(论文)模糊控制系统的matlab仿真过程 the matlab simulating process of a fuzzy control system.pdf

模糊控制系统的m a t l a b 仿真过程 孙施良，王阳明 ( 上海大学，上海2 0 1 8 0 0 ) t h em a t l a bs i m u l a t i n gp r o c e s so faf u z z yc o n t r 0 1s y s t e m s u ns h i i i a n g ，w a n gy a n g m i l i g ( s h a n g h a iu n i v e r s i t y s h a n g h a i2 0 1 8 0 0 c h i n a ) 摘要：以一个车辆速度控制系统为例，阐述了使 用m a t l a b 仿真模糊控制系统的一般步骤。通过仿 真试验，着重介绍了模糊控制环节各个要素对控制 系统的影响。 关键词：s i m u l i n k ；比例因子；解模糊 中图分类号：t p 2 7 3 4 文献标识码：a 文章编号：1 0 0 1 2 2 5 7 ( 2 0 0 5 ) 0 1 一0 0 1 4 一0 3 a b s t r a c t ：t h i s p a p e rp r e s e n t s t h eu s u a l p r o c e s so fs i m u l a t i n gaf u z z yc o n t r o ls y s t e mu s i n g 收祷日期：2 0 0 4 1 1 3 0 t h et o o l o fm a t l a bs o f t w a r e t h ei n t r o d u c t i o ni s b a s e do nt h es p e e dc o n t r o lo ft h ea u t o m o b i l e t h r o u g ht h es i m u l a t i n ge x p e r i m e n t ，h o waf e wf a c t o r so ft h ef u z z vc o n t r o u e ri n f l u e n c e dt h ec o n t r o l s y s t e mi se s p e c i a l l yi n t r o d u c e d k e yw o r d s ：s i m u l i n k ；s c a l i n gg a i n s ；d e f u z z i f i c a t i o n o引言 m a t l a b 于1 9 8 4 年由m a t hw o r k s 软件公司推 出，是一种用于科学计算的高性能语言。它集数值 上述装置采甩的是d t m f 编码控制方式，密码容量 大，其接收、发送装置原理电路如图4 所示。 匝亟 匝亟乎回臣巫) 匝亟卜圆 ( a ) 发射器( b ) 接收器 图4 无线密码遥控接收、发射装置 其工作过程为：机站开机时，由负责人从密码键 盘输入设定的密码并由d t m f 编码器m k 5 0 8 7 编 码，由无线长波发射组件t 6 3 0 ，以长波形式向外发 射，由主机内接收器的长波接收组件t 6 3 1 接收解 调出d t m f 编码信号，送d t m f 译码器译码，经对 码后，送入执行器件对主机开锁工作，若送入密码与 内置密码不对，经限时、限次处理后，仍不符合，转入 相应报警电路，从而有效加强了机站的主机安全管 理，避免事故出现。 其次，测控网络中通信器件中常用的串口部件 为r s 2 3 2 ，r s 4 8 5 和r s 4 2 2 等。它们有效通信距离 各不相同，但总体看都具有传输距离近、传输速率低 和抗干扰能力差等缺点。因此，使用它们仍是制约 网络发展的一个重要因素。我们曾实验用编码解 1 4 码集成电路芯片如s e d 5 0 2 6 2 7 构成分布式测控网 络现场级的串行通信上，实践证明它们的使用不仅 提高了传输速率，扩大了传输距离并实现自动纠错 重发，使系统的通信具有比较高的可靠性，因此不失 为一种较好的现场级信号传输的方法。 