用matlap仿真模糊控制系統(tǒng)

1、模糊控制作業(yè)班級：自動化121501班姓名：王利民 學號：201215040121 基于MATLAB的智能變頻空調模糊控制器設計與仿真變頻空調控制系統(tǒng)能夠根據(jù)環(huán)境熱負荷的變化來控制壓縮機的轉速，從而控制空調器的制冷量（制熱量）。當室內需要急速降溫或急速升溫、室內空調負荷加大時壓縮機轉速在微處理器的控制下加快，制冷量(或制熱量)按比例增加;當室內負荷減小時，壓縮機轉速則按比例減小，因此，隨著季節(jié)和晝夜的變化，空調器的變速運轉既可以節(jié)能又可保證房間內舒適。變頻空調器控制系統(tǒng)改善了普通空調控制系統(tǒng)的不足，具有很多優(yōu)點：如壓縮機采用了比單相電機效率更高的三相電機，在電機的控制上采用了變頻調速技術，在室

2、內溫度的調節(jié)上則引入了自動控制理論，采用了智能模糊控制的控制策略，使得在大部分運轉時間電機的運轉速度能和室內的負荷相協(xié)調，避免了壓縮機的斷續(xù)運轉，與普通空調相比有效地延長了壓縮機的使用壽命；壓縮機從低頻啟動，啟動電流小，對電網(wǎng)無沖擊，對其它電器無干擾等；啟動后，壓縮機能夠高速運轉，快速接近設定溫度；當室內溫度趨向設定溫度時，壓縮機低速運轉，減少開停次數(shù)，降低室溫波動，提高舒適度等。因此，變頻空調的出現(xiàn)是空調器發(fā)展的一次變革，有廣闊的發(fā)展前景，是空調的一個重要發(fā)展方向。1 . 基于MATLAB的變頻空調模糊控制器設計過程MATLAB是美國的MATHWORKS公司于1982年推出的一套高性能的數(shù)值

3、計算軟件，它集數(shù)值分析、矩陣運算、信號處理和圖形顯示于一體，構成了一個方便的、界面友好的用戶環(huán)境。在這個環(huán)境下，對所要求的問題，用戶只需簡單的列出數(shù)學表達式，其結果便以數(shù)值或圖形方式顯示出來，并且在它的界面下可以編寫程序、運行程序并跟蹤調試程序。MATLAB環(huán)境下的“模糊推理系統(tǒng)工具箱”(Fuzzy Inference System Toolbox For Matlab)，該工具箱集成度高，內容豐富，基本包括了模糊集合理論的各個方面，其功能強大和方便易用的特點得到了用戶的廣泛歡迎，現(xiàn)已經(jīng)成為模糊控制系統(tǒng)設計的首選工具5。MATLAB提供的simulink是一個用來對動態(tài)系統(tǒng)建模、仿真和分析的軟

4、件包。它支持連續(xù)、離散及兩者混合的線形和非線形系統(tǒng)。Simulink包括多個子模型庫，每個子模型庫中又包含多個功能模塊。利用這些模塊可以較容易的建立系統(tǒng)模型，然后直接進行仿真，并可由模擬示波器將仿真結果予以顯示。在MATLAB下設計模糊控制器、建立系統(tǒng)模型的過程如下所述。1.1變頻空調模糊控制結構變頻空調器采用模糊控制技術輸入作模糊技術處理后，可實現(xiàn)對多變量的動態(tài)控制，其控制關系如圖1-1所示。室內溫差d/dt室內熱交換器管壁溫度d/dt室外換熱交換器壁溫度d/dt單片機制冷制熱除濕化霜風量風向 圖1-1變頻空調器的模糊控制關系它包括三個輸入量：室內溫差及其隨時間的變化率，室內熱交換器溫度及其

