1、基于MATLAB的模糊控制器設(shè)計(jì)及仿真專業(yè)：控制科學(xué)與工程 學(xué)號：122081100187 姓名：許興培摘 要在深入了解系統(tǒng)的基礎(chǔ)上針對傳統(tǒng)控制精度不高、系統(tǒng)穩(wěn)定性差的問題進(jìn)行創(chuàng)新和探索研究詳細(xì)介紹了模糊控制原理和實(shí)現(xiàn)步驟。并在MATLAB環(huán)境下對完成了模糊控制器仿真研究 發(fā)現(xiàn)模糊控制理論上可以用于工業(yè)實(shí)際。模糊控制設(shè)計(jì)簡便響應(yīng)速度快魯棒性好具有一定的推廣價(jià)值。關(guān)鍵詞：模糊控制，系統(tǒng)仿真基于MATLAB的模糊控制器設(shè)計(jì)及仿真一、模糊系統(tǒng)模糊系統(tǒng)是一種基于知識或基于規(guī)則的系統(tǒng)。它的核心就是由所謂的IF-THEN規(guī)則所組成的知識庫。一個(gè)模糊的IF-THEN規(guī)則就是一個(gè)用連續(xù)隸屬度函數(shù)對所描述的某些

2、句子所做的IF-THEN形式的陳述。構(gòu)造一個(gè)模糊系統(tǒng)的出發(fā)點(diǎn)就是要得到一組來自于專家或基于該領(lǐng)域知識的模糊IF-THEN規(guī)則，然后將這些規(guī)則組合到單一系統(tǒng)中。不同的模糊系統(tǒng)可采用不用的組合原則。用隸屬度函數(shù)表征一個(gè)模糊描述后，實(shí)質(zhì)上就將模糊描述的模糊消除了。模糊控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵在于模糊控制器的設(shè)計(jì)，主要有三個(gè)部分：(1) 輸入量的模糊化所謂模糊化(Fuzzification) 就是先將某個(gè)輸入測量量的測量值作標(biāo)準(zhǔn)化處理，把該輸入測量量的變化范圍映射到相應(yīng)論域中，再將論域中的各輸入數(shù)據(jù)以相應(yīng)的模糊語言值的形式表示，并構(gòu)成模糊集合。這樣就把輸入的測量量轉(zhuǎn)換為用隸屬度函數(shù)表示的某一模糊語言變量。(

3、2) 模糊邏輯推理根據(jù)事先已定制好的一組模糊條件語句構(gòu)成模糊規(guī)則庫，運(yùn)用模糊數(shù)學(xué)理論對模糊控制規(guī)則進(jìn)行推理計(jì)算，從而根據(jù)模糊控制規(guī)則對輸入的一系列條件進(jìn)行綜合評估，以得到一個(gè)定性的用語言表示的量，即模糊輸出量。完成這部分功能的過程就是模糊邏輯推理過程。(3) 反模糊化過程反模糊化(Defuzzification) 有時(shí)又叫模糊判決。就是將模糊輸出量轉(zhuǎn)化為能夠直接控制執(zhí)行部件的精確輸出量的過程。模糊控制器的核心部分又在于模糊推理系統(tǒng)(FIS) 的建立。二、MATLAB/SIMULINK工具箱的介紹在MATLAB菜單窗口中輸入命令fuzzy可進(jìn)入FIS編輯器，在FIS編輯器中可以設(shè)置輸入輸入變量的

4、模糊隸屬度函數(shù)和模糊控制規(guī)則。如下圖所示：設(shè)置好模糊推理系統(tǒng)FIS后保存設(shè)置結(jié)果，用菜單項(xiàng)里的File-Export-to workspace將它導(dǎo)出到Matlab的工作空間，這樣在用SIMULINK仿真的時(shí)候FIS才能被調(diào)用。打開SIMULINK工具箱，選擇相應(yīng)的模塊，設(shè)置好模型參數(shù)，在Fuzzy Logic Toolbox中選擇Fuzzy Logic Controller，在FIS files or structure中填入已經(jīng)保存的FIS文件名，建立起系統(tǒng)的動態(tài)模型。點(diǎn)擊仿真按鈕，就可以在示波器中看到仿真結(jié)果。SIMULINK窗口Fuzzy Logic Controller設(shè)置三、模糊控

