智能控制課程設(shè)計(jì)任務(wù)書

1、智能控制課程設(shè)計(jì)任務(wù)書題目：1.模糊控制算法研究2.Speedcontroldesignforavehiclesystemusingfuzzylogic3.模糊自適應(yīng)整定PID控制一、課程設(shè)計(jì)的目的和要求目的：1.通過本次課程設(shè)計(jì)，進(jìn)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設(shè)計(jì)過程；2. 提高學(xué)生有關(guān)控制系統(tǒng)的程序設(shè)計(jì)能力；3. 熟悉Matlab語言以及在智能控制設(shè)計(jì)中的應(yīng)用。要求：首先選擇課程設(shè)計(jì)的題目，充分理解設(shè)計(jì)內(nèi)容，并獨(dú)立完成實(shí)驗(yàn)和課程設(shè)計(jì)報告。課程設(shè)計(jì)報告要求：課程設(shè)計(jì)題目，課程設(shè)計(jì)具體內(nèi)容及實(shí)現(xiàn)功能，結(jié)果分析、收獲或不足程序清單、參考資料。二、課程設(shè)計(jì)的基本內(nèi)容1模

2、糊控制算法研究假設(shè)系統(tǒng)的模型可以用二階加純滯后表示，即傳遞函數(shù)為G(s)=。其中(1+Ts)(l+Ts)f1f2各參數(shù)分別為K=40,T=10,T=60,t=2。f1f2d(1)用Matlab中的Simulink工具箱，組成一個模糊控制系統(tǒng)，如圖1所示。圖1模糊控制系統(tǒng)Simulink仿真模型圖(2) 采用模糊控制算法，設(shè)計(jì)出能跟蹤給定輸入的模糊控制器，對被控系統(tǒng)進(jìn)行仿真，繪制出系統(tǒng)的階躍響應(yīng)曲線。(3) 改變模糊控制器中模糊變量的隸屬度函數(shù)，分析隸屬度函數(shù)和模糊控制規(guī)則對模糊控制效果的影響。比較那種情況下的控制效果較好。(4) 給系統(tǒng)加上擾動，觀察此時的階躍響應(yīng)曲線，看系統(tǒng)是否仍然穩(wěn)定，并與

3、無擾動情況下的階躍響應(yīng)曲線進(jìn)行比較。并比較模糊控制和PID控制的魯棒性。(5) 改變系統(tǒng)的參數(shù)，了解模糊控制在系統(tǒng)參數(shù)發(fā)生變化時的控制效果。并與PID控制器作用下系統(tǒng)參數(shù)發(fā)生變化時的控制效果進(jìn)行比較，思考模糊控制相對于傳統(tǒng)控制的優(yōu)點(diǎn)。2.Speedcontroldesignforavehiclesystemusingfuzzylogic(1)ModeldescriptionoftheautomobileThedynamicsoftheautomobilearegivenasfollowsU(t)二-(-Au2(t)-d+f(t)mp1f(t)一(-f(t)+u(t)TWhereuistheco

4、ntrolinput(u>0representsathrottleinputandu<0representsabrakeinput),m=1300kgisthemassofthevehicle,A=0.3Ns2/m2isitsaerodynamicdrag,pd=100Nisaconstantfrictionalforce,fisthedriving/brakingforce,andT0.2secissaturatedat±1000N).Wecanusefuzzycontrolmethodtodesignacruisecontrolsystem.Obviously,the

5、fuzzycruisecontroldesignobjectiveistodevelopafuzzycontrollerthatregulatesavehicle'sspeedu(t)toadriver-specifiedvalueu(t).(2)Speedcontroldesignusingfuzzylogici)DesignofPIfuzzycontrollerSupposethatwewishtobeabletotrackasteporrampchangeinthedriver-specifiedspeedvalueu(t)veryaccurately.A“PIfuzzycont

6、roller”canbeusedasshowninFig.2.InFig.2,dthefuzzycontrollerisdenotedby;g°g1andg2arescalinggains;andb(t)istheinputoftheintegrator.Fig.2SpeedcontrolsystemusingaPIfuzzycontrollerFindthedifferentialequationthatdescribestheclosed-loopsystem.Letthestatebex=x,x,xT=u,f,bTandfindasystemofthreefirst-order

