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模糊控制 姓名： 張 艷 晶 學號： 班級： 自動化 學院：電子信息工程學院 基于MATLAB的模糊控制器的設計與仿真 1.針對一個被控對象，定義模糊控制器的輸入變量和輸出變量。 2.編輯輸入、輸出變量隸屬函數。 3.設計模糊控制器的控制規(guī)則。 4.仿真驗證控制效果。 要求：設定一個被控二階函數 ， 設計模糊控制器。 1、 實驗原理 1、模糊控制原理：模糊邏輯控制又稱模糊控制，是以模糊集合論，模糊語言變量和模糊邏輯推理為基礎的一類計算機控制策略，模糊控制是一種非線性控制。圖1為常規(guī)的模糊控制設計模型。 圖1 常規(guī)模糊控制系統原理圖 針對模糊控制器每個輸入、輸出，各自定義一個語言變量。因為對控制輸出的判斷，往往不僅根據誤差的變化，而且還根據誤差的變化率來進行綜合評判。所以在模糊控制器的設計中，通常取系統的誤差值e和誤差變化率ec為模糊控制器的兩個輸入，則在e的論域上定義語言變量“誤差E”，在ec的論域上定義語言變量“誤差變化率EC”；在控制量u的論域上定義語言變量“控制量U”。通過檢測獲取被控量的精確值，然后將此量與給定值比較得到誤差信號e，對誤差取微分得到誤差變化率ec，再經過模糊化處理把分明集輸入量轉換為模糊集輸入量，模糊輸入變量根據預先設定的模糊規(guī)則，通過模糊邏輯推理獲得模糊控制輸出量，該模糊輸出變量再經過去模糊化處理轉換為分明集控制輸出量。 2、 PID控制原理：在模擬控制系統中，控制器最常用的控制規(guī)律是PID控制。PID控制器是一種線性控制器。它根據給定值與實際輸出值之間的偏差來控制的。其傳遞函數的形式， PID控制原理框圖如圖2所示。 式中Kp——比例系數；Ti——積分時間常數；Td——微分時間常數。 圖2 PID控制系統原理框圖 PID控制器各環(huán)節(jié)的作用如下： （1）、比例環(huán)節(jié)：成比例地反應控制系統的偏差信號，偏差一旦產生，控制器立即產生控制作用，以減小偏差。增大比例系數一般將加快系統的響應，在有靜差的情況下有利于減小靜差，但是過大的比例系數會使系統有比較大的超調，并產生震蕩，使穩(wěn)定性變壞。 （2）、積分環(huán)節(jié)：主要消除靜差，提高系統的誤差度。積分作用的強弱取決于積分時間常數Ti，Ti越大，積分作用越弱，反之越強。增大積分時間有利于減小超調，減小震蕩，使系統的穩(wěn)定性增加，但是系統靜差消除時間變長。 （3）、微分環(huán)節(jié)：反應偏差信號的變化趨勢（變化速率），并能在偏差信號變得太大之前在系統中引入一個有效的早期修正信號，從而加快系統的動作速度，減少調節(jié)時間。增大微分時間D有利于加快系統的響應速度，使系統超調量減小，穩(wěn)定性增加，但系統對擾動的抑制能力減弱。 2、 設計步驟 1）模糊控制器設計 1、確定模糊控制器為單變量二維模糊控制器 2、定義輸入、輸出模糊集 對誤差e、誤差變化ec及控制量u的模糊集及其論域定義如下： e，ec和u的模糊集均為： e，ec的論域均為 u的論域為 1、定義輸入、輸出隸屬函數 2、建立模糊控制規(guī)則。根據表1 模糊控制規(guī)則表確定49條模糊規(guī)則。控制器的響應表見表2 表1 模糊規(guī)則表 表2 模糊響應表 6、模糊推理、反模糊化 在本控制中，模糊推理采用Manmdani型推理算法，逆模糊用重心平均法（cent roid）。 2）根據上述步驟，進行模糊控制器仿真，運行后生成一個fuzzy.fis的模糊控制器，結構如下： 圖3 模糊控制器 圖4 誤差隸屬函數定義 圖5 誤差變化隸屬函數定義 圖6 輸出隸屬函數定義 3)、在simulink環(huán)境下搭建模糊控制系統，和PID控制系統，設計輸入幅值為1的階躍信號，并用同一示波器顯示輸出響應結果，搭建模型結果如下： 4） 、對比分析曲線結果，修正設計參數，觀察分析響應曲線變化。 3、 實驗結果 被控對象： 各控制系統輸出響應曲線如下： 圖7 控制系統輸出曲線圖 4、 結果分析 由圖形結果分析可知模糊控制器和PID控制對系統性能都有了改善，模糊控制器比PID控制器，動態(tài)性能很好，上升速度快，基本沒有超調。