模糊控制算法研究

1、電氣工程學(xué)院課程設(shè)計報告課程名稱： 智能控制 設(shè)計題目： 模糊控制算法研究 專業(yè)班級： 自動化 學(xué)號： 2012 姓名： 時間： 2016年1月2-8日 以下由指導(dǎo)教師填寫分項成績：出勤 成品 答辯及考核 總 成 績：總分 成績 指導(dǎo)教師（簽名）： 一、 課程設(shè)計的目的和要求目的：1. 通過本次課程設(shè)計，進一步了解模糊控制的基本原理、模糊模型的建立和模糊控制器的設(shè)計過程； 2. 提高學(xué)生有關(guān)控制系統(tǒng)的程序設(shè)計能力； 3. 熟悉Matlab語言以及在智能控制設(shè)計中的應(yīng)用。要求：首先選擇課程設(shè)計的題目，充分理解設(shè)計內(nèi)容，并獨立完成實驗和課程設(shè)計報告。課程設(shè)計報告要求：課程設(shè)計題目，課程設(shè)計具體內(nèi)容

2、及實現(xiàn)功能，結(jié)果分析、收獲或不足，程序清單、參考資料。二、 課程設(shè)計的基本內(nèi)容1 模糊控制算法研究假設(shè)系統(tǒng)的模型可以用二階加純滯后表示，即傳遞函數(shù)為。其中各參數(shù)分別為。(1) 用Matlab中的Simulink工具箱，組成一個模糊控制系統(tǒng)，如圖1所示。圖1 模糊控制系統(tǒng)Simulink仿真模型圖（2）采用模糊控制算法，設(shè)計出能跟蹤給定輸入的模糊控制器，對被控系統(tǒng)進行仿真，繪制出系統(tǒng)的階躍響應(yīng)曲線。在模糊控制中，將系統(tǒng)輸出誤差e;誤差導(dǎo)數(shù)de/dt 和誤差積分edt 作為模糊控制器的輸入；模糊控制器的輸出為u（t）=Ku Fuzzy(Ke e,kd de/dt)-kiedt其中，模糊控制器的輸入

3、信號誤差e-6 6,誤差導(dǎo)數(shù)de/dt-6 6,輸出信號u-7 7均模糊化成七個等級NB、NM、NS、0、PS、PM、PB。積分項用于消除控制系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差。Input1 input2和output1的隸屬度函數(shù)圖形如圖2,3,4 所示：圖2 變量input1的隸屬度函數(shù)圖3 變量input2的隸屬度函數(shù)圖4 變量output的隸屬度函數(shù)模糊控制規(guī)則設(shè)計模糊控制規(guī)則如下表所示：表1 模糊控制規(guī)則eude/dtNBNMNS0PSPMPBNBPSPSPSPSPMPBPBNMNSPSPSPSPMPMPBNSNMNS00PSPMPM0NBNMNS0PSPMPMPSNBNMNS00PSPMPMNBNBN

4、MNSNSPSPSPBNBNBNMNSNSNSPS 模糊規(guī)則編輯器 圖5 模糊規(guī)則編輯器圖6 模糊規(guī)則瀏覽器 圖7 模糊推理的輸入輸出曲面瀏覽器正確設(shè)置仿真參數(shù)transport Delay=2S。通過系統(tǒng)整定得到PID模糊控制的參數(shù)： kp=2.3，kd=1.8，ki=0.07仿真結(jié)果：系統(tǒng)的階躍響應(yīng)曲線如圖8所示，其中上方的曲線代表系統(tǒng)的階躍響應(yīng)，下方的曲線是系統(tǒng)的模糊控制量的變化。圖8 階躍輸入的響應(yīng)曲線圖由圖8中曲線可知：無超調(diào)現(xiàn)象，上升時間約為120s，系統(tǒng)有穩(wěn)態(tài)誤差 (3) 改變模糊控制器中模糊變量的隸屬度函數(shù)，分析隸屬度函數(shù)和模糊控制規(guī)則對模糊控制效果的影響。比較那種情況下的控制