5、隨時間的變化率，室外熱交換器溫度及其隨時間的變化率。輸出包括對空調器和制冷制熱除濕化霜風向風量等功能實行智能化控制。我們這里通過模糊控制研究的空調控制系統(tǒng)實際上包括兩個輸入量：溫度偏差，溫差變化率，一個輸出量：壓縮機運轉頻率增量。設計的雙輸入單輸出模糊控制器如圖1-2所示。 圖1-2 雙輸入單輸出模糊控制器模糊輸入接口主要功能是根據(jù)本次采樣得到的系統(tǒng)輸出值，計算所選擇的系統(tǒng)輸入變量，并對輸入變量的精確值變?yōu)槟：?，即將在被控系統(tǒng)的溫度差及溫度差的變化率的精確值轉化為模糊量，以便進行模糊化推理和決策。模糊決策機構的主要功能是根據(jù)輸入變量的模糊量和模糊推理規(guī)則表推出控制決策。模糊輸出接口的主要功能

6、是把經(jīng)模糊推理決策后所得的模糊控制量轉化為精確量，去控制壓縮機的轉速。1.2 模糊控制器的設計1.精確量的模糊化 (1) 溫度偏差的模糊化：溫度偏差是指設定溫度減去實測被控對象的溫度值的差，語言變量表示為。將的模糊子集相應的語言值設定為負大(NB)、負中(NM)、負小(NS)、零(ZO)、正小(PS)、正中(PM)、正大(PB)。設的論域為：其隸屬度函數(shù)取高斯型16，一般可表述為： (3-1)隸屬函數(shù)表示如圖1-4所示。(2) 溫差變化率的模糊化：溫差變化率為，語言變量表示為。將模糊子集相應的語言值也設定為負大(NB)、負中(NM)、負小(NS)、零(ZO)、正小(PS)、正中(PM)、正大(

7、PB)。設的論域為：其隸屬度函數(shù)取高斯型，隸屬函數(shù)表示如圖1-5所示。(3) 壓縮機運轉頻率增量的模糊化：取語言變量表示為，將的模糊子集相應的語言值設定為負很大(NL)、負大(NB)、負中(NM)、負小(NS)、零(ZO)、正小(PS)、正中(PM)、正大(PB)、正很大(PL)。論域為： 其隸屬度函數(shù)取高斯型，隸屬函數(shù)表示如圖1-6所示。圖1-4 溫度偏差的模糊化圖1-5 溫差變化率的模糊化圖1-6 壓縮機運轉頻率變化率的模糊化2模糊控制規(guī)則的確定模糊控制的基本思想是把人類專家對特定的被控對象或過程的控制策略總結成一系列以“IF（條件）THEN（作用）”形式表示的控制規(guī)則,通過模糊推理得到控

8、制作用集，作用于被控對象或過程。對于雙輸入單輸出的二維模糊控制器，其規(guī)則描述為：ifE = A and= B then= C模糊控制規(guī)則是模糊控制器的核心，它的質量直接影響系統(tǒng)的響應特性?？紤]到空調系統(tǒng)被控制對象具有純滯后的特點，在建立模糊控制規(guī)則時，要注意以下情況：(a) 在降溫起始段，為了克服大慣性引起的被調量變化緩慢，加入大的控制量。(b) 在降溫后期，為了克服大慣性引起的超調，提前施加抑制量。(c) 對于溫度上升段，也作相應處理。 根據(jù)專家對溫度現(xiàn)象的控制經(jīng)驗制定的控制規(guī)則如表1-1所示。Eec表1-1 模糊控制規(guī)則UEcNBNMNSZOPSPMPBNBPLPLPBPMPMNSNMPL

9、PBPBPSPSNSNMPLPBPMZOZONMNBPBPBPMZONMNBNBPBPMZOZONMNBNLPMPSNSNMNBNBNLPMPSNMNBNBNLNLNMNSZOPSPMPB3.模糊推理這里采用馬丹尼極小運算法16。本系統(tǒng)中是兩個輸入量E，和一個輸出量的二維模糊控制器。控制規(guī)則取為：if E is and is ，then is ：if E is and is ，then is ：if E is and is ，then is 其中，和，均為輸入輸出論上的模糊子集。已知，則可根據(jù)隸屬函數(shù)(i1，2，n)及公式(3-1)得到合成推理結果： (1-2)式中： (i1，2，n) (1-

