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模糊控制
姓名： 張 艷 晶
學(xué)號(hào)：
班級(jí)： 自動(dòng)化
學(xué)院：電子信息工程學(xué)院
基于MATLAB的模糊控制器的設(shè)計(jì)與仿真
1.針對(duì)一個(gè)被控對(duì)象，定義模糊控制器的輸入變量和輸出變量。
2.編輯輸入、輸出變量隸屬函數(shù)。
3.設(shè)計(jì)模糊控制器的控制規(guī)則。
4.仿真驗(yàn)證控制效果。
要求：設(shè)定一個(gè)被控二階函數(shù) ， 設(shè)計(jì)模糊控制器。
1、 實(shí)驗(yàn)原理
1、模糊控制原理：模糊邏輯控制又稱模糊控制，是以模糊集合論
2、，模糊語(yǔ)言變量和模糊邏輯推理為基礎(chǔ)的一類計(jì)算機(jī)控制策略，模糊控制是一種非線性控制。圖1為常規(guī)的模糊控制設(shè)計(jì)模型。
圖1 常規(guī)模糊控制系統(tǒng)原理圖
針對(duì)模糊控制器每個(gè)輸入、輸出，各自定義一個(gè)語(yǔ)言變量。因?yàn)閷?duì)控制輸出的判斷，往往不僅根據(jù)誤差的變化，而且還根據(jù)誤差的變化率來(lái)進(jìn)行綜合評(píng)判。所以在模糊控制器的設(shè)計(jì)中，通常取系統(tǒng)的誤差值e和誤差變化率ec為模糊控制器的兩個(gè)輸入，則在e的論域上定義語(yǔ)言變量“誤差E”，在ec的論域上定義語(yǔ)言變量“誤差變化率EC”；在控制量u的論域上定義語(yǔ)言變量“控制量U”。通過檢測(cè)獲取被控量的精確值，然后將此量與給定值比較得到誤差信號(hào)e，對(duì)誤差取微分得到誤差變化率ec
3、，再經(jīng)過模糊化處理把分明集輸入量轉(zhuǎn)換為模糊集輸入量，模糊輸入變量根據(jù)預(yù)先設(shè)定的模糊規(guī)則，通過模糊邏輯推理獲得模糊控制輸出量，該模糊輸出變量再經(jīng)過去模糊化處理轉(zhuǎn)換為分明集控制輸出量。
2、 PID控制原理：在模擬控制系統(tǒng)中，控制器最常用的控制規(guī)律是PID控制。PID控制器是一種線性控制器。它根據(jù)給定值與實(shí)際輸出值之間的偏差來(lái)控制的。其傳遞函數(shù)的形式，
PID控制原理框圖如圖2所示。
式中Kp——比例系數(shù)；Ti——積分時(shí)間常數(shù)；Td——微分時(shí)間常數(shù)。
圖2 PID控制系統(tǒng)原理框圖
PID控制器各環(huán)節(jié)的作用如下：
（1）、比例環(huán)節(jié)：成比例地反應(yīng)控制系統(tǒng)的偏差信號(hào)，偏差一旦產(chǎn)生，控制
4、器立即產(chǎn)生控制作用，以減小偏差。增大比例系數(shù)一般將加快系統(tǒng)的響應(yīng)，在有靜差的情況下有利于減小靜差，但是過大的比例系數(shù)會(huì)使系統(tǒng)有比較大的超調(diào)，并產(chǎn)生震蕩，使穩(wěn)定性變壞。
（2）、積分環(huán)節(jié)：主要消除靜差，提高系統(tǒng)的誤差度。積分作用的強(qiáng)弱取決于積分時(shí)間常數(shù)Ti，Ti越大，積分作用越弱，反之越強(qiáng)。增大積分時(shí)間有利于減小超調(diào)，減小震蕩，使系統(tǒng)的穩(wěn)定性增加，但是系統(tǒng)靜差消除時(shí)間變長(zhǎng)。
（3）、微分環(huán)節(jié)：反應(yīng)偏差信號(hào)的變化趨勢(shì)（變化速率），并能在偏差信號(hào)變得太大之前在系統(tǒng)中引入一個(gè)有效的早期修正信號(hào)，從而加快系統(tǒng)的動(dòng)作速度，減少調(diào)節(jié)時(shí)間。增大微分時(shí)間D有利于加快系統(tǒng)的響應(yīng)速度，使系統(tǒng)超調(diào)量減小，穩(wěn)定性增
5、加，但系統(tǒng)對(duì)擾動(dòng)的抑制能力減弱。
2、 設(shè)計(jì)步驟
1）模糊控制器設(shè)計(jì)
1、確定模糊控制器為單變量二維模糊控制器
2、定義輸入、輸出模糊集
對(duì)誤差e、誤差變化ec及控制量u的模糊集及其論域定義如下：
e，ec和u的模糊集均為：
e，ec的論域均為
u的論域?yàn)?
1、定義輸入、輸出隸屬函數(shù)
2、建立模糊控制規(guī)則。根據(jù)表1 模糊控制規(guī)則表確定49條模糊規(guī)則?？刂破鞯捻憫?yīng)表見表2
表1 模糊規(guī)則表
表2 模糊響應(yīng)表
6、模糊推理、反模糊化
在本控制中，模糊推理采用Manmdani型推理算法，逆模糊用重心平均法（cent roid）。
2）根據(jù)上述
6、步驟，進(jìn)行模糊控制器仿真，運(yùn)行后生成一個(gè)fuzzy.fis的模糊控制器，結(jié)構(gòu)如下：
圖3 模糊控制器
圖4 誤差隸屬函數(shù)定義
圖5 誤差變化隸屬函數(shù)定義
圖6 輸出隸屬函數(shù)定義
3)、在simulink環(huán)境下搭建模糊控制系統(tǒng)，和PID控制系統(tǒng)，設(shè)計(jì)輸入幅值為1的階躍信號(hào)，并用同一示波器顯示輸出響應(yīng)結(jié)果，搭建模型結(jié)果如下：
4） 、對(duì)比分析曲線結(jié)果，修正設(shè)計(jì)參數(shù)，觀察分析響應(yīng)曲線變化。
3、 實(shí)驗(yàn)結(jié)果
被控對(duì)象：
各控制系統(tǒng)輸出響應(yīng)曲線如下：
圖7 控制系統(tǒng)輸出曲線圖
4、 結(jié)果分析
由圖形結(jié)果分析可知模糊控制器和PID控制對(duì)系統(tǒng)性能都有了改善，模糊控制器比PID控制器，動(dòng)態(tài)性能很好，上升速度快，基本沒有超調(diào)。
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