模糊控制器的设计

1、模糊控制器的设计PID控制器的设计我们选定的被控对象的开环传递函数为 G(s) 3 ,采用经典的PID控(s 1)(s 3)制方法设计控制器时，由于被控对象为零型系统，因此我们必须加入积分环节保证其稳态误差为00首先，我们搭建simulink模型，如图1。图Isimulink仿真模型由于不知道Kp, Kd, Ki,的值的大致范围，我们采用 signal constraints模块进行 自整定，输入要求的指标，找到一组 Kp, Kd, Ki的参数值，然后在其基础上根 据经验进行调整。当选定Kp=2, Kd=, Ki=时，可以得到比较好的响应曲线。调节 时间较短，同时超调量很小。响应曲线如图 2所

2、示。111 9J BJ.7UB* 1151)4口 3口2D 10 (口口控韦1响应曲耨1t1 :1,?：. ,|Ii111Pi1-T1i 1 11 B ，9 E)r 1 , r i,*. ,mT- IIIB71 |lIIF k h k k 11f h r RII. - - - l - _ - _4 P hF) in ma Bjp i 7 h k l!1F R |ihF h hl! 1 F k FU « « LI 1 ) . 1 1 .|lF h_q _ x F h h k1)2468101214161820图2 PID控制响应曲线将数据输出到工作空间，调节时间ts = ,超

3、调量 00可以看出，PID控制器 的调节作用已经相当好。模糊控制器的设计1、模糊控制器的结构为：知识库 模糊推理去模格化图3模糊控制器的结构2、控制参数模糊化控制系统的输入为偏差e和偏差的变化率ec,输出为控制信号uo首先对他们进 行模糊化处理。x x . maxmin*比例因子的计算kumaxuminUmaxumin其中，xmax , xmm为输入信号头际变化氾围的取大取小值；Xmax , Xmin为输入信号论域的最大最小值。umax, um.为控制输出信号实际变化范围的最大最小值，Umax , umin输出信号论域的最大最小值。表1被控参数的模糊化被控变量基本论域论域量化/比例因子e-1,

4、1-3,-2,-1,0,1,2,3ke3ec-1,1-3,-2,-1,0,1,2,3kec ec3u-2,2-6,-4,-2,0,2,4,6ku1/ 3相应的语言值为NB, NM, NS, ZO, PS PM, PR分别表示负大、负中、负小、 零、正小、正中、正大。3、确定各模糊变量的隶属函数类型语言值的隶属度函数就是语言值的语义规则，可分为连续式隶属度函数和离散化 的隶属度函数。本系统论域进行了离散化处理，所以选用离散量化的隶属度函 数。隶属度函数一般是根据操作人员的经验给出。 设计中遵循的一般原则是：选择的 隶属度形状越陡，其分辨率就越高，模糊控制的灵敏度就越高；相反，如果隶属 度函数形状

5、越平缓，其分辨率就越低，控制性能就越平稳。所以在误差为零的区 域附近，要采用高分辨率的隶属度函数，而在误差较大的区域选择分辨率低的隶 属度函数，使系统获得较好的稳定性。根据经验e, ec和u的隶属函数类型我们都选择了 gaussmf类型。如图4所示。图4-1 Mamdany型控制器偏差e的隶属度函数图4-2 Mamdany型控制器偏差变化率ec的隶属度函数VuMbuahp hncLM phtoIB 10g4 Mir-cic、/图4-3Mamdany型控制器输出u的隶属度函数4、建立模糊控制规则模糊控制规则对模糊控制器是否能取得好的控制效果起着非常关键的作用。常用的建立模糊规则的方法有经验归纳法

6、和合成推理法两种。所谓的经验归纳法，就是根据专家经验、操作人员的长期实践和推测经过整理、 归纳和提炼后 构成模糊控制规则系统的方法。合成推理法就是根据已有的输入输出数据进行模 糊推理合成，建立模糊规则。首先我们尝试了根据PID控制所得到的数据进行模糊推理，建立模糊规则， 但是经过反复调试所取得的控制效果并不理想。于是我们转而采用专家经验归纳 的规则进行控制，在其基础上进行调整。模糊条件语言为if e and ec then u表2模糊控制规则表 e c-3-2-10123-3NBNBNBNBNBNBNB-2NBNBNBNBNMNMNS-1NBNBNMNMNSNSPS0NMNSNSZOPSPSP

