і нечіткої композиції.
Системи нечіткого виводу призначені для реалізації процесу нечіткого виводу і служать концептуальним базисом всієї сучасної нечіткої логіки. Досягнуті успіхи у вживанні цих систем для вирішення широкого класу завдань управління послужили основою становлення нечіткої логіки як прикладної науки з багатим спектром додатків. Системи нечіткого виводу дозволяють вирішувати завдання автоматичного управління, класифікації даних, розпізнавання образів, ухвалення рішень і багато інших.
Оскільки розробка і вживання систем нечіткого виводу має міждисциплінарний характер, дана проблематика досліджень тісно взаємозв'язана з цілим рядом інших науково-прикладних напрямів, таких як: нечітке моделювання, нечіткі експертні системи, нечітка асоціативна пам'ять, нечіткі регулювальники і просто нечіткі системи.
Нечіткі методи допомагають управляти домною і прокатним станом, автомобілем і поїздом, розпізнавати мову і зображення, проектувати роботів, що мають зір. У цій роботі буде здійснено побудову нечіткої системи керування змішувачем води при прийнятті душу.
1. Постановка задачі
При прийнятті душу на вхід змішувача подається холодна і гаряча вода за відповідними магістральними трубопроводами. Найбільш комфортні умови для душа створюються при наявності на виході змішувача теплої води постійної температури. Оскільки під час прийняття душу може спостерігатися нерівномірна витрата води, температура води на виході змішувача буде коливатися, приводячи до необхідності ручної зміни подачі холодної або гарячої води. Мета даної курсової роботи ? побудова нечіткої системи автоматичного регулювання температури води, яка забезпечить підтримку комфортної температури води на виході змішувача.
Для реалізації поставленої задачі необхідно:
1) Вибрати множину вхідних лінгвістичних змінних нечіткої системи керування змішувачем. Процесу зміни температури води на виході змішувача при зміні положення вентилів кранів притаманна деяка інерційність. Щоб врахувати цю особливість, необхідно розглядати в якості вхідних змінних не тільки температуру води на виході змішувача, але і швидкість її зміни.
2) Вибрати множину вихідних лінгвістичних змінних нечіткої системи управління змішувачем. Зміна температури води здійснюється поворотом вентиля крана гарячої води або холодної води на деякий кут. Величина кута повороту вентиля впливає на швидкість зміни температури води на виході змішувача.
3) Відобразити схему роботи нечіткої системи управління змішувачем води.
4) Для кожної лінгвістичної змінної визначити терм-множину її значень.
5) Для кожного терма кожної лінгвістичної змінної визначити функцію приналежності. Програмно реалізувати в середовищі MATLAB всі функції приналежності.
система нечітке виведення лінгвістичний
6) Для кожної лінгвістичної змінної побудувати графік функцій приналежності її термів.
7) Сформулювати евристичні правила, які застосовуються для регулювання температури води на виході змішувача. Програмно реалізувати базу нечітких продукційних правил, яка дозволяє побудувати розглянуту модель нечіткого керування.
8) Програмно реалізувати етап фазифікації вхідних змінних.
9) Програмно реалізувати етап агрегування підумов в нечітких продукційних правилах.
10) Програмно реалізувати етап активізації підзаключень нечітких продукційних правил.
11) Програмно реалізувати етап акумулювання висновків нечітких продукційних правил.
12) Програмно реалізувати етап дефазифікації вихідних змінних.
13) Перевірити працездатність побудованої системи нечіткого управління на тестовому прикладі.
2. Програмна реалізація
Мета даної курсової роботи ? побудова нечіткої системи автоматичного регулювання температури води, яка забезпечить підтримку заданої температури води на виході змішувача.
Для реалізації процесу нечіткого моделювання в середовищі МATLAB призначений спеціальний пакет розширення Fuzzy Logic Toolbox. Саме у цьому пакеті і буде здійснена побудова нечіткої системи керування змішувачем води при прийнятті душу.