参考文献： 1 阳宪惠现场总线技术及其应用 m 北京：清华大学 出版社1 9 9 9 2 沈鑫剡交换式以太网原理、技术及应用 m 北京：人 民邮电出版社，2 0 0 0 3 陶波，丁汉，熊有伦基于嵌入式i n t e r n e t 的工业 控制 j 测控技术2 0 0 1 2 0 ( 8 ) ：2 9 3 1 4 洪锡军，等基于i n t e r n e t 的功能远程监测报警系统 口 上海交通大学学报2 0 0 0 ，3 4 ( 1 0 ) ：4 5 4 8 作者简介；郑欣( 1 9 7 6 一) ，男贵州贵阳人，电子技术工程 师，萨塞克斯大学硕士研究生，研究方向为现代通信和远程测控网 络i 郏字恒( 1 9 8 0 一) ，男。贵州贵阳人，英国伦敦大学学院博士研究 生，研究方向为g p s 在城市峡谷中的应用，计算机网络和效能网络 优化。 机械与电子2 0 0 5 ( 1 ) 万方数据 计算、图形图像显示以及编程于一体，是常用的控制 系统分析与设计工具。1 9 9 0 年，m a t hw o r k s 软件 公司为m a t l a b 提供了新的控制系统图形化模型输 入与仿真工具s i m u l i n k ，它是m a t l a b 的一个扩展软 件，该工具很快就在控制工程界获得了广泛的认可， 使得仿真软件进入了系统模型的图形组态阶段。 1 9 7 2 年z a d e h 提出模糊控制的基本原理，到了 2 0 世纪8 0 年代末日本出现大量的模糊家电产品， 用事实证明了模糊控制的成功。模糊控制系统设计 可以分为2 大类。一类是利用人的经验知识来设计 模糊控制器，再根据实际控制效果调试修正，另一类 方法是先建立被控对象的数学模型，并由经验知识 初步设计模糊控制器，然后根据数学模型对控制系 统的稳定性和性能指标等进行理论分析和仿真，最 后依据分析与仿真结果修正模糊控制器。前一种方 法对于难以建立数学模型的复杂控制问题，显得简 单有效，但是由于缺乏对象的数学模型，无法对控制 系统稳定性和性能指标等进行理论分析，后一种方 法与传统的控制方法思路类似，但是弥补了传统控 制方法只适用于线性系统的缺陷，适用于一般的非 线性系统。本文主要介绍如何借助m a t i a b 中的 s i m u l i n k 模块，通过仿真实验设计模糊控制系统。 1 建立被控对象模型 被控对象的微分方程如式( 1 ) 、式( 2 ) 所示，是一 个非线性对象 1 。在s i m u l i n k 中建立被控对象子 系统，并加以封装( m a s ks u b s y s t e m ) 2 | 。所谓封装 就是将一般子系统的内部结构隐藏起来，当双击封 装后的子系统时会弹出一个参数设置对话框，可方 便的对子系统内部参数进行设置。如在仿真过程中 需要经常改变车体重量的值，就可以在封装时添加 变量d 到对话框里，之后就可以通过双击子系统来 设置重量值d 。 1 丢( ) 一去 一a 一2 ( ) 一d + ，( ) ( 1 ) 1 ，( ) = 一，( ) + m ( ) ( 2 ) 式中u ( ) 车辆的速度( m s ) m 车体重量( 13 0 0 k g ) a ，气动阻力常数( o 3 n s 2 m 2 ) d 恒定摩擦力( 1 0 0n ) ，驱动( 刹车) 力( n ) 机械与电子2 0 0 5 ( j ) r 驱动( 刹车) 时间常数( s ) “控制力( n ) 2 建立模糊控制环节 使用f u z z yl o g i ct o o l b o x 建立模糊控制环节，以 速度误差毒及其积分i 为输入变量，输出的控制变 量为弘。模糊控制规则中前提和结论的语言变量的 取值为一系列模糊语言名称，每个模糊语言名称对 应一个模糊集合，其个数决定了控制的精细程度。 本例中语言变量的取值均定义为一2 ，一1 ，o ，1 ，2 ，分 别代表负大、负小、零、正小和正大，并采用三角形模 糊集合表示，但需注意的是，这些数字没有实际数值 含义。 变量p ，i ，m 的隶属度函数均采用三角函数形 式，基本论域分别设定如下： p 一2 0 ，2 0 ，f 一1 2 ，1 2 ，“ 一4 0 0 ，4 0 0 解模糊方法暂定为中位数法( b i s e c t o r ) 3 。设 输出量的模糊集合为c ，当“。