matlab模糊控制仿真

1、座艙壓力控制系統(tǒng)的仿真 飛機(jī)座艙壓力控制系統(tǒng)是為了克服飛機(jī)在高空飛行時(shí)壓力環(huán)境對(duì)人體和設(shè)備的不利影響，保證艙內(nèi)人員及設(shè)備安全和可靠工作的必要設(shè)備。座艙壓力控制系統(tǒng)的出現(xiàn)是為了滿(mǎn)足座艙內(nèi)的壓力要求，即包括對(duì)座艙高度、壓差、壓力變化速度及壓力制度提出的要求。數(shù)字式座艙壓力控制系統(tǒng)是采用全數(shù)字控制回路，其組成部分主要有：控制面板、控制器、電機(jī)和排氣活門(mén)。其工作原理是控制器接收來(lái)自座艙壓力傳感器、大氣數(shù)據(jù)計(jì)算機(jī)、飛行控制面板的信號(hào)，通過(guò)內(nèi)部程序判斷飛行狀態(tài)、根據(jù)相應(yīng)座艙壓力制度和飛行狀態(tài)控制規(guī)律計(jì)算座艙壓力指令信號(hào)并與壓力傳感器測(cè)出的座艙壓力實(shí)際值進(jìn)行比較。將比較得出的偏差信號(hào)作為輸入量，根據(jù)內(nèi)部算法

2、得到輸出量活門(mén)轉(zhuǎn)角控制信號(hào)，并將此信號(hào)傳遞給伺服電機(jī)，從而通過(guò)伺服電機(jī)改變排氣活門(mén)轉(zhuǎn)角來(lái)改變排氣流量，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)座艙內(nèi)的壓力和壓力變化速率控制在規(guī)定的范圍內(nèi)。下圖為數(shù)字座艙控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖圖1 數(shù)字座艙控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)本文利用 Simulink 對(duì)座艙壓力控制系統(tǒng)的各個(gè)組件進(jìn)行建模并對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行仿真，在 MATLAB 這樣一個(gè)開(kāi)放的平臺(tái)上進(jìn)行仿真。Simulink 提供的建立模型方塊圖的圖形用戶(hù)接口（GUI）非常方便，在創(chuàng)建系統(tǒng)模型時(shí)只需通過(guò)不同的基本模塊（如積分、微分、常數(shù)、符號(hào)）就能完成系統(tǒng)的組建，對(duì)于個(gè)別復(fù)雜的模塊，設(shè)計(jì)人員也可通過(guò)定制模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)。本文的數(shù)字座艙壓力控制系統(tǒng)主要包括座艙、排氣活

3、門(mén)、電機(jī)三個(gè)部分，運(yùn)用 simulink 創(chuàng)建仿真模型的思路就是將這些部分的數(shù)學(xué)模型通過(guò)simulink 模塊庫(kù)中的各種模塊組合起來(lái)。（1） 座艙線(xiàn)性化令座艙供氣流量保持不變后得到 (1)座艙壓力時(shí)間常數(shù)排氣活門(mén)靈敏度對(duì)座艙壓力的影響系數(shù)。拉氏變化后的傳遞函數(shù)形式 (2)圖2 座艙結(jié)構(gòu)模型圖圖3 封裝模型圖圖4 座艙參數(shù)設(shè)置（2） 排氣活門(mén) (3)活門(mén)最大開(kāi)度傳遞函數(shù)為 (4)圖5 蝶式排氣活門(mén)模型圖6 蝶式排氣活門(mén)封裝模型圖7 參數(shù)設(shè)置（3） 電機(jī)本文所取電機(jī)型號(hào)為 272768，電壓為24V。電機(jī)線(xiàn)性化 (5)圖8 電機(jī)模型結(jié)構(gòu)圖圖9 參數(shù)設(shè)置 根據(jù)線(xiàn)性化處理的座艙壓力控制系統(tǒng)的工作原理以

