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基于MATLAB模糊邏輯工具箱的模糊控制系統(tǒng)仿真

2009-04-20
作者:亢海偉 楊慶芬 王碩禾

  摘 要: 介紹了用MATLAB5.1模糊邏輯工具箱設計模糊控制器" title="模糊控制器">模糊控制器" title="模糊控制器">模糊控制器" title="模糊控制器">模糊控制器" title="模糊控制器">模糊控制器" title="模糊控制器">模糊控制器" title="模糊控制器">模糊控制器" title="模糊控制器">模糊控制器" title="模糊控制器">模糊控制器" title="模糊控制器">模糊控制器" title="模糊控制器">模糊控制器" title="模糊控制器">模糊控制器" title="模糊控制器">模糊控制器" title="模糊控制器">模糊控制器" title="模糊控制器">模糊控制器" title="模糊控制器">模糊控制器" title="模糊控制器">模糊控制器" title="模糊控制器">模糊控制器" title="模糊控制器">模糊控制器" title="模糊控制器">模糊控制器" title="模糊控制器">模糊控制器" title="模糊控制器">模糊控制器" title="模糊控制器">模糊控制器" title="模糊控制器">模糊控制器" title="模糊控制器">模糊控制器" title="模糊控制器">模糊控制器" title="模糊控制器">模糊控制器" title="模糊控制器">模糊控制器" title="模糊控制器">模糊控制器" title="模糊控制器">模糊控制器" title="模糊控制器">模糊控制器" title="模糊控制器">模糊控制器" title="模糊控制器">模糊控制器" title="模糊控制器">模糊控制器" title="模糊控制器">模糊控制器" title="模糊控制器">模糊控制器" title="模糊控制器">模糊控制器" title="模糊控制器">模糊控制器" title="模糊控制器">模糊控制器" title="模糊控制器">模糊控制器" title="模糊控制器">模糊控制器" title="模糊控制器">模糊控制器" title="模糊控制器">模糊控制器" title="模糊控制器">模糊控制器" title="模糊控制器">模糊控制器" title="模糊控制器">模糊控制器" 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  關鍵詞: MATLAB軟件 模糊控制? 計算機仿真


  1964年美國的L.A.Zadeh教授創(chuàng)立了模糊集合理論,1974年英國的E.H.Mamdani研制出第一個模糊控制器。模糊控制不需要了解對象的精確數(shù)學模型,根據(jù)專家知識進行控制,近十年來得到了廣泛的應用。
  模糊控制器的設計參數(shù)主要有:各輸入、輸出變量模糊子集的隸屬度函數(shù),模糊控制規(guī)則,輸入輸出變量的比例變換因子等。要依據(jù)設計者的經(jīng)驗和反復調試才能設計出一個比較好的模糊控制器。預先采用計算機仿真方法可盡快了解模糊控制的特性,可縮短設計周期。
  二維模糊控制器應用較為廣泛。偏差和偏差變化作為模糊控制器的兩個輸入量。先對它們進行模糊量化處理,得到模糊變量E和EC,按模糊控制規(guī)則進行模糊決策得到模糊控制量U,再經(jīng)過解模糊和比例變換得到實際控制量輸出。如圖1。


  MATLAB軟件提供自動控制、信號處理、神經(jīng)網(wǎng)絡、模糊邏輯、小波分析、圖象處理等諸多工具箱,功能強大應用廣泛。本文介紹用MATLAB5.1的模糊邏輯工具箱(Fuzzy Logic)設計模糊控制器,并用MATLAB的SIMULINK進行仿真的方法。
1 用MATLAB模糊邏輯工具箱設計模糊控制器
1.1 隸屬度函數(shù)的建立

  若取E、EC、U的論域均為{-6,-5,-4,-3,-2,-1,0,1,2,3,4,5,6},其模糊子集都為{NB,NM,NS,ZO,PS,PM,PB}。共有49條模糊控制規(guī)則。
  在MATLAB中鍵入命令FUZZY,進入模糊邏輯編輯窗口FIS Editor。建立E、EC、U的隸屬度函數(shù),有三角形、高斯形、梯形等11種可供選擇,在此選常用的三角形(trimf)隸屬度函數(shù)。圖2為E的隸屬度函數(shù)。


1.2 模糊控制規(guī)則及決策方法
  控制規(guī)則是對專家的理論知識與實踐經(jīng)驗的總結。共有49條規(guī)則,如表1所示。


  在Rules Editor窗口中輸入這49條控制規(guī)則。例如:
  if E is NB and EC is PS then U is PM
  模糊決策一般采用Mamdani's(min-max)決策法。解模糊有重心法、等分法、最大隸屬度平均法等5種可供選擇,在此采用重心法(centroid)。
  如此設計的模糊控制器的輸出與輸入的關系曲面圖如圖3所示。顯然模糊控制是一種非線性控制。


2 SIMULINK仿真及參數(shù)的調整
  MATLAB提供的SIMULINK是一個用來對動態(tài)系統(tǒng)進行建模、仿真和分析的軟件包,它支持連續(xù)、離散及兩者混合的線性和非線性系統(tǒng)。SIMULINK包含多個子模型庫,每個子模型庫中又包含多個功能模塊。利用鼠標可直觀地“畫”出系統(tǒng)模型,然后直接進行仿真。仿真時可選擇各種數(shù)值算法、仿真步長等重要參數(shù),并可用模擬示波器將仿真動態(tài)結果予以顯示,直觀高效。
  圖4為在SIMULINK環(huán)境下,模糊控制器與一階滯后被控對象組成的采樣控制系統(tǒng)的仿真結構圖。


  如果仿真的控制效果不滿意,一般首先調整比例變換因子ke、kec及ku,再調整模糊控制規(guī)則和隸屬度函數(shù)。
3 仿真結果
  被控對象為G(s)=e-20s/(100s+1),采樣周期5s。通過仿真可看出一般的模糊控制器相當于非線性的PD控制,無積分作用,有靜差;在比例變換因子中ku對系統(tǒng)穩(wěn)定性影響最大,過大時系統(tǒng)失穩(wěn)。圖5為系統(tǒng)階躍輸入下被控對象的輸出響應曲線。
  如把模糊控制器的輸出作為控制量的增量輸出,就可消除靜差,但這時ku應很小,否則會使系統(tǒng)不穩(wěn)定。圖6為輸出的響應曲線及控制量變化曲線。


  計算機仿真試驗對實際控制有重要指導意義。由上述模糊控制器的設計和仿真過程可看出MATLAB的模糊邏輯工具箱及SIMULINK有如下特點:
  ·可靈活地設計模糊控制器。在模糊邏輯工具箱中能方便地修改輸入輸出的論域、模糊子集、隸屬度函數(shù)、模糊控制規(guī)則、模糊決策方法及解模糊方案,然后仿真找到較佳的控制方案;
  ·可直接計算出模糊控制表,供單片機進行實際控制時使用。而人工計算此表非常繁瑣;
  ·在SIMULINK環(huán)境下,可組成更復雜的控制系統(tǒng)。如對象為時變、非線性,控制器為模糊與PID的混合形式。
參考文獻
1 何克忠,李偉.計算機控制系統(tǒng).北京:清華大學出版社,1998
2 孫增圻.智能控制理論與技術.北京:清華大學出版社,1997
3 施陽.MATLAB語言精要及動態(tài)仿真工具SIMULINK.西安:西北工業(yè)大學出版社,1998

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