智能控制課程設(shè)計任務(wù)書

1、智能控制課程設(shè)計任務(wù)書題目：1. 模糊控制算法研究 2. Speed control design for a vehicle system using fuzzy logic 3. 模糊自適應(yīng)整定PID控制一、 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)容及實現(xiàn)功能，結(jié)果分析、收獲或不足， 程序清

2、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。(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效果較好。(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

3、較模糊控制和PID控制的魯棒性。(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，思考模糊控制相對于傳統(tǒng)控制的優(yōu)點。2. Speed control design for a vehicle system using fuzzy logic(1) Model description of the automobileThe dynamics of the automobile are given as followsWhere is the control input ( represents a throttle inp

4、ut and represents a brake input), is the mass of the vehicle, is its aerodynamic drag, is a constant frictional force, is the driving/braking force, and sec is saturated at ).We can use fuzzy control method to design a cruise control system. Obviously, the fuzzy cruise control design objective is to

5、 develop a fuzzy controller that regulates a vehicles speed to a driver-specified value. (2) Speed control design using fuzzy logic i) Design of PI fuzzy controllerSuppose that we wish to be able to track a step or ramp change in the driver-specified speed value very accurately. A “PI fuzzy controll

6、er” can be used as shown in Fig. 2. In Fig. 2, the fuzzy controller is denoted by ; andare scaling gains; and is the input of the integrator. Fig. 2 Speed control system using a PI fuzzy controllerFind the differential equation that describes the closed-loop system. Let the state be and find a syste

7、m of three first-order ordinary differential equations that can be used by the Runge-Kutta method in the simulation of the closed-loop system. is used to represent the controller in the differential equations. For the reference input, three different test signals can be used as follows:a: Test input

8、 1 makes =18m/sec (40.3 mph) for and 22 m/sec (49.2 mph) for .b: Test input 2 makes =18m/sec (40.3 mph) for and increases linearly (a ramp) from 18 to 22 by , and then for .c: Test input 3 makes =22 for and we use as the initial condition (this represents starting the vehicle at rest and suddenly co

9、mmanding a large increase speed).ii) Design of PI fuzzy controllerSuppose that you are concerned with tracking a step change in accurately and that you use the PD fuzzy controller shown in Fig. 3. To represent the derivative, simply use a backward differenceWhere is the integration step size in your

10、 simulation (or it could be your sampling period in an implementation). Fig. 3 Speed control system using a PD fuzzy controller Design a PD fuzzy controller to get less than 2% overshoot, a rise-time between 7 and 10 sec. and a settling time of less than 10 sec for test input 1 defined in a). Also,

11、for the ramp input ( test input 2 in 1) it must have less than 1 mph steady-state error to the ramp (i.e., at the end of the ramp part of the input, have less than 1 mph error).3. 模糊自適應(yīng)整定PID控制圖4 自適應(yīng)模糊PID控制結(jié)構(gòu)圖自適應(yīng)模糊PID控制結(jié)構(gòu)如圖4所示。假設(shè)系統(tǒng)的模型可以用傳遞函數(shù)表示為。（1）用Matlab中的Simulink工具箱，組成一個自適應(yīng)模糊PID控制系統(tǒng)，如圖5所示。 圖5 自適應(yīng)模糊

12、PID控制系統(tǒng)仿真圖其中的模糊自調(diào)整機構(gòu)如圖6所示。圖6 模糊自調(diào)整機構(gòu)仿真模型（2）采用模糊PID控制算法，設(shè)計出能跟蹤給定輸入的自適應(yīng)模糊PID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。（3）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。（4） 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，思考自適應(yīng)模糊PID控制相對于傳統(tǒng)控制及模糊控制的優(yōu)點。三、 課程設(shè)計的考核方式及評分方法1 考核方式課程設(shè)計結(jié)束時，在機房當場驗收2

