Simulink模煳控制教程課件

1、Simulink模煳控制教程1 MATLAB應用技術 清華大學出版社清華大學出版社 MATLABMATLAB應用技術應用技術 Simulink模煳控制教程2 6 MATLAB與模糊控制系統(tǒng)與模糊控制系統(tǒng) MATLABMATLAB應用技術應用技術 Simulink模煳控制教程3 61 模糊系統(tǒng)的MATLAB 實現(xiàn) 611 模糊集簡介 模糊集是一種邊界不分明的集合，模糊集與普通集合既有區(qū)別又有聯(lián)系。 2 模糊集的表示 1模糊概念 Xx 01)( x A 模糊集菜用隸屬度來表示，論域X上的一個模糊集A，對于任意 ，都指定了一個數(shù) ，叫做x對A的隸屬程度 稱做A的隸屬函數(shù)。 隸屬度函數(shù)有以下11種：

2、（1）高斯型隸屬度函數(shù) 2 2 2 )( ),( cx ecxf (2) 雙側(cè)高斯型隸屬度函數(shù) （3） 鐘形隸屬度函數(shù) b a cx cbaxf 2 )(1 1 ),( MATLABMATLAB應用技術應用技術 Simulink模煳控制教程4 （4）Sigmoid函數(shù)型隸屬度函數(shù) )( 1 1 ),( cxa e cbaxf （5）差型sigmoid隸屬度函數(shù) )()( 2211 2211 1 1 1 1 ),( cxacxa ee cacaxf （6） 積型sigmoid隸屬度函數(shù) )()( 2211 2211 1 1 1 1 ),( cxacxa ee cacaxf （7） Z形隸屬度函數(shù)

3、 （8） 形隸屬度函數(shù) （9） S形隸屬度函數(shù) （10） 梯形隸屬度函數(shù) dx cxb bc xc cxb bxa ab ax ax dcbaxf 0 1 0 ),( （11） 三角形隸屬度函數(shù) xc axb bc xc bxa ab ax ax dcbaxf 0 0 ),( MATLABMATLAB應用技術應用技術 Simulink模煳控制教程5 3模糊邏輯運算 BxAxxBA且: BxAxxBA或: 為全集UUxAxxA,: BbAaba（BA,: ),( 與運算 或運算 非運算 直積 )(),(min()(xxx BABA )(),(max(xx BABA )(1)(xx A A 邏輯與

4、（A AND B） 邏輯或（A OR B） 邏輯非（NOT A） 普通邏輯： 模糊邏輯 MATLABMATLAB應用技術應用技術 Simulink模煳控制教程6 4 模糊規(guī)則 模糊 推理系統(tǒng)工程中，模糊規(guī)則以模糊語言 的形式描述人類的經(jīng)驗和知識， 規(guī)則是否正確反映人類專家的經(jīng)驗和知識更新，是否能反映對象的特性， 直接決定了模糊推理系統(tǒng)的性能，通常通過模糊規(guī)則的形式是“ifthen”， 前提由對模糊語言變量的語言什描述構成，如“溫度較高”，“壓力較低” 等，結(jié)論由對輸出模糊語言變量表示成輸入量的精確什的組合，模糊規(guī)則 的這種形式化表示的符合人們通過自然對許多知識的描述和記憶習慣的。 模糊規(guī)則的建

5、立 總結(jié)操作人員工、專家的經(jīng)驗和知識。 基于過程的模糊模型。 基于學習的方法。 MATLABMATLAB應用技術應用技術 Simulink模煳控制教程7 最簡單的ifthen規(guī)則的形式是：“如果x是A，則y是B?！睆秃闲偷膇fthen 規(guī)則的形式很多，例如： “ if m是A且x 是B then y 是C，否則z是D” ； “ if m是A且x 是B 且 y 是C，then z是D” ； “ if m是A或x 是B then y 是C，或z是D” ； “ if m是A且x 是B then y 是C，且z是D” ； 這里A，B，C，D分別是論域M，X，Y，Z，中模糊集的主義值，if 部分是前 提