7、M1NSPSPSPMPMPBPB2PSPMPMPBPBPBPB3PBPBPBPBPBPBPB5、模糊控制查询表的建立根据语言变量E和EC论域的量化等级，按照上面合成推理的方法，分别计 算不同模糊变量值输入组合情况下的各个输出值，就可以获得一个模糊控制查询 表。这将是一个7X 7（49点）的控制表。在状态观测器中，同时输入 e和ec的值，点击回车键，就会自动显示u的值。如图5。OpH Ml t>'Kirin ”困 栉 I Hitt图5模糊推理规则观测器计算输出值 按照此方法，依次计算出u的值。表3模糊控制查询表 e c-3-2-10123-3-2-1001236、模糊控制器的构建及

8、调试利用MATLAB中的模糊工具箱构建模糊控制器，并且添加到控制系统中。为了 消除稳态误差，仍然加入积分环节，根据 PID调试结果，选择积分系数ki=。将选择开关拨到模糊控制器，响应曲线如图6。S3 Figure 11I-B £-y 1:. J 卜；/ V6二1-a i- - Af / f1 T V 11 B " " "1 *V文明B 龙松闾"M，插入 HAO 0(0) 匚，孙Hi、心9小旧口身口隔空日项脚挖制响工油?五0 40 21416 IB 30图6调整前模糊控制响应曲线我们发现在没有调整的情况下模糊控制器的控制效果非常差。于是我们调整对

9、隶属函数曲线的宽度、隶属函数的类型来改善控制效果。 在调整的过程中我们 发现，越靠近中间的曲线的宽度和类型对响应输出的影响越大，而最左和最右边曲线的宽度和类型对输出的影响最小。通过适当增加e中间曲线的宽度，减小ec 中间曲线的宽度，超调量减小，调节时间加快，调整后的隶属函数曲线如图7所示。图7-1调整后的Mamdany型控制器偏差e的隶属函数图7-2调整后的Mamdany型控制器偏差变化率ec的隶属函数图7-3调整后的Mamdany型控制器输出u的隶属函数经过调整后，输出响应得到了较大改善，超调量减小，调节时间加快，调整后的 响应曲线如图8所示。调整后，阶跃响应的超调量为 2.06%,调节时间

10、为ts 1.94s。图8调整后的模糊控制器响应曲线 调整后的控制规则表面如图9所示。图9模糊控制器控制表面图调整后的控制量变化如图10所示Rule Viewer rruipidfil-F Edit V«ew Opticni，m 3;， nlU1 11 Z1 314巧眦仃书1»魂,笠打网 S3 错调圆图10控制量变化图结果对比11所示在传统PID控制器以及模糊控制器控制下的响应曲线对比图如图图11系统阶跃响应对比图主要性能指标对比如表4 表4主要性能指标对比调节时间超调量稳态误差PID控制器00模糊控制器%0结果分析在传统PID控制中，先利用自整定方法找到控制参数的大致范围，

11、 进行微调之 后响应曲线基本符合要求。超调量为 0,调节时间也接近要求。与传统PID控制器相比，模糊控制器在本例中并没有体现出较大的优势， 调节 时间虽然稍微缩短，但有了一定的超调，响应曲线没有 PID控制平滑。这跟传递 函数的选取也有一定的关系，当改变被控对象后，我们发现模糊控制器的控制效 果确实优于PID控制。本例中PID控制效果很好，这也导致模糊控制改善调节效 果的余地比较小。隶属函数的线型对控制效果的影响。 一般工程应用中，选取三角型和高斯型分 布比较多。三角型可以加快调节时间，高斯型使响应输出更稳定，我们根据快速 性和稳定性的要求进行选取，在本例中我们发现高斯型曲线调节效果更好。隶属

12、函数的宽度对控制效果的影响。我们发现最中间的隶属函数的宽度对控制 效果的影响最大，越靠近边上的影响越小。e中间的隶属函数宽度越大，超调量 越大；越小，震荡越明显，甚至会出现不稳定，稳态特性变差。 ec中间隶属函 数的宽度越大，超调量越大，但调节时间越小。 u中间隶属函数宽度越大，超调 量越大；越小，震荡越明显，动态特性变差。模糊控制器的控制规则对控制效果的影响。开始我们尝试根据PID控制器的结 果采用合成推理的方法设计控制器，但是经过反复调整之后控制效果并不理想。于是我们采用专家经验法设计控制器， 效果有所改善，说明了简单地根据PID控 制结果设计模糊控制规则并不合理， 模糊推理机制比较复杂的，要受到多方面因 素的影响。量化因子和比例因子对控制效果的影响。当误差 e和误差变化率ec较大时， 应选取较小的ke和k“以降低对输入量e和ec的分辨率；同时取较大的ku增大控 制量的变化，加快系统的过渡过程。当误差