10、3)4.解模糊模糊推理得到的結果是一個模糊量，不能直接控制被控對象，還需要采取合理的方法將模糊量轉換為精確量。解模糊的目的是根據(jù)模糊推理的結果，求得最能反映控制量的真實分布。目前最常用的解模糊有最大隸屬度法、中位數(shù)法和加權平均法三種，其中加權平均法計算量小，精度高，是模糊控制系統(tǒng)中應用較為廣泛的一種判決方法，本次設計即采用加權平均法完成解模糊。其論域是離散的，因此，計算公式為13： (3-4) 當然，實際中存在這樣的現(xiàn)象：制熱時算出的頻率為負值，即為應該制冷(或者制冷時運算出的頻率為正值)這時輸出的頻率f應限定在壓縮機的最低運行頻率上。上面講到的是模糊區(qū)域的算法，而在確定區(qū)域，如制熱時溫差E&

11、gt;3C (或制冷時E<-3C)時，直接輸出為確定量，即壓縮機最高運行頻率，而在制熱時如果E<-3C (或制冷時E>3C)時，說明即使壓縮機以最低頻運轉也難以維持熱量的平衡而達到設定溫度，這時壓縮機應該停止運轉。5.在matlab下建立模糊控制器進行仿真1.1.1 建立FIS的主框架在MATLAB提示符下鍵入Fuzzy命令，啟動FIS編輯器。命名模糊推理系統(tǒng)(FIS)為AC，并在FIS編輯器中為該系統(tǒng)添加兩個輸入變量，命名為E和EC，分別代表溫度偏差和溫度偏差變化率。如圖4-1所示。 圖4-1 建立FIS主框架1.1.2 隸屬度函數(shù)的確立雙擊E，打開隸屬度函數(shù)編輯器，并在隸

12、屬度函數(shù)編輯器的Edit下選擇“Add MFS”，在彈出的對話框中選擇隸屬度函數(shù)（MFType）和語言值個數(shù)(Number of MFS)，然后如圖4-2所示，分別將各隸屬度函數(shù)命名為NB、NM、NS、ZO、PS、PM、PB，并設置當前變量的變化范圍和其在隸屬度函數(shù)上的顯示范圍。同樣的方法設置EC和。 圖4-2確立隸屬度函數(shù)1.1.3 編輯控制規(guī)則雙擊FIS編輯器上部中央表示模糊推理系統(tǒng)的白色方塊,將打開模糊規(guī)則編輯器，根據(jù)前面各個變量之間的模糊規(guī)則表3-1（規(guī)則共計49條）依次來輸入模糊控制規(guī)則。這是兩個輸入和單輸出的控制規(guī)則。規(guī)則觀察器以非常詳細的方式顯示了特定輸入下每條控制規(guī)則是如何起作

13、用的，以及隸屬度函數(shù)形狀的變化對輸出的影響，如圖4-3所示。 圖4-3 控制規(guī)則編輯1.1.4 規(guī)則觀測器和曲面觀測器現(xiàn)在我們可以用規(guī)則觀測器rule viewer和曲面觀測器surface來查看模糊規(guī)則推理和輸出曲面。如圖4-4、圖4-5所示。圖4-4 規(guī)則觀測器圖4-5 曲面觀測器1.2 Simulink下系統(tǒng)建模仿真1.2.1 對象模型的確定由專家的經(jīng)驗可知空調的數(shù)學模型是一個非常復雜的高階系統(tǒng)，一般用帶純滯后的二階慣性系統(tǒng)可到達控制效果，我們可用下面的模型作為本次仿真的數(shù)學模型12： (4-1)其中：=25，=12.5，=20。1.2.2 控制系統(tǒng)模型的建立利用所學的自動控制原理的知識，在MATLAB工作區(qū)鍵入simulink命令，建立仿真模型，在打開的simulink庫（Simulink Library Browser）中選擇系統(tǒng)模型中所需要的Constant、Gain、Derivative、Saturation、Fuzzy Logic Controller、Transport Delay、Transfer Fcn、Subsystem及scope等模塊，連接各個模塊并設置各模塊參數(shù)，建立的控制系統(tǒng)模型如圖4-6所示。運行“Fuz