При роботі з Fuzzy Logic Toolbox є можливість задати конкретний метод для виконання певних операцій:
1) And method (метод логічної кон'юнкції) ? дозволяє задати метод для виконання логічної кон'юнкції в умовах нечітких правил (вибраний метод мінімального значення);
2) Or method (метод логічної диз'юнкції) ? дозволяє задати метод для виконання логічної диз'юнкції в умовах нечітких правил (вибраний метод максимального значення);
3) Implication method (метод виведення висновку) ? дозволяє задати метод для виконання (активізації) логічного висновку в кожному з нечітких правил (вибраний метод мінімального значення);
4) Defuzzification method (метод дефазифікації) ? дозволяє задати метод для виконання дефазифікації вихідних змінних (вибраний метод центру тяжіння).
2.1 Визначення множини вхідних та вихідних лінгвістичних змінних нечіткої системи керування змішувачем
Виберемо множину вхідних лінгвістичних змінних нечіткої системи керування змішувачем. Процесу зміни температури води на виході змішувача при зміні положення вентилів кранів притаманна деяка інерційність. Щоб врахувати цю особливість, необхідно розглядати в якості вхідних змінних не тільки температуру води (temperature ? позначення у середовищі МATLAB) на виході змішувача, але і швидкість її зміни (speed).
Також необхідно вибрати множину вихідних лінгвістичних змінних нечіткої системи управління змішувачем. Зміна температури води здійснюється поворотом вентиля крана гарячої води або холодної води на деякий кут. Величина кута повороту вентиля впливає на швидкість зміни температури води на виході змішувача. Саме тому кут повороту вентиля (corner) і є вихідною лінгвістичною змінною.
Схема роботи нечіткої системи управління змішувачем води представлена на рис.2.1.
Рисунок 2.1 ? Схема роботи нечіткої системи управління змішувачем води
2.2 Визначення терм-множини значень лінгвістичних змінних
Як терм-множина першої лінгвістичної змінної (температура води) використовуватимемо множину Т1={ NM, Z, PM }, де NM відповідає низькій температурі води (від 0°С до 22°С), Z відповідає нормальній температурі води (від 20°С до 30°С) і PM ? це висока температура води (від 27°С до 49°С). Як терм-множина другої лінгвістичної змінної (швидкість зміни температури) використовуватимемо множину Т2={ NM, Z, PM }, де NM - негативна швидкість зміни температури (від - 0.5°С/хв до - 0.1°С/хв), Z - швидкість зміни температури від - 0.2°С/хв до 0.2°С/хв, PM ? швидкість зміни температури від 0.1°С/хв до 0.5°С/хв. Як терм-множина вихідної лінгвістичної змінної (кут повороту вентиля) використовуватимемо множину Т3={ NB, NS, Z, PS, PB }, де NB - негативне велике значення куту повороту (від - 90° до - 40°), NS - негативне мале значення куту (від - 50° до - 10°), Z - близьке до нуля значення куту (від - 20° до 20°), PS - позитивне мале значення куту (від 10° до 50°), PB - позитивне велике значення куту повороту (від 40° до 90°).
2.3 Визначення функцій приналежності
Для кожного терма кожної лінгвістичної змінної необхідно визначити функцію приналежності та побудувати графік функцій приналежності її термів.
Рисунок 2.2 ? Функція приналежності першої вхідної лінгвістичної змінної (температура води)
Рисунок 2.3 ? Функція приналежності другої вхідної лінгвістичної змінної (швидкість зміни температури води)
Рисунок 2.4 ? Функція приналежності вихідної лінгвістичної змінної (кут повороту вентиля)
2.4 Формування евристичних правил, що застосовуються для регулювання температури води на виході змішувача
Сформуємо та програмно реалізуємо базу нечітких продукційних правил, яка дозволяє побудувати розглянуту модель нечіткого керування.
Оскільки в даній роботі дві вхідних лінгвістичних змінних (з трьома термами кожна), кількість правил буде дорівнювати дев'яти (поєднання всіх термів). При цьому кожному правилу розробник привласнює коефіцієнт впевненості. Правила мають наступний вигляд:
1) Якщо температура води NM та швидкість зміни температури NM, кут повороту вентиля PB (коефіцієнт впевненості дорівнює 1).
