模糊控制实验

模糊控制器与常规控制器混合结构的控制系统设计

目的：模糊控制是智能控制中的一个重要分支。通过模糊与常规混合结构控制系统的设计可以使学生真正掌握在课堂上学到的模糊控制器的设计方法步骤；了解模糊

控制与常规控制的特点；同时能够掌握利用MA TLAB仿真实验平台完成模糊控

制系统的设计和调试的基本技巧。

环境：利用MATLAB7.1仿真实验平台完成系统的设计及调试任务。

原始资料：

1.被控对象为一个带有迟延和惯性的非线性控制对象。通过现场动态特性试验得

知：随运行工况的不同，对象动态特性会发生较大范围的变化。具体变化情况如

下表所示：

2.被控制对象的干扰信号通常为阶跃信号。

基本要求：

1.采用模糊控制和常规控制的混合结构，实现对被控对象的有效控制，使被控系统

的衰减率满足ψ=0.75~0.9 的要求；

2.根据模糊控制器的设计原则和方法, 完成模糊控制器的设计（具体包括：模糊控制

器输入、输出变量维数和变化范围的确定，量化等级和量化因子的确定，在各输入

和输出语言变量的量化域内定义模糊子集，模糊控制规则的确定以及模糊控制表的

确定等）；

3.对已知对象，采用以上设计的模糊控制器进行控制，当改变模糊控制器的比例因子

时，观察控制系统响应曲线的变化，并分析其变化的原因；

4.对同样的已知对象，采用常规PID控制器进行控制，观察响应曲线，并与模糊控

制系统相比较，分析各自的优缺点；

5.采用模糊控制器和常规控制器的混合结构控制系统，当对象特性发生较大的变化

时，再记录其响应曲线，并总结出混合结构控制系统的特点；

提交一份报告：要求内容全面、仿真实验数据完整、结果分析详细

一、PID控制

1、所用的模块有：PID控制器、惯性环节、延迟、加法器、示波器和阶跃信号。

2、搭建的图形如下所示：

图1 PID控制器实验模型

3、从而，在不同工况下，得到不同的运行结果如下图所示：

（a）工况一（40%负荷）(b) 工况二（50%负荷）

(c) 工况三（75%负荷）(d) 工况四（100%负荷）

图2 PID控制的仿真运行结果

在上述实验中四种工况取相同PID值如下：P=1,I=0.02,D=20。

4、结果分析：观察四种工况的不同运行结果可得出以下结论：

1）常规的PID控制器一般都具有超调量，经过计算，四种不同工况的衰减率结果如下：工况一：ψ=0.874；工况二：ψ=0.855；工况三：ψ=0.935；工况四：ψ不存在

2）当我们取相同的PID时，由上述结果易知，对于工况一、工况二和工况三，系统可以达

到稳定状态，然而对于工况四，示波器波形处于连续震荡状态而始终不能稳定，显然，这是我们不希望看到的结果，所以这说明PID控制器对于不同工况条件的自适应能力有限。当然对于工况四，如果我们再取不同PID值，系统也有可能稳定，比如：P=1,I=0.05,D=10，则结果如下：

图3 工况四在PID调节下的稳定性态

这表明PID控制器的优点就是在不同工况下均可以是系统达到稳定，而且稳定的时间与积分变量I有关：I值越小，上升时间越长；I值越大，上升时间越短。而在一般的工况下，系统稳定所需要的时间（上升时间）通常较小，即响应速度比较快。

考虑到PID控制器的优点与不足，我们采用模糊控制策略来研究相同问题。

二、模糊控制

1、所用的模块有：惯性环节、模糊、微分、比例、延迟、示波器、阶跃信号、加法器等.

2、搭建的图形如下所示：

图4 模糊控制器实验模型

对于模糊控制模型，关键问题在于模糊控制器的设计，模糊控制器设计的合理，运行结果的性态就良好，模糊控制器的设计包括以下几个方面：

1)合理的构造误差e和误差变化率ec的基本论域，本题中，两个论域均取[－6,6]．

2)合理的选取隶属度函数，本题中选取的隶属度函数为高斯函数。

3)合理的编写模糊规则库，本例，模糊规则表的合理性是运行结果的性态优劣的关键。

表1 模糊规则表

4、从而，在不同工况下，得到不同的运行结果如下图所示：

（a）工况一（40%负荷）(b) 工况二（50%负荷）

(c) 工况三（75%负荷）(d) 工况四（100%负荷）

图5 模糊控制的仿真运行结果

在上述不同工况下量化因子均取相同值：Ke=1;Kec=10;Ku=1。

5、结果分析：观察模糊控制对于四个不同工况的运行结果可以得出以下结论：

1）与常规PID控制器相比，模糊控制器超调量几乎为零；此外，模糊控制器与PID控制器相比具有调节速度快、鲁棒性好等优点，但也有需要进一步改进和提高的地方，如稳态精度欠佳。总之，具有动态特性好，但有静态偏差的特点。

2）模糊控制器不要求掌握被控对象的精确数学模型，而是根据人工控制规则组织控制决策，即对于问题的依赖性较小。这是模糊控制的一大优势。

3）综合PID控制与模糊控制的优缺点，我们可以发现它们具有较强的互补性，故而可以对问题的解决做进一步优化：建立模糊—PID混合控制器。

四、PID 与模糊控制

1、所用的模块有：惯性环节、模糊控制器、PID控制器、微分、比例、延迟、示波器、阶跃信号、加法器等.

2、搭建的图形如下所示：

图6 模糊—PID控制器实验模型

3、在不同工况下，得到不同的运行结果如下图所示：

（a）工况一（40%负荷）(b) 工况二（50%负荷）

(c) 工况三（75%负荷）(d) 工况四（100%负荷）

图7 模糊—PID控制的仿真运行结果

在PID—模糊混合控制中，对于四种不同工况，PID值与量化因子均如下所示：

P=1,I=0.02,D=20; Ke=1;Kec=10;Ku=1，即分别采用PID和模糊控制达到最佳性能时的参数。