智能控制實(shí)驗(yàn)一

1、哈爾濱理工大學(xué)實(shí) 驗(yàn) 報(bào) 告課程名稱智能控制學(xué) 院自動(dòng)化學(xué)院班 級(jí)姓名 學(xué)號(hào)日期 2019.4基于mamdani型模糊控制器線性系統(tǒng)的位置跟蹤一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?. 熟悉mamdani模糊控制器的設(shè)計(jì)原理；2. 掌握模糊控制器的設(shè)計(jì)步驟；3. 熟悉模糊控制規(guī)則對(duì)控制系統(tǒng)效果的影響4. 熟悉模糊控制器設(shè)計(jì)的Matlab命令；5. 掌握用MATLAB實(shí)現(xiàn)模糊控制系統(tǒng)仿真的方法。二、設(shè)備及條件 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)Matlab仿真軟件三、實(shí)驗(yàn)原理根據(jù)跟蹤誤差及其變化率，設(shè)計(jì)模糊控制器使得跟蹤誤差趨近于零。四、設(shè)計(jì)要求已知某一線性系統(tǒng)2他，根據(jù)誤差及其變化率來設(shè)計(jì)模糊控制器，使得閉環(huán)系統(tǒng)s 500s的輸出跟蹤正弦信號(hào)

2、 0.5sin（10t），已知：誤差及其變化率的范圍初步定為3 3 ，要求分為7個(gè)模糊集；輸出的范圍初步定為4.5 4.5，要求分為9個(gè)模糊集；設(shè)計(jì)隸屬度函數(shù)誤差變化劃分表，控制電壓變化劃分表和模糊控制規(guī)則表，基于MATLAB實(shí)現(xiàn)該控制器，并對(duì)控制效果進(jìn)行仿真，根據(jù)仿真結(jié)果對(duì)模糊控制規(guī)則、控制信號(hào)范圍、誤差及其變化率進(jìn)行調(diào)整。五、實(shí)驗(yàn)環(huán)境5.1Simulink 介紹5.1.1 Simulink 定義Simulink是MATLAB中的一種可視化仿真工具，是一種基于MATLAB的框圖設(shè)計(jì)環(huán)境，是實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)建模、仿真和分析的一個(gè)軟件包，被廣泛應(yīng)用于線性系統(tǒng)、非線性系統(tǒng)、 數(shù)字控制及數(shù)字信號(hào)處理的建

3、模和仿真中。5.1.2 Simulink 優(yōu)點(diǎn)Simulink具有適應(yīng)面廣、結(jié)構(gòu)和流程清晰及仿真精細(xì)、貼近實(shí)際、效率高、靈活等優(yōu)點(diǎn)， 并基于以上優(yōu)點(diǎn) Simulink已被廣泛應(yīng)用于控制理論和數(shù)字信號(hào)處理的復(fù)雜仿真和設(shè)計(jì)。5.1.3 Simulink 基本模塊SIMULINK 模塊庫按功能進(jìn)行分類，包括以下8類子庫：Continuous （連續(xù)模塊）Continuous （連續(xù)模塊）Discrete （離散模塊）Discrete （離散模塊）Function&Tables （函數(shù)和平臺(tái)模塊）Function&Tables （函數(shù)和平臺(tái)模塊）Math （數(shù)學(xué)模塊）Math （數(shù)學(xué)模塊）5.1.4

4、Simulink建模仿真基本步驟Step1畫出系統(tǒng)框圖，將需仿真的系統(tǒng)劃分為子系統(tǒng)，然后選用模塊搭建每個(gè)子系統(tǒng)Step2:拖拽模塊庫中所需模塊到空白模型窗口中，按系統(tǒng)框圖的布局?jǐn)[好并連接各模塊Step3若系統(tǒng)比較復(fù)雜，可將同一功能模塊封裝成一個(gè)子系統(tǒng)Step4設(shè)置各模塊的參數(shù)和仿真有關(guān)的各種參數(shù)Step5保存模型，運(yùn)行仿真，觀察結(jié)果Step6調(diào)試并修改模型，直到結(jié)果符合要求為止5.2模糊控制工具箱介紹5.2.1模糊控制工具箱的優(yōu)點(diǎn)在MATLAB命令窗口輸入fuzzy之后回車，便能夠打開模糊控制工具箱。該模糊控制工具箱為模糊控制器的設(shè)計(jì)提供了一種非常便捷的途徑，通過它我們不需要進(jìn)行復(fù)雜的模糊化、