2) Якщо температура води Z та швидкість зміни температури NM, кут повороту вентиля PS (коефіцієнт впевненості дорівнює 0.8).
3) Якщо температура води PM та швидкість зміни температури NM, кут повороту вентиля Z (коефіцієнт впевненості дорівнює 0.8).
4) Якщо температура води NM та швидкість зміни температури Z, кут повороту вентиля PS (коефіцієнт впевненості дорівнює 0.8).
5) Якщо температура води Z та швидкість зміни температури Z, кут повороту вентиля Z (коефіцієнт впевненості дорівнює 1).
6) Якщо температура води PM та швидкість зміни температури Z, кут повороту вентиля NS (коефіцієнт впевненості дорівнює 0.8).
7) Якщо температура води NM та швидкість зміни температури PM, кут повороту вентиля Z (коефіцієнт впевненості дорівнює 0.8).
8) Якщо температура води Z та швидкість зміни температури PM, кут повороту вентиля NS (коефіцієнт впевненості дорівнює 0.8).
9) Якщо температура води PM та швидкість зміни температури PM, кут повороту вентиляNB (коефіцієнт впевненості дорівнює 1).
Рисунок 2.5 - Сформовані правила нечіткого виводу
2.5 Отримання результату нечіткого виводу
Після завдання правил нечіткого виводу виявляється можливим отримання результату нечіткого виводу (значення вихідної змінної) для конкретних значень вхідних змінних.
Перевіремо працездатність побудованої системи нечіткого управління змішувачем води при наступних вхідних даних: температура води 17°С і швидкість зміни температури - 0.15°с/хв.
Рисунок 2.6 ? Вигляд програми перегляду правил нечіткого виводу при визначених вхідних значеннях
Із вигляду програми перегляду правил нечіткого виводу можна зробити висновок, що активними є правила 1 та 4. При формуванні бази нечітких продукційних правил були надані коефіцієнти впевненості правилам. Так, перше правило має коефіцієнт впевненості 1, а четверте правило - 0.8. Цей фактор також вплинув на отримання кінцевого результату. Головною нашою задачею є пошук значення кута повороту вентиля, при вхідних даних [17 - 0.15] вентиль необхідно обернути на 53.5°.
3. Аналітичне рішення тестового приклада
Використовуючи алгоритм виведення, розглянемо приклад його виконання для випадку, коли температура води дорівнює 17°С, а швидкість її зміни дорівнює - 0.15°С/хв.
У попередньому розділі були визначені вхідні та вихідні лінгвістичні змінні, їх терми, функції приналежності, а також сформовані евристичні правила.
3.1 Фазифікація вхідних змінних
Під фазифікацією розуміється процедура знаходження значень функцій належності нечітких множин на основі чисельних вихідних даних. Метою етапу фазифікації є встановлення відповідності між конкретним чисельним значенням кожної вхідної змінної і значенням функції приналежності відповідного їй терма вхідної лінгвістичної змінної.
Фазифікація першої вхідного лінгвістичної змінної (температура води дорівнює 17°С) приводить до значення функції приналежності 0.75 для терма NM, а фазифікація другої нечіткої змінної (зміна температури води дорівнює - 0.15°С/хв) приводить до значень функції приналежності 0.2 для терма Z і 0.33 для терма NM.
Рисунок 3.1 - Етап фазифікації при визначених вхідних значеннях
Таким чином, у результаті фазифікації отримана множина
3.2 Агрегування підумови в нечітких продукційних правилах
Під агрегуванням розуміється процедура визначення ступеня істинності умовної частини кожного з правил системи нечіткого виводу.
Формально процедура агрегування виконується таким чином. Розглядається умовна частина кожного з правил системи нечіткого виводу. Умовна частина кожного з існуючих правил складається з двох підумов, об'єднаних за допомогою нечіткої логічної кон'юнкції, отже ступінь істинності складного висловлювання визначається за формулою
, (3.1)
де ? відображення істинності нечіткого висловлювання, яке діє з множини розглянутих нечітких висловлювань в інтервал [0, 1], тобто .
При цьому значення отриманні на попередньому етапі, використовуються в якості аргументів відповідної логічної операції.
Отже,
Знайдена множина має вигляд:
.