5、效果較好。如下圖所示改變模糊控制器中的隸屬度函數(shù)為梯形隸屬函數(shù)。圖9 變量input1的隸屬度函數(shù)圖10 變量input2的隸屬度函數(shù)圖11 變量output的隸屬度函數(shù)此時系統(tǒng)的階躍響應(yīng)曲線為：圖 12 系統(tǒng)的階躍響應(yīng)曲線由圖12中曲線可知道：系統(tǒng)無超調(diào)，上升時間130s,系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差增大由以上的仿真結(jié)果可以看出梯形隸屬度函數(shù)的系統(tǒng)性能沒有三角形隸屬度函數(shù)的系統(tǒng)性能好。上升時間增大，穩(wěn)態(tài)誤差變大。（4）給系統(tǒng)加上擾動，觀察此時的階躍響應(yīng)曲線，看系統(tǒng)是否仍然穩(wěn)定，并與無擾動情況下的階躍響應(yīng)曲線進行比較。并比較模糊控制和PID控制的魯棒性。(1)加擾動時的模型圖如圖13所示，其中step1為幅值

6、為0.01的階躍信號。圖13 加擾動后的系統(tǒng)模型圖系統(tǒng)的階躍響應(yīng)曲線為： 圖13 系統(tǒng)的階躍響應(yīng)曲線由圖13中曲線可知道：系統(tǒng)有超調(diào)，上升時間110s,穩(wěn)態(tài)誤差減小分析：由數(shù)據(jù)可知，系統(tǒng)加上擾動之后，系統(tǒng)仍然是穩(wěn)定的，系統(tǒng)性能指標(biāo)變化不大，說明有著良好的魯棒性。究其原因，在u之前加的擾動，相當(dāng)于被控制對象的輸入量在對應(yīng)時刻又并聯(lián)了一個輸入，從而在對應(yīng)的各個時刻相當(dāng)于增益變大；顯而易見，的增大，有助于系統(tǒng)的穩(wěn)定，但是會使超調(diào)量變大。調(diào)整時間變小，與實驗的結(jié)果是吻合的。（5）改變系統(tǒng)的參數(shù)，了解模糊控制在系統(tǒng)參數(shù)發(fā)生變化時的控制效果。并與控制器作用下系統(tǒng)參數(shù)發(fā)生變化時的控制效果進行比較，思考模糊控

7、制相對于傳統(tǒng)控制的優(yōu)點。（1）當(dāng)系統(tǒng)開環(huán)增益k分別取k=60,k=40和k=30時系統(tǒng)的階躍響應(yīng)如圖14圖 15 圖 16所示。 圖 14 增益k=60 圖 15 增益 k=40 圖16 增益k=30圖13系統(tǒng)開環(huán)增益變化對系統(tǒng)階躍響應(yīng)的影響（2）當(dāng)系統(tǒng)純延時分別取=1.5s、=2s和=2.5s時系統(tǒng)的階躍響應(yīng)如圖17圖18 圖 19所示。 圖17 純滯后 =1.5s 圖 18 純滯后 =2s 圖19 純滯后 =2.5s（3）當(dāng)系統(tǒng)慣性時間常數(shù)T2分別取T2=50s 、T2=60s和T2=70s時系統(tǒng)的階躍響應(yīng)如圖21 22 23所示。 圖 20 T2 =50圖 21 T2 =60圖 22 T

8、2 =70從圖14 15 16可以看出增大K值，系統(tǒng)的上升時間減小，此時逐漸有超調(diào)，上升時間增大；從圖17 18 19可以看出當(dāng)系統(tǒng)的純滯后時間增大時，系統(tǒng)逐漸有超調(diào)。從圖20 21 22可以看出系統(tǒng)的慣性時間常數(shù)增大后使系統(tǒng)響應(yīng)上升時間增大，但超調(diào)漸漸消失。三、模糊控制的優(yōu)點通過本設(shè)計可以知道，模糊控制具有能夠得到良好的動態(tài)響應(yīng)性能，并且不需要知道被控對象的數(shù)學(xué)模型，當(dāng)然本實驗中是已知道的，適應(yīng)性強。 模糊控制一般是用誤差和誤差導(dǎo)數(shù)作為控制器的輸入量，因而它本質(zhì)上相當(dāng)于一種非線性的PD控制，為了消除穩(wěn)態(tài)誤差，需要加入積分作用。PID控制是最簡單實用的控制方法，它可以依靠數(shù)學(xué)模型或者經(jīng)驗和試湊來確定。采用PID控制雖然穩(wěn)態(tài)性能較好，但是難以得到滿意的動態(tài)響應(yīng)性能當(dāng)然，模糊控制也有著自身的缺點，每次增加一個輸入量就會大大增加模糊控制器設(shè)計和計算的復(fù)雜性，而且容易受到模糊規(guī)則等級的限制而引起誤差。四、總結(jié)通過模糊控制算法研究的課程設(shè)計增加了對模糊調(diào)節(jié)器的