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。 二、实验原理 模糊控制器它包含有模糊化接口、知识库（规则库、数据库）、模糊推理机、解模糊接口等部分。输人变量e(t)是过程实测变量y(t)与系统设定值s(t)之差值。输出变量y(t)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机。而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。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。模糊控制器的组成框图如图2.1所示。 图2.1 模糊控制器的组成框图 三、模糊推理系统的建立 一个模糊推理系统的建立分为三个步骤：首先，对测量数据进行模糊化；其次，建立规则控制；最后，输出信息的模糊判决，即对模糊量进行反模糊化，得到精确输出量。 模糊推理系统的建立，往往是设计一个模糊控制系统的基础。建立一个模糊推理系统有两类方法：一种是利用GUI建立模糊推理系统；另一种是利用MATLAB命令建立。下面根据实验内容，利用GUI建立模糊推理系统。 例：对循环流化床锅炉床温，对象模型为 采用simulink图库，实现常规PID和模糊自整定PID。模糊自整定PID为2输入3输出的模糊控制器。 1、 进入FIS编辑器 在MATLAB的命令窗口中键入fuzzy即可打开FIS编辑器，其界面如下图所示。此时编辑器里面还没有FIS系统，其文件名为Untitled，且被默认为Mandani型系统。默认的有一个输入，一个输出，还有中间的规则处理器。在FIS编辑器界面上需要做一下几步工作。 首先，模糊自整定PID为2输入3输出的模糊控制器，因此需要增加一个输入两个输出，进行的操作为：选择Edit菜单下的Add Variable/Input菜单项。如下图。 其次，给输入输出变量命名。单击各个输入和输出框，在Current Variable选项区域的Name文本框中修改变量名。如下图 最后，保存系统。单击File菜单，选择Export下的To Disk项。这里将创建的系统命名为PID_auot.fis 2、 进入隶属度函数编辑器 在FIS编辑器中双击输入或输出变量的图框就能进入隶属度函数编辑器。在隶属度函数编辑器中，需要对各个变量的论域范围、隶属度函数进行编辑。 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}。 如图是编辑完成后的隶属度函数编辑器的GUI。图中显示的为对应边变量e的隶属度函数。 3、 进入规则编辑器 双击FIS编辑器图标部分中间的方框即可打开规则编辑器。 （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。 （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。 添加完成后的规则编辑器如下图所示。 4、 保存FIS结构 对于建好的FIS结构，利用File菜单下的Export的子菜单To Disk，将FIS结构保存到磁盘上。到此，利用FUZZYTOOLS的GUI工具建立了模糊控制器(PID_auot.fis)。可用GUI工具查看该推理系统，在View菜单中选择Rules命令，可打开规则观测器，查看模糊推理规则。如下图 在View菜单中选择surface命令，可打开曲面观测器，查看模糊推理输出特性曲面。 之后，在Simulink环境下，构建模糊自整定PID和常规PID控制系统。在MATLAB的命令窗口直接键入“Sinmulink”并回车，即可运行Sinmulink。运行后显示如下图所示的Simulink模块库浏览器。 然后单击工具条左边建立新模型的快捷方式，如下图 在模型窗口中用户便可以通过选择模块库中的仿真模块，建立自己的仿真模型，并进行动态仿真。最后构建的模糊自整定PID和常规PID控制仿真系统模型如下图。 其中模糊逻辑控制器的推理系统用模糊逻辑推理GUI工具建立的FIS。先启动Fuzzy，导入PID_auot.fis，然后将其导出到workspace。然后运行，运行结果如下图 继续阅读