模糊控制器的MATLAB仿真

1、實驗一 模糊控制器的MATLAB仿真一、實驗?zāi)康?本實驗要求利用MATLAB/SIMULINK與FUZZYTOOLBOX對給定的二階動態(tài)系統(tǒng)，確定模糊控制器的結(jié)構(gòu)，輸入和輸出語言變量、語言值及隸屬函數(shù)，模糊控制規(guī)則；比較其與常規(guī)控制器的控制效果；研究改變模糊控制器參數(shù)時，系統(tǒng)響應(yīng)的變化情況；掌握用 MATLAB 實現(xiàn)模糊控制系統(tǒng)仿真的方法。二、實驗原理模糊控制器它包含有模糊化接口、知識庫（規(guī)則庫、數(shù)據(jù)庫）、模糊推理機(jī)、解模糊接口等部分。輸人變量e(t)是過程實測變量y(t)與系統(tǒng)設(shè)定值s(t)之差值。輸出變量y(t)是系統(tǒng)的實時控制修正變量。模糊控制的核心部分是包含語言規(guī)則的規(guī)則庫和模糊推理機(jī)

2、。而模糊推理就是一種模糊變換，它將輸入變量模糊集變換為輸出變量的模糊集，實現(xiàn)論域的轉(zhuǎn)換。工程上為了便于微機(jī)實現(xiàn)，通常采用“或”運(yùn)算處理這種較為簡單的推理方法。Mamdani推理方法是一種廣泛采用的方法。它包含三個過程：隸屬度聚集、規(guī)則激活和輸出總合。模糊控制器的組成框圖如圖2.1所示。圖2.1 模糊控制器的組成框圖三、模糊推理系統(tǒng)的建立一個模糊推理系統(tǒng)的建立分為三個步驟：首先，對測量數(shù)據(jù)進(jìn)行模糊化；其次，建立規(guī)則控制表；最后，輸出信息的模糊判決，即對模糊量進(jìn)行反模糊化，得到精確輸出量。模糊推理系統(tǒng)的建立，往往是設(shè)計一個模糊控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)。建立一個模糊推理系統(tǒng)有兩類方法：一種是利用GUI建立模糊

3、推理系統(tǒng)；另一種是利用MATLAB命令建立。下面根據(jù)實驗內(nèi)容，利用GUI建立模糊推理系統(tǒng)。例：對循環(huán)流化床鍋爐床溫，對象模型為采用simulink圖庫，實現(xiàn)常規(guī)PID和模糊自整定PID。模糊自整定PID為2輸入3輸出的模糊控制器。1、 進(jìn)入FIS編輯器在MATLAB的命令窗口中鍵入fuzzy即可打開FIS編輯器，其界面如下圖所示。此時編輯器里面還沒有FIS系統(tǒng)，其文件名為Untitled，且被默認(rèn)為Mandani型系統(tǒng)。默認(rèn)的有一個輸入，一個輸出，還有中間的規(guī)則處理器。在FIS編輯器界面上需要做一下幾步工作。首先，模糊自整定PID為2輸入3輸出的模糊控制器，因此需要增加一個輸入兩個輸出，進(jìn)行的

4、操作為：選擇Edit菜單下的Add Variable/Input菜單項。如下圖。其次，給輸入輸出變量命名。單擊各個輸入和輸出框，在Current Variable選項區(qū)域的Name文本框中修改變量名。如下圖最后，保存系統(tǒng)。單擊File菜單，選擇Export下的To Disk項。這里將創(chuàng)建的系統(tǒng)命名為PID_auot.fis2、 進(jìn)入隸屬度函數(shù)編輯器在FIS編輯器中雙擊輸入或輸出變量的圖框就能進(jìn)入隸屬度函數(shù)編輯器。在隸屬度函數(shù)編輯器中，需要對各個變量的論域范圍、隸屬度函數(shù)進(jìn)行編輯。該模糊控制器是以|e|和|ec|為輸入語言變量，Kp、Ki、Kd為輸出語言變量，其各語言變量的論域如下：誤差絕對值：

5、e=0，3，6，10；誤差變化率絕對值：ec=0，2，4，6；輸出Kp：Up=0，0.5，1.0，1.5；輸出Ki：Ui=0，0.002，0.004，0.006；輸出Kd：Ud=0，3，6，9。如圖是編輯完成后的隸屬度函數(shù)編輯器的GUI。圖中顯示的為對應(yīng)邊變量e的隸屬度函數(shù)。3、 進(jìn)入規(guī)則編輯器雙擊FIS編輯器圖標(biāo)部分中間的方框即可打開規(guī)則編輯器。（3）語言變量值域的選?。狠斎胝Z言變量|e|和|ec|的值域取值“大”(B)、“中”(M)、“小”(s)和“零”(Z) 4種；輸出語言變量Kp、Ki、Kd的值域取值為“很大”(VB)、 “大”(B)、“中”(M)、“小”(s) 4種。（4）規(guī)則的制定

6、：根據(jù)PID參數(shù)整定原則及運(yùn)行經(jīng)驗，可列出輸出變量Kp、Ki、Kd的控制規(guī)則表。添加完成后的規(guī)則編輯器如下圖所示。4、 保存FIS結(jié)構(gòu)對于建好的FIS結(jié)構(gòu)，利用File菜單下的Export的子菜單To Disk，將FIS結(jié)構(gòu)保存到磁盤上。到此，利用FUZZYTOOLS的GUI工具建立了模糊控制器(PID_auot.fis)?？捎肎UI工具查看該推理系統(tǒng)，在View菜單中選擇Rules命令，可打開規(guī)則觀測器，查看模糊推理規(guī)則。如下圖在View菜單中選擇surface命令，可打開曲面觀測器，查看模糊推理輸出特性曲面。之后，在Simulink環(huán)境下，構(gòu)建模糊自整定PID和常規(guī)PID控制系統(tǒng)。在MATLAB的命令窗口直接鍵入“Sinmulink”并回車，即可運(yùn)行Sinmulink。運(yùn)行后顯示如下圖所示的Simulink模塊庫瀏覽器。然后單擊工具條左邊建立新模型的快捷方式，如下圖在模型窗口中用戶便可以通過選擇模塊庫中的仿真模塊，建立自己的仿真模型，并進(jìn)行動態(tài)仿真。最后構(gòu)建的模糊自整定PID和常