6、或前件，then 部分是結(jié)論或后件。 輸入模糊化 確定出ifthen規(guī)則前提中每個命題或斷言為真的程度（即隸屬度）。 應用模糊算子 召喚果規(guī)則的前提有幾部分，則利用模糊算子可以確定出整個前提為真的程度（即整個 前提的隸屬度）。 應用蘊含算子 由前提的隸屬度和蘊含琥子，可以確定出結(jié)論為真的程度 （即結(jié)論的隸屬度）。 MATLABMATLAB應用技術應用技術 Simulink模煳控制教程8 5模糊推理 模推理是采用模糊邏輯由給定的輸入到輸出的映射過程。模糊推理包括 五個方面： （1）輸入變量模糊化，即把確定的輸入轉(zhuǎn)化為由隸屬度描述的模糊集。 （2）在模糊規(guī)則的前件中應用模糊算子（與、或、非）。 （

7、3）根據(jù)模糊蘊含運算由前提推斷結(jié)論。 （4）合成每一個規(guī)則的結(jié)論部分，得出總的結(jié)論。 （5）反模糊化，即把輸出的模糊量轉(zhuǎn)化為確定的輸出。 MATLABMATLAB應用技術應用技術 Simulink模煳控制教程9 6 模糊控制 在自動控制理論中，控制器的分析與綜合依賴于精確的數(shù)學模型。而系統(tǒng) 在實際運行過程中，人們將觀察到的過程輸出與設定值比較，得到過程輸 出偏離設定值程度的模糊語義描述或過程輸出偏離設定值變化快慢的模糊 語義描述，經(jīng)邏輯推理得出控制量的模糊量：“適量減少燃料”，經(jīng)反模 糊化且，轉(zhuǎn)化為一精確的控制量，實現(xiàn)整個控制過程，以模糊集和模糊推 理為基礎，對上述手工操作過程進行建模，即可得

8、到期模糊控制器。 MATLABMATLAB應用技術應用技術 Simulink模煳控制教程10 612 模糊推理系統(tǒng)與MATLAB的應用 1 模糊推理系統(tǒng)結(jié)構 最常見的模糊推理系統(tǒng)的三類： 1、純模糊邏輯系統(tǒng) 2、Sugeno型模糊邏輯系統(tǒng) 3、Mamdani型模糊系統(tǒng) MATLABMATLAB應用技術應用技術 Simulink模煳控制教程11 2 Mamdani型模糊邏輯系統(tǒng)構建 Mamdani型是典型的模糊邏輯系統(tǒng)，MATLAB模糊邏輯工具箱中的模糊推理系統(tǒng)有五 個過程：輸入變量的模糊化、模糊關系運算、模糊合成運算、不同規(guī)則結(jié)果的綜合、 去模糊化。 （1） 輸入模糊化 （2） 輸入模糊集合的

9、合成運算 （3）模糊蘊含方法 （4）輸出的合成Aggregation （5）逆模糊化（解模糊化） MATLABMATLAB應用技術應用技術 Simulink模煳控制教程12 6.1.3 模糊推理系統(tǒng)的MATLAB模糊工具箱的圖形界面實現(xiàn) 模糊推理系統(tǒng)可通過MATLAB模糊工具箱的圖形界面工具來實現(xiàn)，方法簡單 并且直觀，也可利用MATLAB提供的命令行方式的模糊邏輯函數(shù)編輯實現(xiàn)，有利 于比較復雜的模糊推系統(tǒng)。 1 圖形界面工具箱簡介 MATLAB模糊工具箱提供的圖形化工具有五類： 模糊推理系統(tǒng)編輯器Fuzzy； 隸屬度函數(shù)編輯器Mfedit； 模糊規(guī)則編輯器Ruleedit； 模糊規(guī)則觀察器Ru

10、leview； 模糊推理輸入輸出曲面視圖Surfview。 MATLABMATLAB應用技術應用技術 Simulink模煳控制教程13 2模糊推理系統(tǒng)編輯器（Fuzzy） 執(zhí)行Fuzzy命令 MATLABMATLAB應用技術應用技術 Simulink模煳控制教程14 3隸屬度函數(shù)編輯器（Mfedit） 命令窗口鍵入”mfedit” MATLABMATLAB應用技術應用技術 Simulink模煳控制教程15 4模糊規(guī)則編輯器（Ruleedit） MATLABMATLAB應用技術應用技術 Simulink模煳控制教程16 5模糊規(guī)則觀察器（Ruleview） 命令窗口鍵入“ruleview” MA