13、. 評分依據(jù) (1) 出勤率 (2) 課程設(shè)計準備工作 (3) 課程實際期間紀律 (4) 課程設(shè)計運行結(jié)果 (5) 課程設(shè)計報告四、 參考資料 1K. M. Passino and S. Yurkovich. Fuzzy control, 1st edn, Addision Wesley Longman, Colifornia, 1997. 2Ioannou, P.A.; Chien, C.C. "Autonomous Intelligent Cruise Control," IEEE Trans. on Vehicular Technology, 42(4) :

14、657 672, 1993. 3Mayr, R. “Intelligent cruise control for vehicles based on feedback linearization”. Proc. of American Control Conference, pp. 16-20, 1994. 4易繼楷，候媛斌. 智能控制技術(shù). 北京：北京工業(yè)大學出版社，1999。 5孫增圻. 智能控制理論與技術(shù). 北京：清華大學出版社，1997。 6李國勇. 智能控制及其Matlab實現(xiàn). 電子工業(yè)出版社，2005。 7吳曉莉，林哲輝. MATLAB輔助模糊系統(tǒng)設(shè)計.西安：西安電子科技大學出版

15、社，2002。 8 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，1997。附：1. 用Matlab進行模糊控制仿真過程演示假設(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。要對該對象進行模糊控制仿真研究，模型的建立過程可以采用如下步驟： 啟動Simulink。打開Matlab程序，并在該窗口鍵入Simulink來運行Simulink，或點擊工具欄上Simulink按鈕，這時Simulink就顯示其所包含的子模塊庫。 創(chuàng)建一個新模型。在File 菜單中選擇New-Model，Simulink就創(chuàng)建一個新的窗口。 向窗口拷貝模塊。例如

16、，拷貝階躍輸入Step模塊，具體操作為：在Simulink窗口中用鼠標點擊Source圖標，這樣就打開了Source Library 中所有的模塊；要從Source Library中拷貝Step模塊，可以用鼠標單擊該模塊，然后拖動鼠標把它移到自己的模型窗口中，并在所需要放的位置松開鼠標，這時Step模塊就出現(xiàn)在自己的模型窗中。其它需要拷貝模塊請參考圖1，這些模塊分別在Math庫、Continuous庫、Discontinuous庫、Signal Routing庫以及Sink庫中找到，方法同Step模塊。在Matlab的命令窗口輸入命令Fuzzy，進入圖形用戶界面(GUI)窗口。根據(jù)控制規(guī)則和所

17、選擇的隸屬度函數(shù)，利用模糊推理系統(tǒng)(FIS )編輯器可以建立一個FIS文件，取名為fuzzycontrol.fis。在Fuzzy Logic Toolbox中將Fuzzy Logic Controller模塊找到，用鼠標將相應(yīng)模塊拖入窗口中即可。 模塊之間的連接線。在前一模塊的輸出端按下鼠標，然后拖動鼠標到所需連接模塊的輸入端，此時松開鼠標，兩個模塊就連接好了。 模塊與其它兩個模塊之間連接線的連接。例如圖1，要把Sum塊與后面的Gain模塊和Derivative模塊分別連接，就要在按下鼠標按鈕的同時，按住Ctrl鍵，然后拖動鼠標到Gain模塊和Derivative模塊的輸入端口。 模塊對應(yīng)參數(shù)

18、的改變。用鼠標雙擊需要修改參數(shù)的模塊，就可以根據(jù)實際情況修改各個參數(shù)。例如打開Gain模塊，直接把Gain參數(shù)改為需要的值，又如傳函模塊，根據(jù)給定的已知傳函，把Transfer Fcn中的Numerator由默認的1改為40。Denominator 由默認的1 1 1改為600 70 1。其他模塊參數(shù)的修改類同?？傊鶕?jù)設(shè)計要求來修改各個模塊的參數(shù)。 打開模糊推理系統(tǒng)數(shù)據(jù)文件。在MATLAB的命令窗口中輸入指令:fuzzy=readfis(fuzzycontrol.fis)，這樣就在基本工作空間中建立起了模糊推理系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)變量fuzzycontrol。 仿真結(jié)果的演示a. 打開Scope模塊，對Scope的參數(shù)進行適當修改。b. 在模型窗口中的Simulin