3.3 Активізація підзаключень нечітких продукційних правилах
Під активізацією розуміється процедура визначення ступеня істинності кожного з підзаключень правил системи нечіткого виводу.
Правила системи нечіткого виведення, у яких ступінь істинності умовної частини відмінна від нуля, вважаються активними. Тому, у даному випадку активними правилами є правила під номерами чотири (коефіцієнт впевненості дорівнює 0.8) та один (коефіцієнт впевненості дорівнює 1). Це збігається з результатом програмної реалізації нечіткого виводу. Розглядається висновок кожного з активних правил системи нечіткого виведення. Ступінь істинності кожного з підзаключень дорівнює алгебраїчному додатку відповідного значення та коефіцієнта впевненості правила . Знайдену множину значень позначимо .
Тобто,
Потім визначаються значення функції належності кожного з підзаключень для розглянутих вихідних лінгвістичних змінних. Для цього використовується метод min-активізації:
,
де ? функція належності терма, який є значенням деякої вихідної лінгвістичної змінної , яка задана на універсумі Y.
Рисунок 3.2 - Знайдені значення функції належності кожного з підзаключень для вихідної лінгвістичної змінної
3.4 Акумулювання висновків нечітких продукційних правилах
Під акумуляцією розуміється процедура знаходження функції приналежності для кожної з вихідних лінгвістичних змінних множини . Мета акумуляції полягає в тому, щоб об'єднати або акумулювати всі ступені істинності підзаключень для отримання функції приналежності кожної з вихідних змінних.
Рисунок 3.3 - Отримана функція приналежності вихідної змінної
3.5 Дефазифікація вихідних змінних
Під дефазифікацією розуміється процедура знаходження кількісного значення для кожної з вихідних лінгвістичних змінних множини .
Послідовно розглядається кожна з вихідних змінних та нечітка множина , яка до неї відноситься. Кількісне значення змінної визначається за методом центру тяжіння:
,
де у - результат дефазифікації; - функція належності нечіткої множини, яка відповідає вихідній змінній після етапу акумуляції; Min и Max - ліва і права точки інтервалу носія нечіткої множини вихідної змінної .
Таким чином, кут повороту вентиля методом центру тяжіння для визначених вхідних значень дорівнює 56.5°.
Зі всього вище сказаного можна зробити висновок про те, що результати програмної реалізації побудови нечіткої системи керування змішувачем води при прийнятті душу і аналітичного рішення практично збігаються. Отже, побудована нечітка система автоматичного регулювання температури води працює коректно.
Висновок
В даній курсовій роботі була побудована нечітка система автоматичного регулювання температури води, яка забезпечує підтримку комфортної температури води на виході змішувача.
Для отримання такого результату були сформовані множини вхідних (температура води, швидкість її зміни) та вихідних (величина кута повороту вентиля) лінгвістичних змінних нечіткої системи керування змішувачем. Також у роботі відображена схема роботи нечіткої системи управління змішувачем води.
Для кожної лінгвістичної змінної були визначенні терм-множини її значень. Для кожного терма кожної лінгвістичної змінної, в свою чергу, визначенні функції приналежності.
Також були сформовані евристичні правила, що застосовуються для регулювання температури води на виході змішувача. Програмно реалізована база нечітких продукційних правил, яка дозволяє побудувати розглянуту модель нечіткого керування.
Реалізовані етапи фазифікації вхідних змінних, агрегування підумов в нечітких продукційних правилах, активізації підзаключень нечітких продукційних правил, акумулювання висновків нечітких продукційних правил та етап дефазифікації вихідних змінних.
Працездатність побудованої системи нечіткого управління була перевірена на тестовому прикладі.
Список використаних джерел
1. Леоненков А.В. Нечеткое моделирование в среде MATLAB и fuzzyTECH / А. Леоненков. - СПб: БХВ-Петербург, 2003. - 736 с.
2. Штовба С.Д. Проектирование нечетких систем средствами MATLAB / С. Штовба. - М: Горячая линия-Телеком, 2007. - 288 с.
3.В. Дьяконов, В. Круглов. Математические пакеты расширения MATLAB. Специальный справочник. - Санкт-Петербург: Питер, 2001 - 480 с.