是c 的中位数时， 则有鳓满足式( 3 ) ，也就是说隶属度函数曲线与“ 轴之间的面积以m 。为界，两边相等。这就是中位数 法的基本原理。 f 峋r 6 i 户c ( ) d “= j 产c ( 1 ) d “ ( 3 ) a _ 0 3 建立控制系统模型及调整模糊控制 器参数 从s i m u l i n k 界面中的l i b r a r yb r o w s e r 中调出 各种元件，构造图形化控制系统模型，如图1 所示。 图1 控制系统 仿真开始前先用r e a d f i s 指令把控制环节读进仿真 模型 4 。例如，s i m u l i n k 通过工作空间的变量口获 得控制环节信息，且控制环节的文件名为f u z z y c r u i s e f i s ，则仿真前要执行口= r e a d f i s ( f u z z y c r u i s e ) 指令( 或直接通过f i s 文件编辑器的菜单项 把口导人工作空间，2 者效果一样) 。 控制系统的仿真调试主要从以下2 个方面人 手：调整输入输出变量论域( 通过调整比例因子实 现) ；选择不同的解模糊方法。通过适当调节使输出 】5 万方数据 达到控制系统要求，在以上方法调整后仍无法满足 要求时，考虑进一步细化语言变量的取值，相应地增 加控制规则。 在调节比例因子时，应考虑到实际变量的变化 范围，特别是输出控制量不能超出执行机构的实际 输出能力。在采用中位数法的前提下，不断调整比 例因子g 。，g 2 和g 3 ，使系统达到较好的控制效果， 对g ，g 2 和g 3 的调整，实际上是在不断改变控制 器输入输出变量论域的大小，调整后p ，i 和“的论 域范围分别相当于基本论域大小乘以l g 。，1 g 2 和g 3 口 。比例因子调节前后系统的阶跃响应如图2 所示。当g 。= 1 0 ，g 2 一o 7 和g 3 1 2 时，输出效果 良好，达到了控制要求。 m s 图2 比例因子调节前后 解模糊是以模糊推理产生的模糊集合为基础 的。从模糊推理的角度，解模糊方法可分为2 类，一 类解模糊方法是以每条控制规则经模糊推理产生的 多个模糊集合为基础，另一类则是以把这多个集合 进一步合成产生的一个模糊集合为基础。f u z z y l o g i ct o o m o x 中提供的m a m d a n i 型模糊控制器的 解模糊方法属于后一类。模糊逻辑工具箱里提供了 5 种不同的解模糊方法可供使用，c e n t r o i d ，b i s e c t o r ，m o m ，l o m 和s o m 6 。当g l = 1 0 ，g 2 0 7 ，g 3 1 2 时，采用3 种不同的解模糊方法系统的阶跃响应 如图3 所示，最大隶属度中取最大( 1 0 m ) 和最大隶 属度中取最小( s o m ) 2 种方法产生了剧烈的振荡，而 且在重新调整比例因子的情况下，系统输出没有明 显改善，而采用中位数法时取得良好效果 7h 8 。最 大隶属度中取最大法和最大隶属度中取最小法只利 用了几个点的信息，不能充分利用模糊推理结果，控 】6 图3 不同解模糊方法 制效果相对较差一些。 4 结束语 模糊控制系统设计过程中，可变因素较多。如 控制器输入输出变量的论域大小，隶属度函数形式， 控制规则的内容、数量，以及模糊推理策略和解模糊 方法，尤其在锯模糊方法的选择上并无固定规律可 循，增加了系统设计的复杂程度，有待进一步研究。 参考文献： 1 p a s s i n ok e v i nm ，y u r k o v i c hs t e p h e n f u z z yc o n t r o l m 北京：清华大学出版社2 0 0 1 2 张葛祥，李娜m a t l a b 仿真技术与应用 m 北京：清 华大学出版社，2 0 0 3 3 汤兵勇，路林吉，等模糊控制理论与应用技术 m 北 京：清华大学出版社。2 0 0 2 4 刘革辉，单杰峰，等m a t l a b 软件中的f u z z yl o g i c 工 具箱在模糊控制系统仿真中的应用 j 计算机仿真。 2 0 0 0 ，1 7 ( 5 ) ：6 9 9 2 5 马长华，朱伟兴比例因子对模糊控制器动态性能的影 响 j 江苏理工大学学报( 自然科学版) 2 0 0 0 。2 1 ( 5 ) ： 8 7 9 0 6