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电气电子毕业设计论文
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毕业设计105模糊控制系统的仿真,电气电子毕业设计论文
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4. 模糊控制系统的仿真 以上的章节中，已经设计出了模糊控制器及计算出了模糊控制规则，以下运用 MATLAB（矩阵库）中的 SIMULINK 软件对所设计的系统进行仿真，并根据实际的情况（如起动速度要快等）提出改善系统性能的措施和方法 ,进一步说明系统的三个参数即（ Ke， Ku， Kec）的变化对系统性能的影响。 4.1 模糊控制系统的仿真及分析 4.1.1 纯模糊控制系统模型及各环节分析 纯模糊控制系统的仿真模型如图 4-1 所示，以下对其各个环节的作用及参数的设定给出说明： (1)、 Step， Step1， Step2， Step3 为给定值，其中 Step 给定为 ug=200 (t)v，Step1 的给定值为 ug1=25 (t-300)v,Step2 的给定值为 ug2=25 (t-350)v,Step3 的给定值为 ug3=200 (t)v； ug1 与 ug2 的叠加作为系统仿真过程中的干扰输入； (2)、 Ke,Kec,Ku 为三个系数，其中 Ke 为输入误差 e 的模糊化系数， Kec 为输入误差微分 e的模糊化系数， Ku 为输出的比例系数； (3)、控制作用查询表即为上章所设计出的控制作用表； (4)、 Memory 模块则是用来记忆前一时刻的控制电压值，以便进行控制作用的叠加 Uk=Uk-1+Ku U； (5)、 Scope 模块则是用来观看最终的仿真结果曲线的； (6)、其他的环节包括饱和限幅、 SUM、 CONST 等环节。 4.1.2 纯模糊控制系统的仿真及曲线 4.1.2.1 模糊控制系统存在扰动及无扰动时的仿真曲线如下图 4-2 所示： nts 图4-1纯模糊控制系统的仿真模型nts (1)、性能指标参数如下表 4-1 所示： (2)、从以上的仿真图形可以清楚地看出，模糊控制系统在系统存在短时间的扰动作用时，经过短时间的调节就可以使系统重新达到稳定状态，虽然具有一定的稳态误差，但调节还是比较快的，也能够满足系统的需要的。 表 4-1 性能指标 调节时间（ s） 超调量（ %） 稳态误差 有扰动 170 2 0 1 无扰动 170 1 0 1 图 4-2 纯模糊控制系统的仿真曲线图 nts 但是 ,系统的上升时间比较长 ,这是因为纯模糊控制系统的控制电压是从 0 开始慢慢地往上累加的 ,因此上升比较慢 ,在下一节中将要给出如何解决上升时间长的方法。 (2)、当系统的模型发生变化时的仿真曲线的比较 对上面图形曲线作以下的说明： (1)、 各个曲线所代表的系统模型 120 5.2)( SSG110 5.2)( SSG130 5.2)( SSG145.2)( 2 SSSG(2)、 各个模型仿真结果的性能指标如下表 4-2所示 图 4 3 系统的模型发生变化时的仿真曲线图 nts 表 4-2 不同模型的性能指标比较 调节时间（ s） 超调量（ %） 稳态误差 120 5.2)( SSG300 1 1 110 5.2)( SSG290 0.5 0 5 130 5.2)( SSG330 1 1 145.2)( 2 SSSG50 0 2 (3)、从以上所得性能指标及仿真曲线可以看出，模糊控制器对系统有较好的适应能力，无论是系统 的 模 型 的 阶 数 不 变 、 仅 仅 是 时 间 常 数 的 增 大 或 减 小 ， 还是由一阶系统跳变到二阶系统 ，对模糊控制器来说都能够满足要求；而不象传统的 PID调节器那样，当系统的模型发生改变时，特别是系统由一阶跳变到二阶，需要重新进行计算或寻优参数KP（比例系数）、 KI（积分系数）、 KD（微分系数），那样给系统的设计人员带来了很大的不便。 (4)、 另外，当系统的三个系数 Ke、 Kec、 Ku 的变化对系统性能所产生的影响，我将放到下一节中进行分析。 以上我分析纯模糊控制系统的抗干扰以及适应对象变化的能力，模糊控制系统对系统的控制能够达到非常好的效果。 4.2 改进的模糊控制系统 在上一节中曾经提到过，纯 模糊控制系统存在一个致命的缺点那就是：控制电压的上升慢，因而导致起动时间长；特别是对于那些要求给定值比较大，由此而带来的起动时间长必然会更加明显。为了改变纯模糊控制系统的这些缺点，利用和保持它的另外一些优点，接下来，我将分析采用分段起动策略来解决这个问题。 nts 4.2.1 分段起动的基本思想 在纯模糊控制系统中，由于是从零电压开始，一步一步地往上累加的，而模糊控制器输出的累加电压一般都比较小，这样就导致了控制电压上升比较慢，由此带来的系统输出值也上升缓慢。为了改变这种起动慢的缺点，采用分段起动策略，其基 本思想为： (1)、 在刚开始起动时，由于误差比较大，可以采用 200 伏的最大电压直接起动，那样可以在最短的时间内起动到接近给定值； (2)、 在起动到误差为 +20 -20 范围内，此时切换到模糊控制器的控制中，让模糊控制器作用使输出值逼近到最终值，而不会产生超调。 这样采用分段起动，就既解决了起动要求快，又解决了基本没有超调量的要求。 4.2.2 分段起动模糊控制系统的方框图及图形说明 分段起动模糊控制系统的方框图如下图 4-4 所示。