模糊控制算法研究

1、智能控制课程设计报告专 业： 自动化 班 级： 学号： 学生姓名： 时 间：13年12月30日13年1月3日以下指导教师填写分项成绩：出勤 设计报告 总成绩： 指导教师： 设计报告要求和成绩评定1 报告内容设计任务书（设计计划），正文，参考资料。设计任务书（设计计划）由学生所在系安排指导教师编写，内容包括设计地点、时间、安排和设计内容和要求等。正文内容一般包括：（1）设计简述（设计时间、设计地点，设计方式等）；（2）设计内容叙述；（3）设计成品(图纸、表格或计算结果等)；（4）设计小结和建议。参考资料包括参考书和现场技术资料等。2 书写用纸 A4复印纸；封面、设计任务书要求双面打印。3 书写要

2、求正文内容手工双面或单面书写，字迹清楚，每页20行左右，每行30字左右，排列整齐；页码居中写在页面下方；纸面上下左右4侧边距均为2厘米。公式单占一行居中书写；插图要有图号和图题，图号和图题书写在插图下方；表格要有表号和表题，表号和表题在表格上方书写；物理量单位和符号、参考文献引用和书写以及图纸绘制要符合有关标准规定；有关细节可参考我院毕业设计成品规范。4 装订装订顺序：封面，设计任务书，正文及参考资料，封底；左边为装订边，三钉装订，中间钉反向装订。5 成绩评定设计成绩一般由出勤（10分）、报告书写规范性及成品质量（50分）、考核（40分）三部分成绩合成后折合为优秀（90100分）、良好（808

3、9分）、中（7079分）、及格（6069分）或不及格（60分以下）。设计考核可采取笔试、机试或其它合适的方式；不参加考核或不交报告者成绩为零分。模糊控制算法研究1、 课程设计的目的：1. 通过本次课程设计，进一步了解模糊控制的基本原理、模糊模型的建立和模糊控制器的设计过程。2. 提高学生有关控制系统的程序设计能力；3. 熟悉Matlab语言以及在智能控制设计中的应用。二、课程设计的基本内容：假设系统的模型可以用二阶加纯滞后表示，即传递函数为。其中各参数分别为。图1 模糊控制系统Simulink仿真模型图1、 用Matlab中的Simulink工具箱，组成一个模糊控制系统，如图1所示。2、采用模

4、糊控制算法，设计出能跟踪给定输入的模糊控制器，对被控系统进行仿真，绘制出系统的阶跃响应曲线。（1）模糊集合及论域的定义对误差E、误差变化EC机控制量U的模糊集合及其论域定义如下：E、EC和U的模糊集合均为：NB、NM、NS、0、PS、PM、PBE和EC的论域为：-6、-5、-4、-3、-2、-1、0、1、2、3、4、5、6U的论域为：-6、-5、-4、-3、-2、-1、0、1、2、3、4、5、6上述的三个模糊集合都选取了7个元素，主要目的是着眼于提高稳态精度。E、EC和U的隶属度函数图形如图2,3,4 所示：图2 变量E的隶属度函数 图3 变量EC的隶属度函数 图4 变量U的隶属度函数（2）模

5、糊控制规则设计模糊控制规则如下表所示：表1 模糊控制规则 NB NM NS ZO PS PM PBNBNMNSZOPSPMPBNBNBNBNBNBNBNBNBNBNMNMNSZOZONBNMNSNSZOPSPSNBNMNSZOPSPMPBNSNSZOPSPSPMPBZOZOPSPMPMPBPBPBPBPBPBPBPBPB （3）系统的参数选择系统所选用的参数为：Saturation、Saturation1、Saturation2的范围分别为：-6 6、-6 6、-6 6，Transport Delay=2S。通过调试得到模糊

6、控制的参数：Gain1=0.7，Gain=1.8，Gain2=1（4）仿真结果：系统的阶跃响应曲线如图5所示，其中上方的曲线代表系统的阶跃响应，下方的曲线是系统的模糊控制量的变化。图5 阶跃输入的响应曲线图本设计中控制系统性能的要求为：， 。由图5中曲线可知：28% 符合要求 65s 符合要求 2.3% 符合要求3、改变模糊控制器中模糊变量的隶属度函数，分析隶属度函数和模糊控制规则对模糊控制效果的影响。比较那种情况下的控制效果较好。如下图所示改变模糊控制器中的隶属度函数为梯形隶属函数。图7 变量E的隶属度函数图8 变量EC的隶属度函数图9 变量U的隶属度函数此时系统的阶跃响应曲线为：图 10

7、系统的阶跃响应曲线由以上的仿真结果可以看出梯形隶属度函数的系统性能没有三角形隶属度函数的系统性能好。此时系统的超调量变大，上升时间增大，稳态误差变大。4、给系统加上扰动，观察此时的阶跃响应曲线，看系统是否仍然稳定，并与无扰动情况下的阶跃响应曲线进行比较。并比较模糊控制和PID控制的鲁棒性。(1)加扰动时的模型图如图11所示（其中step1为幅值为0.02的阶跃信号）。图11 加扰动后的系统模型图系统的阶跃响应曲线为： 图12 系统的阶跃响应曲线 由图可知，系统加上扰动之后，系统仍然是稳定的，系统性能指标变化不大，说明有着良好的鲁棒性。究其原因，在Saturation2之前加的扰动，相当于被控制

8、对象的输入量在对应时刻又并联了一个输入，从而在对应的各个时刻相当于增益变大；显而易见，的增大，有助于系统的稳定，但是会使超调量变大。调整时间变小，与实验的结果是吻合的。5、改变系统的参数，了解模糊控制在系统参数发生变化时的控制效果。并与控制器作用下系统参数发生变化时的控制效果进行比较，思考模糊控制相对于传统控制的优点。（1）当系统开环增益k分别取k=35,k=40和k=45时系统的阶跃响应如图所示。（2）当系统纯延时分别取、和时系统的阶跃响应如图所示。图14系统纯滞后时间变化对系统阶跃响应的影响（3） 当系统惯性时间常数分别取 、和时系统的阶跃响。 从图可以看出增大K值，系统的上升时间减小，此

9、时超调量稍有增加；当系统的纯滞后时间增大时，系统的超调量增加较大。系统的惯性时间常数增大后使系统动态性能有所降低，当时间常数T2增大时上升时间增大，但超调量有所降低。三、模糊控制的优点模糊控制是一种基于规则的控制，它直接采用语言型控制规则，出发点是现场操作人员的控制经验或相关专家的知识，在设计中不需要建立被控对象的精确的数学模型，因而使得控制机理和策略易于接受与理解，设计简单，便于应用。模糊控制是基于启发性的知识及语言决策规则设计的，这有利于模拟人工控制的过程和方法，增强控制系统的适应能力，使之具有一定的智能水平。通过本设计可以知道，模糊控制具有能够得到良好的动态响应性能，并且不需要知道被控对象的数学模型，适应性强，上升时间快，鲁棒性好。 与PID控制相比有着很大的优势，采用PID控制虽然稳态性能较好，但是难以得到满意的动态响应性能，并且鲁棒性差。模糊控制也有着自身的缺点，容易受到模糊规则等级的限制而引起误差，需要进一步改进。4、 总结通过本次课程设计增加了对模糊调节器的理解，认识到了模糊控制器的优缺点。并进一步熟练了用Matlab中Simulink工具箱的应用，提高了自己的动手能力。然而由于对matlab软件的使用不熟练，设计过程中遇到了困难，但