实验一模糊控制器的MATLAB仿真

实验一 模糊控制器的MATLAB 仿真

一、实验目的

本实验要求利用MATLAB/SIMULINK 与FUZZYTOOLBOX 对给定的二阶动态系统，确定模糊控制器的结构，输入和输出语言变量、语言值及隶属函数，模糊控制规则；比较其与常规控制器的控制效果；研究改变模糊控制器参数时，系统响应的变化情况；掌握用 MATLAB 实现模糊控制系统仿真的方法。

二、实验设备：计算机系统、Matlab 仿真软件 三、实验原理

模糊控制器它包含有模糊化接口、规则库、模糊推理、清晰化接口等部分，输人变量是过程实测变量与系统设定值之差值。输出变量是系统的实时控制修正变量。模糊控制的核心部分是包含语言规则的规则库和模糊推理。模糊推理就是一种模糊变换，它将输入变量模糊集变换为输出变量的模糊集，实现论域的转换。工程上为了便于微机实现，通常采用“或”运算处理这种较为简单的推理方法。Mamdani 推理方法是一种广泛采用的方法。它包含三个过程：隶属度聚集、规则激活和输出总合。模糊控制器的体系结构如图1所示。

图1 模糊控制器的体系结构

四、实验步骤

（1）对循环流化床锅炉床温，对象模型为

()()1140130120

++s s

采用simulink 图库，实现常规PID 和模糊自整定PID 。

（2）确定模糊语言变量及其论域：模糊自整定PID 为2输入3输出的模糊控制器。该模糊控制器是以|e|和|ec|为输入语言变量，Kp 、Ki 、Kd 为输出语言变量，其各语言变量的论域如下：

误差绝对值：e={0，3，6，10}；

误差变化率绝对值：ec={0，2，4，6}；

输出Kp：Up={0，0.5，1.0，1.5}；

输出Ki：Ui={0，0.002，0.004，0.006}；

输出Kd：Ud={0，3，6，9}。

（3）语言变量值域的选取：输入语言变量|e|和|ec|的值域取值“大”(B)、“中”(M)、“小”(s)和“零”(Z) 4种；输出语言变量Kp、Ki、Kd的值域取值为“很大”(VB)、“大”(B)、“中”(M)、“小”(s) 4种。

步骤如下：

在MATLAB控制窗口输入：Fuzzy回撤

增加输入变量和输出变量：

修改输入变量和输出变量的名称得到：

双击每个输入变量和输出变量进行分别设计：

（4）规则的制定：根据PID参数整定原则及运行经验，可列出输出变量Kp、Ki、Kd 的控制规则表。

B M S Z

B B M B B

M VB B VB VB

S VB B VB B

Z VB B B S

●表2 参数Ki的整定规则

B M S Z

B S M B VB

M S M VB VB

S S S VB VB

Z S S VB VB

B M S Z

B S S S S

M M M M M

S M M M M

Z VB VB VB VB 设计模糊控制规则表；

（5）推理方法的确定

➢隐含采用“mamdani”方法：max-min；

➢推理方法，即“min”方法；

➢去模糊方法：面积中心法；

➢选择隶属函数的形式：三角型。

回到MATLAB主界面，可得到如下：

由此，利用FUZZYTOOLS的GUI工具建立模糊控制器(PID_auot.fis)之后，在Simulink 环境下，构建模糊自整定PID和常规PID控制系统，如图2。

120

140s+1

Transfer Fcn3

1

30s+1

Transfer Fcn2

120

140s+1

Transfer Fcn1

1

30s+1

Transfer Fcn

In1

kp

ki

kd

u

Subsystem

Step1

Step

Scope

PID

PID Controller

5.1

Gain1

12

Gain

Fuzzy Logic

Controller

du/dt

Derivative

|u|

Abs

其中：双击Fuzzy Logic Controller，设置如下：

Subsystem设计如下：

1

u

Product2

Product1

Product

1

s

Integrator

du/dt

Derivative

4

kd

3

ki

2

kp

1

In1

图2 模糊自整定PID和常规PID控制仿真系统

（6）给定输入为阶跃信号，运行程序，记录实验数据和控制曲线。

（7）比较两种控制器的控制效果；

（8）当通过改变模糊控制器的比例因子时，分析系统响应有什么变化？

五、实验报告要求

给出模糊自整定 PID 控制系统的设计过程和仿真结构图，记录试验数据和曲线，分析试验结果。

六、思考题

1、模糊控制器中隶属函数形式、推理方法、去模糊方法的改变、对控制效果有什么影响？

2、模糊控制规则如何建立？