现对其中的部分模块进行说明： (1)、 Setp， Setp1， Setp2， Scope，模糊控制查询表等等同纯模糊控制系统中一样，在此就不在作重复的说明，详细地可参见上一节中的具体描述； (2)、 |u|即绝对值模块是对输入的值求它的绝对值，即当输入为负时，则对其进行反号输出；当输入为正时，则原样输出 ; nts (3)、 Switch、 Switch1、 Switch2 模块为切换开关，其图如图 4-6 所示，当输入端 3 的值大于或等于 20 时（ 20为自己设定值），则 4 端输出为输入端 1 的值；否则，（即输入端 3 的值 小于 20 时，）则 4 端输出为输入端 2 的值 . 4.3 分段模糊控制系统仿真的程序流程图 分段模糊控制系统仿真的程序流程图如图 4-6 所示。 4.4 分段模糊控制系统仿真图形及参数变化的分析 4.4.1 纯模糊控制系统与分段模糊控制系统的仿真比较 在系统的模型同样时，给定为 ug=400 伏的情况下，其仿真的图形如图 4-7所示。从仿真图线上可以清楚地看出 ,纯模糊控制系统与分段模糊控制系统在性能上存在很大的差别，其具体的表现如表 4-3 所示。 特别在给定值比较大的情况下，这种特性会更加的明显。 不仅分段模糊控制系统的超调量比纯模糊控制系统小 ,而且，前者的上升时间以及稳态误差都相对的小，所以说分段模糊控制系统的性能远远优于纯模糊控制，因此我们在实践中常常都采用分段模糊控制，而不采用纯模糊 表 4-3 性能差别比较 上升时间（ s） 超调量（ %） 稳态误差 纯模糊控制系统 520 2 0.2 分段模糊控制系统 45 1 0.4 图 4-5 转换开关 nts N Y N Y Y N 图 4-6 分段仿真流程图 Y 开 始 初始化系数 给定值 Ug 对象传函 仿真时间 Tg Ke， Kec， Ku 误差 |e| 20 Uk=200 伏 （控制电压） e0? 进入FLC t=Tg? 结 束 Uk=0 nts 图44 分段模糊控制系统的方框图nts 图 4-7 纯模糊控制系统与分段模糊控制系统仿真比较 说明 : 纯模糊控制系统仿真图线 分段模糊控制系统仿真图线 nts 4.4.2 模糊化系数 Ke、 Kec 和放大系数 Ku 的影响 从图 4-8 和图 4-9 中 ,我们可以看出模糊化系数 Ke、 Kec 和放大系数 Ku 对系统性能有着很大的影响 ,对此我们可以看以下的表 4-4 所示： 表 4-4 Ke， Kec， Ku 上升时间 (s) 超调量 (%) 稳态误差 调节时间 45 1 0.4 40 48 0 2 0 42 50 0 0 1 45 35 5 2 100 图 4 8 说明： Ke=2 Kec=0.02 Ku=2 nts 振荡 振荡 振荡 振荡 图 4 9 说明： Ke=0.3 Kec=3 Ku=1.5 Ke=2 Kec=3 Ku=1.5 Ke=0.3 Kec=0.02 Ku=1.5 Ke=0.3 Kec=3 Ku=2 通过分析系数的影响 ,可以具体归纳为以下几个方面 : 1、 Ke 对系统性能的影响 （ 1）、 Ke 越大，系统调节惰性越小，上升速率越快； （ 2）、 Ke 过大，系统上升速率过大，产生的超调大，使调节时间增长，也影响系统的稳态性能，严重时还会产生震荡乃至系统出现不稳定； （ 3）、 Ke 过小，系统上升速率过小，系统调节惰性变大，同时，也影响系统的nts 稳态性能，使系统稳态精度降 低。 2、 Kec 对系统性能的影响 （ 1）、 Kec 越大，对系统状态变化的抑制能力增大，增加了系统的稳定性； （ 2）、 Kec 过大，系统输出上升速率过小，系统的过度过程时间变长； （ 3）、 Kec 过小，系统输出上升速率增大，可能导致系统输出产生过大的超调和振荡。 3、 Ku 对系统性能的影响 （ 1）、 Ku 增大，相当于系统总的放大倍数增大，系统响应速度加快； （ 2）、 Ku 过大，会导致系统输出上升速率过大，从而产生过大超调乃至振荡和发散； （ 3）、 Ku 过小，系统的前向增益很小，系 统输出上升速率较小，快速性变差，稳态精度变差。 3)、模糊控制系统模型改变时的仿真图形 模糊控制系统模型改变时的仿真图形如图 4-10 所示。 nts 图 4 10 系统的模型改变时的仿真曲线图 对上面图形曲线作以下的说明： a.各个曲线所代表的系统模型： 120 5.2)( SSG110 5.2)( SSG130 5.2)( SSG145.2)( 2 SSSGb.各个模型仿真结果的性能指 标如下表 4-2所示 表 4-2 不同模型的性能指标比较 调节时间（ s） 超调量（ %） 稳态误差 120 5.2)( SSG40 1 0.4 110 5.2)( SSG35 0 -0.1 130 5.2)( SSG60 2 1 145.2)( 2 SSSG30 0 0.6 nts 4）、模糊控制系统存在干扰时的仿真图线 存在干扰时的仿真图线如图 4-11 所示。 图 4 11 模糊控制系统存在干扰时的仿真图线模糊控制系统 对以上的图线作如下的说明： 表存在干扰，其中干扰为 u1=100 (t-300)和 u2=150 (t-400) 的叠加输入； 代表无干扰存在。 4.5 总结 由 上面一系列的仿真结果对比得知，我们所设计的模糊逻辑控制器完全能够达到设计要求。而且，经过改善的模糊控制系统（分段模糊控制系统）能够适应
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