11、TLABMATLAB應用技術應用技術 Simulink模煳控制教程17 6模糊推理輸入輸出曲面視圖（Surfview） 命令窗口鍵入“surfview” MATLABMATLAB應用技術應用技術 Simulink模煳控制教程18 614模糊邏輯工具箱與Simulink的接口 1 MATLAB的模糊的圖形化系統(tǒng)建模和仿真工具Simulink 當在模糊邏輯工具箱中建立了模糊推理系統(tǒng)后，首先，對模糊邏 輯工具箱中建立的模糊推理系統(tǒng)后生成FIS文件，然后，在MATLAB命 令窗口鍵入命令Simulink或是直接點擊工具欄上的Simulink圖標，可以 打開Simulink模塊庫瀏覽環(huán)境 ，在Simul

12、ink模塊庫瀏覽環(huán)境里通過選擇 菜單【File】、【New】、【Model】或直接點擊工具欄上的相應圖標 來創(chuàng)建一個新的模型。在新的仿真模型編輯主窗口中搭建仿真控制系 統(tǒng)模型。 MATLABMATLAB應用技術應用技術 Simulink模煳控制教程19 例 設計典型二階環(huán)節(jié)， 14 . 46 . 1 20 )( 2 ss sH 的模糊控制器，使系統(tǒng)輸出盡快跟隨系統(tǒng)輸入。 MATLABMATLAB應用技術應用技術 Simulink模煳控制教程20 設系統(tǒng)輸入為R=10，系統(tǒng)輸出誤差為e ，誤差導數(shù)為de，則可根據(jù)系 統(tǒng)輸出的誤差和誤差導數(shù)設計出模糊控制器（FC）。FC的輸入為e 和de 的模糊量

13、，輸出為u 的模糊量，論域分別為：、 ，其模糊語言分別為： E ：“大”；“小” de：“正”“零”、“負”； u ：“負大NB”、“負小NS”、“零ZR”、“正小PS”、“正大PB”。 MATLABMATLAB應用技術應用技術 Simulink模煳控制教程21 使用ATLABL圖形界面工具設計模糊控制器FC： 確定隸屬度函數(shù) 確定模糊控制器規(guī)則 將編制好的文件生成FIS文件 上述過程按前面講解完成，該例子的文件名為H.fis; 在MATLAB下的Simulink環(huán)境中建立二級系統(tǒng)的仿真模型如下： MATLABMATLAB應用技術應用技術 Simulink模煳控制教程22 將MATLAB下的G

14、H.fis文件導入Simulink模型中，作為的模糊控制器FC的參數(shù)： 步驟： (1)選取擇上圖中的模糊模塊控制器（雙擊其圖標），打開對話框 并給導入到仿真系統(tǒng)中的模糊控制器命名為gh.fis (2)在MATLAB環(huán)境下使用命令：gh=read(GH.FIS)執(zhí)行即可 (3)模型中變量修改使用FIS中的Wizard模塊將編制的模糊控制器標準化 MATLABMATLAB應用技術應用技術 Simulink模煳控制教程23 模糊控制器參數(shù)類型轉(zhuǎn)換圖 MATLABMATLAB應用技術應用技術 Simulink模煳控制教程24 系統(tǒng)輸出 MATLABMATLAB應用技術應用技術 Simulink模煳控制

15、教程25 6.2 MATLAB模糊邏輯工具箱命令行函數(shù)應用 6.2.1 MATLAB模糊邏輯工具箱函數(shù) GUI（圖形用戶界面）工具（圖形用戶界面）工具 函數(shù)功能 anfisedit打開ANFIS編輯器的GUI（圖形界 面） fuzzy調(diào)用基本功的FIS編輯器 mfedit隸屬度函數(shù)編輯器 ruleedit規(guī)則編輯器和解析器 ruleview規(guī)則觀測器和模糊推理框圖 surfview輸出曲面觀測器 MATLABMATLAB應用技術應用技術 Simulink模煳控制教程26 隸屬度函數(shù) 函數(shù)功能 dsigmf由兩個S形隸屬度函數(shù)的差構成的 隸屬度函數(shù) gauss2mf聯(lián)合高斯型隸屬度函數(shù) gaus