4.Р.А. Алиев. Управление производством при нечёткой исходной информации, М.: Энергоатомиздат, 1991.
5.А. Гультяев. Визуальное моделирование в среде MATLAB: учебный курс. - Санкт-Перербург: Питер, 2000.
6.Н. Н. Мартынов, А.П. Иванов. MATLAB 5. x. Вычисление, визуализация, программирование. - М.: КУДИЦ-ОБРАЗ, 2000.
7. Орлов А.И. Теория принятия решений. Учебное пособие / А.И. Орлов. - М.: Издательство "Март", 2004. - 656 с.
8. Нейронные сети, генетические алгоритмы и нечеткие системы. Д. Рутковская, M. Пилиньский, Л. Рутковский. 1999.
9. Понятие лингвистической переменной и его применение к принятию приближенных решений. - Заде Л.А. М.: Мир, 1976.
Размещено на Allbest.ru
Подобные документы
Основні поняття теорії нечіткої логіки. Прогнозування економічних процесів та курсу валюти на фінансовому ринку. Системи та алгоритми нечіткого виводу. Адаптивні системи нейро-нечіткого виводу. Процес розробки і перевірки нечіткої моделі гібридної мережі.
курсовая работа [3,1 M], добавлен 19.06.2014Аналіз областей застосування та технічних рішень до побудови систем керування маніпуляторами. Виведення рівнянь, які описують маніпулятор як виконавчий об’єкт керування. Зв’язок значень кутів акселерометра з формуванням сигналів управління маніпулятором.
дипломная работа [2,3 M], добавлен 26.07.2013Дослідження складної системи "Велосипед" з елементами, з'єднаними детермінованим зв'язком. Побудова цільової функції для оптимізації системи, визначення її надійності та вартості приросту надійності її елементів. Блок-схема процесу функціонування системи.
курсовая работа [99,0 K], добавлен 01.03.2014Дія елементів системи автоматичного регулювання. Розрахунок передаточної функції замкнутої системи за каналами задаючої і збурюючої дії. Побудова годографа амплітудно-фазової частотної характеристики розімкнутої системи і визначення запасу стійкості.
курсовая работа [2,6 M], добавлен 24.12.2012Побудова моделі процесів системи. Відображення користувачів і їхніх функцій, підметів автоматизації в прив'язці до структури системи. Відображення структури інформаційних та фізичних об'єктів системи та їх взаємозв’язків. Побудова моделі станів системи.
курсовая работа [125,2 K], добавлен 03.10.2008Аналіз сучасного стану технологій програмування. Порівняння відстані між центрами кіл з радіусами. Класи, які використовуються при розробці програми меню. Розробка та виконання тестового прикладу. Виведення кіл на екран та інструкція користувача.
курсовая работа [229,0 K], добавлен 14.03.2013Ознайомлення з мовою VHDL, її перевагами та недоліками, опис функціонування системи керування складом готової продукції. Аналіз, опис та побудова асинхронного RS-тригера, що відповідає роботі даної системи. Реалізація діаграми станів кінцевого автомату.
курсовая работа [328,0 K], добавлен 29.03.2016Характеристика особливостей мікроконтролерів AVR сімейства Mega: пам'ять даних на основі РПЗПЕС, можливість захисту від читання і модифікації пам'яті програм. Аналіз проблем побудови цифрових пристроїв на МК та ПЛІС. Розгляд портів введення-виведення.
курсовая работа [4,0 M], добавлен 05.12.2014Аналіз основних задач фінансового відділу і їх залежності від вхідної інформації. Розробка автоматизованої інформаційної системи з ціллю якісної обробки вхідних даних. Організація інформаційного, організаційного, технічного і програмного забезпечення АІС.
курсовая работа [463,7 K], добавлен 11.02.2014Аналіз систем відеоспостереження, їх характеристики та область застосування. Структура керування системою. Аналогові та цифрові системи відеоспостереження. Послідовність дій по реалізації, розробка програмної системи. Тестування програмного забезпечення.
курсовая работа [1,9 M], добавлен 24.11.2012