7、ordinarydifferentialequations123thatcanbeusedbytheRunge-Kuttamethodinthesimulationoftheclosed-loopsystem.isusedtorepresentthecontrollerinthedifferentialequations.Forthereferenceinput,threedifferenttestsignalscanbeusedasfollows:a:Testinput1makesu(t)=18m/sec(40.3mph)for0<t<10andu(t)=22m/secdd(49

8、.2mph)for10<t<30.b:Testinput2makesu(t)=18m/sec(40.3mph)for0<t<10andu(t)increasesddlinearly(aramp)from18to22m/secbyt=25sec,andthenu(t)=22for25<t<30.dc:Testinput3makesu(t)=22for0<tandweusex(0)astheinitialcondition(thisdrepresentsstartingthevehicleatrestandsuddenlycommandingalargei

9、ncreasespeed).ii)DesignofPIfuzzycontrollerSupposethatyouareconcernedwithtrackingastepchangeinu(t)accuratelyandthatdyouusethePDfuzzycontrollershowninFig.3.Torepresentthederivative,simplyuseabackwarddifferencee(t)-e(t-h)c(t)=7hWherehistheintegrationstepsizeinyoursimulation(oritcouldbeyoursamplingperio

10、dinanimplementation).Fig.3SpeedcontrolsystemusingaPDfuzzycontrollerDesignaPDfuzzycontrollertogetlessthan2%overshoot,arise-timebetween7and10sec.andasettlingtimeoflessthan10secfortestinput1definedina).Also,fortherampinput(testinput2in1)itmusthavelessthan1mphsteady-stateerrortotheramp(i.e.,attheendofth

11、eramppartoftheinput,havelessthan1mpherror).3.模糊自適應(yīng)整定PID控制設(shè)定聖込被控對象PID調(diào)節(jié)器模糊推理圖4自適應(yīng)模糊PID控制結(jié)構(gòu)圖自適應(yīng)模糊PID控制結(jié)構(gòu)如圖4所示。假設(shè)系統(tǒng)的模型可以用傳遞函數(shù)表示為s+1s(s2+s+1)(1)用Matlab中的Simulink工具箱，組成一個自適應(yīng)模糊PID控制系統(tǒng)，如圖5所示。圖5自適應(yīng)模糊PID控制系統(tǒng)仿真圖其中的模糊自調(diào)整機(jī)構(gòu)如圖6所示。圖6模糊自調(diào)整機(jī)構(gòu)仿真模型(2) 采用模糊PID控制算法，設(shè)計(jì)出能跟蹤給定輸入的自適應(yīng)模糊PID控制器，對被控系統(tǒng)進(jìn)行仿真，繪制出系統(tǒng)的階躍響應(yīng)曲線。(3) 給系統(tǒng)加

12、上擾動，觀察此時的階躍響應(yīng)曲線，看系統(tǒng)是否仍然穩(wěn)定，并與無擾動情況下的階躍響應(yīng)曲線進(jìn)行比較。并比較模糊控制和PID控制的魯棒性。(4) 改變系統(tǒng)的參數(shù)，了解模糊控制在系統(tǒng)參數(shù)發(fā)生變化時的控制效果。并與PID控制器作用下系統(tǒng)參數(shù)發(fā)生變化時的控制效果進(jìn)行比較，思考自適應(yīng)模糊PID控制相對于傳統(tǒng)控制及模糊控制的優(yōu)點(diǎn)。三、課程設(shè)計(jì)的考核方式及評分方法1考核方式課程設(shè)計(jì)結(jié)束時，在機(jī)房當(dāng)場驗(yàn)收2.評分依據(jù)(1) 出勤率(2) 課程設(shè)計(jì)準(zhǔn)備工作(3) 課程實(shí)際期間紀(jì)律(4) 課程設(shè)計(jì)運(yùn)行結(jié)果(5)課程設(shè)計(jì)報告四、參考資料1K.M.PassinoandS.Yurkovich.Fuzzycontrol,1ste

13、dn,AddisionWesleyLongman,Colifornia,1997.2Ioannou,P.A.;Chien,C.C."AutonomousIntelligentCruiseControl,"IEEETrans.onVehicularTechnology,42(4):657-672,1993.3Mayr,R.“Intelligentcruisecontrolforvehiclesbasedonfeedbacklinearization”.Proc.ofAmericanControlConference,pp.16-20,1994.4易繼楷，候媛斌.智能控制技術(shù).