16、smf高斯型隸屬度函數(shù) gbellmf廣義鐘形隸屬并函數(shù) pimf形隸屬度函數(shù) psigmf由兩個S形隸屬度函數(shù)的積構成的 隸屬度函數(shù) smfS狀隸屬度函數(shù) sigmfS形隸屬并函數(shù) trapmf梯形隸屬度函數(shù) trimf三角形隸屬度函數(shù) zmfZ形隸屬度函數(shù) MATLABMATLAB應用技術應用技術 Simulink模煳控制教程27 FIS數(shù)據(jù)結(jié)構管理 函數(shù)功能 addmf隸屬度函添加到FIS（模糊推理系統(tǒng)） addrule在FIS中添加規(guī)則 addvar在FIS中添加變量 defuzz反模糊化的隸屬度函數(shù) evalfis完成模糊推理計算 evalmf普通隸屬度函數(shù)的計算 gensurf產(chǎn)生

17、FIS輸出曲面 getfis獲取模糊系統(tǒng)的特性 mf2mf在隸屬度函數(shù)之間進行參數(shù)變換 newfis建立新的FIS parsrule模糊規(guī)則解析 plotfis繪圖表示FIS plotmf繪制出給定變量的所有隸屬度函數(shù) readfis從磁盤中裝入FIS rmmf從FIS中刪除隸屬度函數(shù) rmvar從FIS中刪除變量 setfis設置模糊系統(tǒng)的特性 showfis顯示帶注釋的FIS showrule顯示FIS規(guī)則 writefis將FIS結(jié)構保存到磁盤文件中 MATLABMATLAB應用技術應用技術 Simulink模煳控制教程28 先進技術 函數(shù)功能 anfisSugeno型的訓練程序 fcm

18、模糊C均值聚類 genfis1從示加聚類的數(shù)據(jù)中產(chǎn)生FIS結(jié) 構 genfis2利用減法聚類從數(shù)據(jù)中產(chǎn)生FIS 結(jié)構 subclust找出減法聚類的聚類中心 MATLABMATLAB應用技術應用技術 Simulink模煳控制教程29 Simulink仿真方框 函數(shù)功能 fuzblock模糊邏輯控制器框圖仿真 sffisSimulink中和模糊推理S函數(shù) MATLABMATLAB應用技術應用技術 Simulink模煳控制教程30 其余函數(shù) 函數(shù) 功能 convertfisFIS結(jié)構的版本變換 findcluster模糊C均值和減法聚類的交互 聚類GUI fuzarith完成模糊算術運算 mam2

19、sug將Mamdani型的FIS變換成 Sugeno型FIS fuzdemos模糊邏輯工具箱演示程序列表 help fuzzy MATLABMATLAB應用技術應用技術 Simulink模煳控制教程31 模糊 系統(tǒng)演示程序 函數(shù) 功能 defuzzdm去模糊方法 fcmdemoFCM聚類方法演示（二維） gasdemo使用減法聚類的ANFIS演示 juggler魔球演示 invkine機械臂的倒置 irisfcmFCM聚類演示（四維） noisedm自適應噪聲對消 slbb球棒控制 slcp倒立擺控制 sltank水位控制 sltankrule水位控制（得用規(guī)則觀測器） sltbu卡車倒車控制

20、 MATLABMATLAB應用技術應用技術 Simulink模煳控制教程32 622 MATLAB命令行函數(shù)使用 1、隸屬度函數(shù) （1）dsigmf 功能：由兩個S形隸屬度函數(shù)的差構成的隸屬度函數(shù)。 格式：y=dsigmf(x，a1 c1 a2 c2) （2）Gauss2mf 功能：聯(lián)合高斯（Gaussian）型隸屬函數(shù) 格式：y=gauss2mf(x，sig1 c1 sig2 c2) （3）gaussmf 功能：高斯（Gaussian）型隸屬度函數(shù)。 格式：y=gaussmf（x,sig c） MATLABMATLAB應用技術應用技術 Simulink模煳控制教程33 （4）gbellmf