5、模糊推理及反模糊化運(yùn)算，只需要設(shè)定相應(yīng)參數(shù)，就可以很快得到我們所需要的控制器，而且修改也非常方便。522模糊控制工具箱圖形用戶界面（GUI）介紹模糊推理系統(tǒng)（FIS）編輯器隸屬函數(shù)編輯器FIS確定體統(tǒng)輸入輸出變量的名稱和個(gè)數(shù)，判斷模糊算子，聚類方法和解模糊方法模糊規(guī)則編輯器選擇連接關(guān)系和權(quán)重構(gòu)成語句添加到模糊規(guī)則當(dāng)中模糊規(guī)則觀察器用戶觀察模糊推理圖模糊曲面觀察器詳細(xì)顯示某一時(shí)刻的計(jì)算確定各個(gè)變量論域和顯示范圍,確定變量名稱和個(gè)數(shù)等六、控制器設(shè)計(jì)原理模糊控制是以模糊集合理論、模糊語言及模糊邏輯為基礎(chǔ)的控制，它是模糊數(shù)學(xué)在控制系統(tǒng)中的應(yīng)用，是一種非線性智能控制。它的核心部分為模糊控制器。模糊控制器

6、的控制規(guī)律由計(jì)算機(jī)的程序?qū)崿F(xiàn)，實(shí)現(xiàn)一步模糊控制算法的過程是： 微機(jī)采樣獲取被控制量的精確值，然后將此量與給定值比較得到誤差信號(hào)E; 般選誤差信號(hào) E作為模糊控制器的一個(gè)輸入量，把E的精確量進(jìn)行模糊量化變成模糊量，誤差 E的模糊量可用相應(yīng)的模糊語言表示；從而得到誤差E的模糊語言集合的一個(gè)子集e（e實(shí)際上是一個(gè)模糊向量）;再由e和模糊控制規(guī)則 R（模糊關(guān)系）根據(jù)推理的合成規(guī) 則進(jìn)行模糊決策，得到模糊控制量u為：u eoR。式中u為一個(gè)模糊量；為了對(duì)被控對(duì)象施加精確的控制，還需要將模糊量u進(jìn)行非模糊化處理轉(zhuǎn)換為精確量：得到精確數(shù)字量后，經(jīng)數(shù)模轉(zhuǎn)換變?yōu)榫_的模擬量送給執(zhí)行機(jī)構(gòu)，對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行一步控制；

7、然后，進(jìn)行第二次采樣，完成第二步控制，這樣循環(huán)下去，就實(shí) 現(xiàn)了被控對(duì)象的模糊控制。圖1模糊控制原理圖七、仿真模型建立在本次實(shí)驗(yàn)中，已知某一線性系統(tǒng)器，使得閉環(huán)系統(tǒng)的輸出跟蹤正弦信號(hào)誤差及其變化率的范圍初步定為2 4，要求根據(jù)誤差及其變化率來設(shè)計(jì)模糊控制s 500s0.5sin(10t)。已知：3 3，要求分為7個(gè)模糊集；輸出的范圍初步定為30 30，要求分為9個(gè)模糊集;7.1 FIS編輯器設(shè)計(jì)本次實(shí)驗(yàn)存在兩個(gè)輸入輸入信號(hào)，首先在FIS圖形界面下點(diǎn)擊 Edit-Add Variable-1 nput，添加一個(gè)輸入變量。 其次將輸入變量和輸出變量依次命名為e, ec和u。其余部分無需修改。7.2隸

8、屬函數(shù)編輯器設(shè)計(jì)首先我們要確定各個(gè)變量的論域和顯示范圍。在FIS界面雙擊某一個(gè)輸入輸出窗口后，彈出隸屬函數(shù)編輯器。針對(duì)2個(gè)輸入變量，將左下角 Range和Display Range范圍均修改為-0.3 0.3，針對(duì)輸出變量設(shè)置為 -30 30。其次我們要確定變量的名稱和個(gè)數(shù)。在隸屬函數(shù)編輯器界面下，點(diǎn)擊Edit-Remove AllMFS便可清除系統(tǒng)自帶的隸屬函數(shù)。針對(duì)2個(gè)輸入變量，點(diǎn)擊 Edit-Add MFS，修改Numbers of MFS為7,即創(chuàng)建了 7*7=49條模糊規(guī)則。按照同樣方法設(shè)計(jì)9個(gè)輸出變量。單擊每一條隸屬函數(shù)曲線即可更改其名稱。我們定義：e = NB,NM,NS,ZO,

