matlab模糊控制工具箱的使用

1、matlab模糊控制工具箱的使用 本學(xué)期選修了周川老師的智能控制及應(yīng)用這門課程，大三時候曾上過周老師的英文版的控制工程基礎(chǔ)這門課程，比較喜歡周老師上課的風(fēng)格，智能控制這門課也收獲不小，模糊控制是課程中講到的第一個智能控制算法。模糊不是真的模糊，模糊是為了精確。模糊控制中涉及到一個隸屬度的概念，通常我們認(rèn)為一個事物屬于一個概念與否是確定的，比如數(shù)字電路的0與1，但是實際情況或者人們的思維習(xí)慣卻不是這樣的。比如規(guī)定18到30歲為青年，那么還差一天到18歲的人算不算青年呢？照規(guī)定看不算，但是如果我們加入概率的概念，比如說這個人90%屬于青年人，可能更符合人們的思維習(xí)慣。在其不相容原理所述：“隨著系統(tǒng)

2、的復(fù)雜程度不斷提高，人們對其精確而有意義地描述的能力不斷的降低，以致在達(dá)到某一個閾值之后，系統(tǒng)的精確性和復(fù)雜性之間呈現(xiàn)出幾乎是相互完全排斥的性質(zhì)”。我們通常所用的控制算法一般是建立在模型比較確定的情況下，而模糊控制不依賴于對象的模型就可以進(jìn)行控制決策，而且對系統(tǒng)參數(shù)變化具有較強(qiáng)的適應(yīng)性。對于模糊控制的原理，我不是很清楚，也沒有這個心情去搞清楚，感覺知道大概怎么用就可以了。Matlab中集成了模糊控制工具箱，可以使用圖像界面進(jìn)行模糊控制器的設(shè)計，極大的簡化了設(shè)計過程。下面介紹利用模糊工具箱進(jìn)行控制系統(tǒng)設(shè)計的過程。在matlab的主窗口中輸入fuzzy即可調(diào)出模糊工具箱界面，退出界面的時候會提示保

3、存，保存格式為fis，如果我們將文件保存為njust.fis，那么下次使用這個文件的時候在主窗口中輸入fuzzy njust即可。模糊控制器的建立過程如下：（1）設(shè)定誤差E、誤差變化率EC和控制量U的論域為，一般為-6 6。（2）設(shè)定E、EC、U的模糊集。一般可設(shè)為NB、NM、NS、ZO、PS、PM、PB。（3）設(shè)定隸屬度函數(shù)。有高斯型隸屬度函數(shù)、三角型隸屬度函數(shù)等。（4）設(shè)定模糊控制規(guī)則。常用的模糊控制規(guī)則如圖1所示，當(dāng)然可以根據(jù)特定的控制對象和要求進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整。圖1 常用模糊控制規(guī)則圖2 添加變量點擊Edit->Add Variable即可進(jìn)行變量的添加，在右下方可以進(jìn)行名稱的修改

4、，左下方是與或運算方式、去模糊化方式等的選擇，一般可以使用默認(rèn)方式即可。圖3 添加論域與隸屬度函數(shù)雙擊圖2中左右兩側(cè)的矩形圖像即可進(jìn)行論域與隸屬度函數(shù)編輯，點擊Edit->Add MFs即可進(jìn)行隸屬度函數(shù)的添加，右下方可以選擇隸屬度函數(shù)類型，左下方可以修改論域以及顯示范圍。圖4 添加控制規(guī)則雙擊圖2中中間的矩形圖像即可進(jìn)行模糊控制規(guī)則的編輯，根據(jù)if e or(and) ec then u的形式進(jìn)行添加規(guī)則，可以修改規(guī)則權(quán)重。點擊下方的Add rule和Delete rule即可進(jìn)行規(guī)則添加和刪除。至此完成模糊控制器的搭建。使用菜單欄中的View->Rules即可觀察設(shè)計規(guī)則，如圖

5、5所示。拖動輸入變量中間的豎直線，可以看到控制量的變化情況。圖5 觀察設(shè)計規(guī)則使用菜單欄中的View->Surface即可觀察輸入變量輸出變量的三維曲面，如圖6所示。圖6 輸入輸出曲面模糊控制系統(tǒng)的框圖如圖7所示，其中虛線內(nèi)即為建立好的模糊控制器。圖8為在matlab中建立的某模糊控制系統(tǒng)實例。其中的fuzzy logic controller模塊在simulink中的Fuzzy Logic Toolbox內(nèi)，若是找不到的話可以使用搜索功能即可。若我們保存的模糊控制器文件為njust.fis，那么雙擊圖8中的模糊控制器模塊，輸入njust即可。一般來說這個模糊控制器模塊是兩輸入一輸出的，

6、所在輸入前要添加一個向量組合工具mux。圖7 模糊控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖圖8 matlab模糊控制系統(tǒng)實例我們看到圖7中有Ke、Kec和Ku三個權(quán)系數(shù)，查閱文獻(xiàn)可知ke和kec對系統(tǒng)的動態(tài)性能影響較大，它們的大小意味著對輸入誤差和誤差變化的不同加權(quán)程度，ke變大縮短上升時間，但是增大系統(tǒng)超調(diào)；kec變大減小系統(tǒng)超調(diào)，但是響應(yīng)速率變慢。輸出比例因子ku也影響模糊控制系統(tǒng)的性能，ku過小，系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)過程變長，ku過大會導(dǎo)致系統(tǒng)震蕩。綜合調(diào)整以上三個因子，獲得所需要的控制性能。當(dāng)然它們有一定的計算方法，沒有深入研究過，不過所謂的計算方法好像也是存在問題的。這里特別要注意的是飽和模塊的上下限就是我們設(shè)定

7、的論域范圍。最后進(jìn)行模糊控制系統(tǒng)仿真的時候有兩點需要注意：一是仿真算法的設(shè)置。如果使用默認(rèn)的算法，會發(fā)現(xiàn)速度很慢，幾乎沒有進(jìn)度，需要在Simulation->Configuration Parameters中對取消過零點的限制。如圖9所示。圖9 仿真算法的修改另外需要注意的一點是模糊控制器的加載。看到論壇上很多人問為什么會報錯，很大程度上原因是因為模糊控制文件fis沒有加載到空間中。在主窗口中調(diào)出所保存的fis文件，進(jìn)行File->Export->To Workspace即可。當(dāng)然了，也可以使用文件形式進(jìn)行模糊控制器的設(shè)計，這里不討論了，很多參考書上都有相應(yīng)的函數(shù)介紹或者程序。2010年8月18日下午 njust 電工樓 204房間參考文獻(xiàn)1 劉金琨