21、功能：廣義鐘形隸屬度函數(shù)。 格式：y=gbellmf(x，params) （5）primf 功能：形隸屬度函數(shù)。 格式：y=pimf(x，a b c d) （6）psigmf 功能：由兩個S形隸屬度函數(shù)的積成的隸屬度函數(shù)。 格式：y=psigmf(x，a1 c1 a2 c2) （7）smf 功能：S狀隸屬度函數(shù)。 格式：y=smf(x，a b) MATLABMATLAB應用技術應用技術 Simulink模煳控制教程34 （8）Sigmf 功能：S形隸屬度函數(shù)。 格式：y=sigmf(x，a c) （9）trapmf 功能：功能：梯形隸屬度函數(shù)。 格式：格式：y=trapmf（x,a b c d

22、） （10） trimf 功能：功能：三角形隸屬度函數(shù)。 格式：y=trimf(x，params) y=trimf(x，a b c) （11） zmf 功能：Z形隸屬度函數(shù)。 格式：y=zmf(x,a b) MATLABMATLAB應用技術應用技術 Simulink模煳控制教程35 2FIS數(shù)據(jù)結(jié)構管理 （1）addmf 功能：隸屬度函數(shù)添加到FIS（模糊推理系統(tǒng)）。 格式：a=addmf(a,varType,varIndex,mfName,mfType,mfParams) （2）addrule 功能：在FIS中添加規(guī)則。 格式：a=addrule（a，ruleList） （3）addvar

23、功能：在FIS中添加變量： 格式：a=addvar(a, varType, varName,varBounds) MATLABMATLAB應用技術應用技術 Simulink模煳控制教程36 （4）defuzz 功能：反模糊化的隸屬度函數(shù)。 格式：out=defuzz(x，mf，type) （5）evalfis 功能：完成模糊推理計算。 格式：output=evalfis(input,fismat) Output=evalfis(input,fismat,numPts) output,IRR,ORR,ARR=evalfis(input,fismat) output,IRR,ORR,ARR=eva

24、lfis(input,fismat,numPts) （6）evalmf 功能：普通隸屬度函數(shù)的計算。 （7）gensurf 功能：產(chǎn)生FIS輸出曲面。 MATLABMATLAB應用技術應用技術 Simulink模煳控制教程37 （8）getfis 功能：獲取模糊系統(tǒng)的特性。 （10）newfis 功能：建立新的FIS. 格式：a=newfis(fisName,fisType,andMethod,orMethod,impMethod, aggMethod,defuzzMethod) （9）mf2mf 功能：在隸屬度函數(shù)之間進行參數(shù)變換。 格式：outParams=mf2mf(inParams,i

25、nType,outType) （11） parsrule 功能：模糊規(guī)則解析。 格式：fis2=parsrule(fis,txtRuleList) fis2=parsrule(fis,txtRuleList,ruleFormat) fis2=parsrule(fis,txtRuleList,ruleFormat,lang) MATLABMATLAB應用技術應用技術 Simulink模煳控制教程38 （12）plotfis 功能：繪圖表示FIS。 格式：plotfis(fismat) （13）plotmf 功能：繪制出給定變量的所有隸屬度函數(shù)。 格式：plotmf(fismat,varType,

26、varIndex) （14）readfis 功能：從磁盤中裝入FIS。 格式：fismat=raedfis() （15）rmmf 功能：從FIS中刪除隸屬度函數(shù)。 格式：fis=rmmf(fis,varType,varIndex,mf,mfIndex) MATLABMATLAB應用技術應用技術 Simulink模煳控制教程39 （16） rmvar 功能：從FIS中刪除變量。 格式：fis2,errorStr=rmvar(fis, varType,varIndex) fis2= rmvar(fis, varType,varIndex) （17） setfis 功能：設置模糊系統(tǒng)的特性。 格式：

27、a=setfis(a,fisPropname,newfisProp); a= setfis(a,varType,varIndex,varPropname,newvarProp); a= setfis(a,varType,varIndex,mf,mfIndex,mfPropname,newmfProp); （18） showfis 功能：顯示帶注釋的FIS。 格式：showfis(fismat) MATLABMATLAB應用技術應用技術 Simulink模煳控制教程40 19Showrule 功能：顯示FIS規(guī)則。 格式：showrule(fis) showrule(fis,indxList)