5、制在一個(gè)二階環(huán)節(jié)中的應(yīng)用1、系統(tǒng)模型許多工業(yè)控制對象都可以等效為二階環(huán)節(jié)。以下面的二階環(huán)節(jié)為例：設(shè)計(jì)它的模糊控制器，觀察其階躍響應(yīng)。2、語言變量的選取以及隸屬函數(shù)的確立假設(shè)系統(tǒng)輸入為階躍，可取系統(tǒng)輸出誤e和誤差變化ec作為模糊控制器的輸入，模糊控制器的輸出u作為被控對象的控制輸入。則可根據(jù)系統(tǒng)輸出的誤差和誤差變化設(shè)計(jì)出模糊控制器，并根據(jù)一系列的模糊推理過程推導(dǎo)出最終的輸出控制量u。其中，誤差e 誤差變化量de以及輸出u所對應(yīng)的模糊語言變量分別為e、ec和u。每個(gè)語言變量都取5個(gè)語言值：“正大( PB)”、“正小( PS)”、“零(Z)”、“負(fù)小(NS)”、“負(fù)大(NB)”。一般設(shè)定e和ec的輸

6、入范圍為【-6 6】。然后利用pid控制器對二階被控對象進(jìn)行調(diào)節(jié)，使系統(tǒng)的超調(diào)和調(diào)節(jié)時(shí)間處在一個(gè)良好的范圍內(nèi)。Pid控制器調(diào)節(jié)被控對象設(shè)置pid參數(shù) kp=30，ki=15，kd=20，此時(shí)系統(tǒng)輸出如下：Scope1 輸出此時(shí)pid控制器的輸出如下：Scope3輸出此時(shí)根據(jù)pid的輸出值設(shè)定u的輸出范圍為【-5 5】，根據(jù)pid的穩(wěn)定輸出值設(shè)定模糊控制器的“零(Z)”的最大隸屬度輸出值。在利用 Simulink圖形化工具平臺設(shè)計(jì)模糊控制系統(tǒng)模型并進(jìn)行系統(tǒng)仿真之前 ，同樣要先建立相應(yīng)的模糊推理器 ，這可以通過圖形用戶界面(GUI)來建立。利用 GUI建立 FIS的過程如下：（1）進(jìn)入FIS編輯器

7、 在MATLAB的Command Window窗口下，輸入fuzzy。此時(shí)彈出FIS編輯器，如下圖所示：FIS編輯器首先，確定模糊控制器的類型和結(jié)構(gòu)。這里選用二輸入一輸出的模糊控制器。在FIS編輯窗口，選中editadd variableinput，即可增加一個(gè)輸入。（2）編輯輸入、輸出變量的隸屬度函數(shù)在FIS編輯器窗口，雙擊輸入模塊，在彈出的隸屬度函數(shù)編輯窗口分別對輸入、輸出函數(shù)進(jìn)行編輯。輸入e，ec，u的隸屬度函數(shù)如圖所示：輸入e輸入ec輸出u3、模糊推理規(guī)則的定義根據(jù)前面定義的隸屬度函數(shù)并且結(jié)合以往專家們所取得的經(jīng)驗(yàn)，定義該模糊控制系統(tǒng)的模糊控制規(guī)則并將規(guī)則編輯器中將規(guī)則加入規(guī)則庫。4、在SIMULINK中建立模糊控制系統(tǒng)并進(jìn)行仿真取模糊量化因子Ke=8.8，Kde=2.6，比例因子Ku=10。仿真得到的階躍響應(yīng)曲線如圖所示：將其與pid輸出圖像對比如下：四、結(jié) 論模糊控制以模糊集合論、模糊語言變量及模糊邏輯推理為基礎(chǔ)，不要求被控對象的數(shù)學(xué)模型，能充分運(yùn)用控制專家的信息，具有一定的魯棒性，在控制領(lǐng)域表現(xiàn)出極大的優(yōu)勢?；贛ATLAB所提供的模糊控制工具箱以及動態(tài)化的圖形仿真環(huán)境Simulink，使復(fù)雜的模糊控制系統(tǒng)的仿真過程更為簡便直觀。參考文獻(xiàn)基于MATLAB的兩種模糊控制系統(tǒng)的仿真方法，計(jì)算