4、及上面的模塊圖可知，該系統(tǒng)為單輸入、單輸出系統(tǒng)，且在某一平衡狀態(tài)附近工作時(shí)為線(xiàn)性、定常系統(tǒng)。因此采用傳遞函數(shù)表達(dá)式比微分方程形式更加便于對(duì)系統(tǒng)性能的分析。系統(tǒng)傳遞函數(shù) (6)圖10 PID控制系統(tǒng)模塊圖圖11 PID仿真結(jié)果（4） 模糊PID控制器設(shè)計(jì) 根據(jù)和值運(yùn)用下式計(jì)算出控制器各個(gè)參數(shù)。 (7)圖12 模糊PID控制結(jié)構(gòu)圖圖13 模糊PID系統(tǒng)封裝模糊-PID 控制器的設(shè)計(jì)思想是通過(guò)模糊理論實(shí)現(xiàn) PID 控制過(guò)程中比例系數(shù)、積分系數(shù)、微分系數(shù)三個(gè)參數(shù)的在線(xiàn)調(diào)整，因此整個(gè)控制過(guò)程可以看成是先進(jìn)行模糊控制得出三個(gè)參數(shù)，然后再執(zhí)行 PID 控制?；谶@個(gè)思想設(shè)計(jì)模糊控制器。本文使用 MATLAB

5、 的 Simulink 仿真模塊庫(kù)中專(zhuān)用的模糊邏輯工具箱中的圖形用戶(hù)界面來(lái)設(shè)計(jì)模糊控制器。模糊控制系統(tǒng)共有五個(gè)界面，包括三個(gè)可以互動(dòng)的編輯器（模糊推理系統(tǒng)編輯器；隸屬函數(shù)編輯器；模糊規(guī)則編輯器），兩個(gè)界面只讀工具（模糊規(guī)則觀(guān)察期；輸出曲面觀(guān)測(cè)器）。圖14 mamdani 型模糊控制器界面 圖15 輸入量 E 的模糊語(yǔ)言變量及隸屬函數(shù)的選取圖圖16 輸入量 EC 的模糊語(yǔ)言變量及隸屬函數(shù)的選取圖圖17 輸出量 Ki的模糊語(yǔ)言變量及隸屬函數(shù)的選取圖 在 PID 控制中，比例作用跟偏差成正比，是依據(jù)偏差的大小來(lái)動(dòng)作的，決定響應(yīng)速度，能夠提高系統(tǒng)調(diào)節(jié)精度；積分作用是依據(jù)偏差是否存在來(lái)動(dòng)作的，起著消除系

6、統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差的作用；微分作用是依據(jù)偏差變化速度來(lái)動(dòng)作的，在系統(tǒng)中起著超前調(diào)節(jié)的作用，能夠改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。 依據(jù)以上原理，在不同的 E 和 EC 下，被控過(guò)程對(duì)參數(shù)、的自整定要求歸納如下：1.當(dāng) E 較大，為了使系統(tǒng)響應(yīng)具有較好的快速跟蹤性能，并避免因開(kāi)始時(shí)偏差的瞬間變大，可能引起微分飽和，使控制作用超出許可范圍，應(yīng)取較大的和較小的，同時(shí)為避免系統(tǒng)響應(yīng)出現(xiàn)較大的超調(diào)，需對(duì)積分作用加以限制，可以取=0。2.當(dāng) E 為中等大小時(shí)，為使系統(tǒng)具有較小的超調(diào)，應(yīng)取較小的，適當(dāng)?shù)暮?以保證系統(tǒng)響應(yīng)速度，其中的取值對(duì)系統(tǒng)的響應(yīng)速度影響較大。3.當(dāng) E 較小時(shí)，為使系統(tǒng)具有良好的穩(wěn)態(tài)性能，應(yīng)取較大的和，同時(shí)避

7、免系統(tǒng)在設(shè)定值附近出現(xiàn)振蕩，并考慮系統(tǒng)的抗干擾性能。當(dāng) EC 較小時(shí)，值可以取大些；當(dāng) EC 較大時(shí)，值應(yīng)取小些。 通過(guò)上面的分析，對(duì)模糊準(zhǔn)側(cè)進(jìn)行總結(jié)。圖18 模糊規(guī)則編輯器輸入界面 將參數(shù)整定好的普通 PID 控制器和模糊 PID 控制器對(duì)相同系統(tǒng)進(jìn)行仿真。圖19 線(xiàn)性座艙壓力控制系統(tǒng)仿真模型圖20 仿真結(jié)果系統(tǒng)階躍響應(yīng)曲線(xiàn) 在給出一個(gè)階躍信號(hào)后，系統(tǒng)仿真結(jié)果如上圖所示，圖中模糊推理的PID和普通PID對(duì)比，其中超調(diào)和收斂時(shí)間均不佳的為傳統(tǒng)PID控制器。從仿真結(jié)果可以看出，基于模糊推理的 PID 控制器相比于傳統(tǒng) PID 控制器具有較小的超調(diào)量，在輸入信號(hào)為階躍信號(hào)時(shí)，保證了系統(tǒng)良好的穩(wěn)定性，同時(shí)