28、showrule(fis,indexList,format) showrule(fis,indexList,format,Lang) MATLABMATLAB應用技術應用技術 Simulink模煳控制教程41 3、先進技術 （1）anfis 功能：Sugeno型FIS的訓練程序。 （2）fcm 功能：模糊C均值聚類。 格式：center，U，obj_fcn=fcn(data，cluster_n) （3）genfis1 功能：從未加聚類的數(shù)據(jù)中產(chǎn)生FIS 結(jié)構。 格式：fismat=genfis1(data) （4）genfis2 功能：利用減法聚類從數(shù)據(jù)中產(chǎn)生FIS結(jié)構。 格式：fismat=

29、genfis2(Xin，Xout，radii) fismat=genfis2(Xin，Xout，radii，xBounds) fismat=genfis2(Xin，Xout，radii，xBounds，options) MATLABMATLAB應用技術應用技術 Simulink模煳控制教程42 （5）Subclust 功能：找出減法聚類的聚類中心。 格式：C，S=subclust(X，radii，xBounds，options) MATLABMATLAB應用技術應用技術 Simulink模煳控制教程43 4、Simulink 仿真方框 （1）fuzblock 功能：模糊邏輯控制器框圖仿真。 格

30、式：fuzblock （2） sffis 功能：Simulink中的模糊推理S函數(shù)。 格式：output=sffis(t,x,u,flag,fismat) MATLABMATLAB應用技術應用技術 Simulink模煳控制教程44 5、其余函數(shù) （1）Convertfis 功能：FIS結(jié)構的版本變換。 格式：fis_new=converfis(fis_old) （2）findcluster 功能：模糊C均值和減法聚類的交互聚類GUI。 格式：findcluster （3）fuzarith 功能：完成模糊算術運算。 格式：C=fuzarith(X，A，B，operator) MATLABMATL

31、AB應用技術應用技術 Simulink模煳控制教程45 （4）mam2sug 功能：將Mamdani型的FIS變換成Sugeno型FIS。 （5）fuzdemos 功能：模糊邏輯工具箱演示程序列表。 格式：fuzdemos MATLABMATLAB應用技術應用技術 Simulink模煳控制教程46 623 MATLAB模糊邏輯工具箱命令函數(shù)應用實例 設計典型二階環(huán)節(jié)： 14 . 46 . 1 20 )( 2 ss sH 的模糊控制器，使系統(tǒng)輸出盡快跟隨系統(tǒng)輸入。 MATLABMATLAB應用技術應用技術 Simulink模煳控制教程47 隸屬度函數(shù) 誤差隸屬度函數(shù) 誤差變化率隸屬度函數(shù) MAT

32、LABMATLAB應用技術應用技術 Simulink模煳控制教程48 輸出隸屬度函數(shù) MATLABMATLAB應用技術應用技術 Simulink模煳控制教程49 FC的模糊推量規(guī)則表 ue de NBNSZRPSPB NBPBPBPSPSZR NSPBPSPSZRZR ZRPSPSZRZRNS PSPSZRZRNSNS PBZRZRNSNSNB MATLABMATLAB應用技術應用技術 Simulink模煳控制教程50 MATLAB程序如下 num=20; den=1.6 4.4 1; a1 b c d=tf2ss(num,den); x=0;0; T=0.01;h=T; N=250; R=1

33、.5*ones(1,N);參考輸入 %定義輸入輸出變量與隸屬度函數(shù) a=newfis(Simple); a=addvar(a,input,e,-6 6); a=addmf(a,input,1,NB,trapmf,-6,-6,-5,-3); a=addmf(a,input,1,NS,trapmf,-5,-3,-2,0); a=addmf(a,input,1,ZR,trimf,-2,0,2); a=addmf(a,input,1,PS,trapmf,0,2,3,5); a=addmf(a,input,1,PB,trapmf,3,5,6,6); a=addvar(a,input,de,-6,6); a=addmf(a,input,2,NB,trapmf,-6,-6,-5,-3); a=addmf(a,input,2,NS,trapmf,-5,-3,-2,0); a=addmf(a,input,2,ZR,trimf,-2,0,2); a=addmf(a,input,2,PS,trapm