智能控制-課程設(shè)計(jì)-模糊控制算法研究

模糊控制算法研究一、課程設(shè)計(jì)的目的：1.通過本次課程設(shè)計(jì)，進(jìn)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(jì)過程。2.提高學(xué)生有關(guān)控制系統(tǒng)的程序設(shè)計(jì)能力；3.熟悉Matlab語言以及在智能控制設(shè)計(jì)中的應(yīng)用。二、課程設(shè)計(jì)的基本內(nèi)容：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。圖1模糊控制系統(tǒng)Simulink仿真模型圖1、用Matlab中的Simulink工具箱，組成一個(gè)模糊控制系統(tǒng)，如圖1所示。2、采用模糊控制算法，設(shè)計(jì)出能跟蹤給定輸入的模糊控制器，對被控系統(tǒng)進(jìn)行仿真，繪制出系統(tǒng)的階躍響應(yīng)曲線。（1）模糊集合及論域的定義對誤差E、誤差變化EC機(jī)控制量U的模糊集合及其論域定義如下：E、EC和U的模糊集合均為：{NB、NM、NS、0、PS、PM、PB}E和EC的論域?yàn)椋簕-6、-5、-4、-3、-2、-1、0、1、2、3、4、5、6}U的論域?yàn)椋簕-7、-6、-5、-4、-3、-2、-1、0、1、2、3、4、5、6、7}上述的三個(gè)模糊集合都選取了7個(gè)元素，主要目的是著眼于提高穩(wěn)態(tài)精度。E、EC和U的隸屬度函數(shù)圖形如圖2,3,4所示：圖2變量E的隸屬度函數(shù)圖3變量EC的隸屬度函數(shù)圖4變量U的隸屬度函數(shù)（2）模糊控制規(guī)則設(shè)計(jì)模糊控制規(guī)則如下表所示：表1模糊控制規(guī)則EUECNBNMNS0PSPMPBNBPSPSPSPSPMPBPBNMNSPSPSPSPMPMPBNSNMNS00PSPMPM0NBNMNS0PSPMPMPSNBNMNS00PSPMPMNBNBNMNSNSPSPSPBNBNBNMNSNSNSPS（3）系統(tǒng)的參數(shù)選擇系統(tǒng)所選用的參數(shù)為：Saturation、Saturation1、Saturation2的范圍分別為：[-66]、[-66]、[-77]，TransportDelay=2S。通過調(diào)試得到PID模糊控制的參數(shù)：Gain1=2.3，Gain=1.8，Gain2=0.07（4）仿真結(jié)果：系統(tǒng)的階躍響應(yīng)曲線如圖5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5階躍輸入的響應(yīng)曲線圖本設(shè)計(jì)中控制系統(tǒng)性能的要求為：σp=20%-30%，τs由圖5中曲線可知：σpτsess圖6、系統(tǒng)開環(huán)傳函的bode圖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。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7變量E的隸屬度函數(shù)圖8變量EC的隸屬度函數(shù)圖9變量U的隸屬度函數(shù)此時(shí)系統(tǒng)的階躍響應(yīng)曲線為：圖10系統(tǒng)的階躍響應(yīng)曲線由圖10中曲線可知道：στe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。此時(shí)系統(tǒng)的超調(diào)量變大，上升時(shí)間增大，穩(wěn)態(tài)誤差變大。4、給系統(tǒng)加上擾動(dòng)，觀察此時(shí)的階躍響應(yīng)曲線，看系統(tǒng)是否仍然穩(wěn)定，并與無擾動(dòng)情況下的階躍響應(yīng)曲線進(jìn)行比較。并比較模糊控制和PID控制的魯棒性。(1)加擾動(dòng)時(shí)的模型圖如圖11所示（其中step1為幅值為0.02的階躍信號）。圖11加擾動(dòng)后的系統(tǒng)模型圖系統(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：σpτsess分析：由數(shù)據(jù)可知，系統(tǒng)加上擾動(dòng)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Saturation2之前加的擾動(dòng)，相當(dāng)于被控制對象的輸入量在對應(yīng)時(shí)刻又并聯(lián)了一個(gè)輸入，從而在對應(yīng)的各個(gè)時(shí)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(shí)間變小，與實(shí)驗(yàn)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(shí)的控制效果。并與ＰＩＤ控制器作用下系統(tǒng)參數(shù)發(fā)生變化時(shí)的控制效果進(jìn)行比較，思考模糊控制相對于傳統(tǒng)控制的優(yōu)點(diǎn)。（1）當(dāng)系統(tǒng)開環(huán)增益k分別取k=35,k=40和k=45時(shí)系統(tǒng)的階躍響應(yīng)如圖13所示。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(shí)τ分別取τ=1.5s、τ=2s和τ=2.5s時(shí)系統(tǒng)的階躍響應(yīng)如圖14所示。圖14系統(tǒng)純滯后時(shí)間變化對系統(tǒng)階躍響應(yīng)的影響（3）當(dāng)系統(tǒng)慣性時(shí)間常數(shù)T2分別取T2=50s、T圖15系統(tǒng)較大的時(shí)間常數(shù)變化對系統(tǒng)階躍響應(yīng)的影響從圖13可以看出增大K值，系統(tǒng)的上升時(shí)間減小，此時(shí)超調(diào)量稍有增加；從圖14可以看出當(dāng)系統(tǒng)的純滯后時(shí)間增大時(shí)，系統(tǒng)的超調(diào)量增加較大。從圖15可以看出系統(tǒng)的慣性時(shí)間常數(shù)增大后使系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能有所降低，當(dāng)時(shí)間常數(shù)T2增大時(shí)上升時(shí)間增大，但超調(diào)量有所降低。三、模糊控制的優(yōu)點(diǎn)通過本設(shè)計(jì)可以知道，模糊控制具有能夠得到良好的動(dòng)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(shí)驗(yàn)中是已知道的），適應(yīng)性強(qiáng)，上升時(shí)間快，魯棒性好。與PID控制相比有著很大的優(yōu)勢，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(dòng)態(tài)響應(yīng)性能，并且魯棒性差。當(dāng)然，模糊控制也有著自身的缺點(diǎn)，容易受到模糊規(guī)則等級的限制而引起誤差，需要進(jìn)一步改進(jìn)。四、總結(jié)通過這次《模糊控制算法研究》課程設(shè)計(jì)增加了對模糊調(diào)節(jié)器