9、PS,PM,PBec = NB,NM,NS,ZO,PS,PM,PBu = NB,NM,NS,N Z, ZO,P Z, PS,PM,PB7.3模糊規(guī)則編輯器設(shè)計(jì)上述步驟全部完成后開始設(shè)計(jì)模糊規(guī)則。在FIS界面下雙擊中間白色模塊 (mamdani)，便可進(jìn)入模糊規(guī)則編輯器， 通過點(diǎn)擊邏輯關(guān)系并設(shè)定權(quán)重， 便可組成邏輯規(guī)則。 本實(shí)驗(yàn)一共 需要設(shè)計(jì)49條模糊規(guī)則。7.4各編輯器效果圖圖3隸屬函數(shù)編輯器效果圖I F -F IU S XE K H 7： ifcM 柜 All 1 1 - I；舊工-輕*踉創(chuàng)暉” !心h ni I- r * is hn Jnj c ta 曲址 *i I* h.也 i ij *

10、 it m * ! Ha | H Hfe1即-t L W Fll jT| 1 iM Wl 11M HU rwt b I W|T| H F中工I即 賣嚴(yán)T豈*巴丄!1-.圖4模糊規(guī)則編輯器效果圖7.5 fuzzy工具箱生成的源代碼（規(guī)則矩陣部分）Rules3 5, 4 (1) : 16 3, 5 (1) : 11 1,1 (1) : 13 6, 5 (1) : 16 4, 5 (1) : 11 2, 1 (1) : 13 7, 5 (1) : 16 5, 6 (1) : 11 3, 2 (1) : 14 1,2 (1) : 16 6, 6 (1) : 11 4, 2 (1) : 14 2, 3

11、(1) : 16 7, 7 (1) : 11 5, 3 (1) : 14 3, 3 (1) : 17 1, 4 (1) : 11 6, 3 (1) : 14 4, 4 (1) : 17 2, 5 (1) : 11 7, 4 (1) : 14 5, 5 (1) : 17 3, 5 (1) : 12 1, 1 (1) : 14 6, 5 (1) : 17 4, 6 (1) : 12 2, 2 (1) : 14 7, 6 (1) : 17 5, 6 (1) : 12 3, 2 (1) : 15 1, 3 (1) : 17 6, 7 (1) : 12 4, 3 (1) : 15 2, 3 (1) :

12、17 7, 7 (1) : 12 5, 3 (1) : 15 3, 4 (1) : 12 6, 4 (1) : 15 4, 5 (1) : 12 7, 5 (1) : 15 5, 5 (1) : 13 1, 2 (1) : 15 6, 6 (1) : 13 2, 2 (1) : 15 7, 6 (1) : 13 3, 3 (1) : 16 1, 3 (1) : 13 4, 3 (1) : 16 2, 4 (1) : 1八、仿真調(diào)試4.1 Simulink模塊設(shè)計(jì)圖5 Simulink模塊連接仿真圖4.2 Simulink與.fis文件連接仿真模糊控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)完成后，在FIS界面下，同時(shí)按下 C

13、trl+T將其保存到工作空間。打開 Simulink 仿真模塊點(diǎn)擊 Fuzzy Logic Controller with Ruleviewer 。在 FIS structure:下輸入剛 剛保存的文件名，導(dǎo)入.fis文件。運(yùn)行Simulink顯示仿真結(jié)果。圖6模糊控制器跟蹤效果圖由圖6可知模糊控制器目前還沒有達(dá)到理想狀態(tài)， 沒有實(shí)現(xiàn)給定信號(hào)的復(fù)現(xiàn)。 存在一定 滯后并且賦值沒有達(dá)到要求。 根據(jù)分析，對(duì)規(guī)則矩陣進(jìn)行合理修改， 并將輸出范圍擴(kuò)大為-30 30。按照上述步驟再次進(jìn)行仿真聯(lián)調(diào)。圖7模糊控制器跟蹤效果圖可見，該系統(tǒng)目前已經(jīng)良好的跟蹤了正弦信號(hào)。滿足了設(shè)計(jì)要求。九、實(shí)驗(yàn)總結(jié)1掌握了 GUI+mamdani構(gòu)