14、北京：北京工業(yè)大學(xué)出版社，1999。5孫增圻.智能控制理論與技術(shù).北京：清華大學(xué)出版社，1997。6李國勇.智能控制及其Matlab實(shí)現(xiàn).電子工業(yè)出版社，2005。7吳曉莉，林哲輝.MATLAB輔助模糊系統(tǒng)設(shè)計(jì).西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2002。8.施陽.MATLAB語言精要及動態(tài)仿真工具SIMULINK.西安：西北工業(yè)大學(xué)出版社,997。8附：1.用Matlab進(jìn)行模糊控制仿真過程演示假設(shè)系統(tǒng)的模型可以用二階加純滯后表示，即傳遞函數(shù)為G(s)=3。其中(1+Ts)(l+Ts)f1f2各參數(shù)分別為K=40,T=10,T=60,t=2。要對該對象進(jìn)行模糊控制仿真研究，模型的建f1f2d立過

15、程可以采用如下步驟： .啟動Simulink。打開Matlab程序，并在該窗口鍵入Simulink來運(yùn)行Simulink,或點(diǎn)擊工具欄上Simulink按鈕，這時Simulink就顯示其所包含的子模塊庫。 .創(chuàng)建一個新模型。在File菜單中選擇New-Model,Simulink就創(chuàng)建一個新的窗口。 .向窗口拷貝模塊。例如，拷貝階躍輸入Step模塊，具體操作為：在Simulink窗口中用鼠標(biāo)點(diǎn)擊Source圖標(biāo)，這樣就打開了SourceLibrary中所有的模塊；要從SourceLibrary中拷貝Step模塊，可以用鼠標(biāo)單擊該模塊，然后拖動鼠標(biāo)把它移到自己的模型窗口中，并在所需要放的位置松開

16、鼠標(biāo)，這時Step模塊就出現(xiàn)在自己的模型窗中。其它需要拷貝模塊請參考圖1,這些模塊分別在Math庫、Continuous庫、Discontinuous庫、SignalRouting庫以及Sink庫中找到，方法同Step模塊。在Matlab的命令窗口輸入命令Fuzzy，進(jìn)入圖形用戶界面(GUI)窗口。根據(jù)控制規(guī)則和所選擇的隸屬度函數(shù)，利用模糊推理系統(tǒng)(FIS)編輯器可以建立一個FIS文件，取名為fuzzycontrol.fis。在FuzzyLogicToolbox中將FuzzyLogicController模塊找到，用鼠標(biāo)將相應(yīng)模塊拖入窗口中即可。 .模塊之間的連接線。在前一模塊的輸出端按下鼠標(biāo)

17、，然后拖動鼠標(biāo)到所需連接模塊的輸入端，此時松開鼠標(biāo)，兩個模塊就連接好了。 .模塊與其它兩個模塊之間連接線的連接。例如圖1，要把Sum塊與后面的Gain模塊和Derivative模塊分別連接，就要在按下鼠標(biāo)按鈕的同時，按住Ctrl鍵，然后拖動鼠標(biāo)到Gain模塊和Derivative模塊的輸入端口。 .模塊對應(yīng)參數(shù)的改變。用鼠標(biāo)雙擊需要修改參數(shù)的模塊，就可以根據(jù)實(shí)際情況修改各個參數(shù)。例如打開Gain模塊，直接把Gain參數(shù)改為需要的值，又如傳函模塊，根據(jù)給定的已知傳函G(s)=Kd，把TransferFcn中的(1+Ts)(1+Ts)f1f2Numerator由默認(rèn)的1改為40。Denominat

18、or由默認(rèn)的111改為600701。其他模塊參數(shù)的修改類同。總之根據(jù)設(shè)計(jì)要求來修改各個模塊的參數(shù)。 .打開模糊推理系統(tǒng)數(shù)據(jù)文件。在MATLAB的命令窗口中輸入指令:fuzzy=readfis(fuzzycontrol.fis')，這樣就在基本工作空間中建立起了模糊推理系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)變量fuzzycontrol。仿真結(jié)果的演示a.打開Scope模塊，對Scope的參數(shù)進(jìn)行適當(dāng)修改。b.在模型窗口中的Simulink菜單中選擇Start命令，這時仿真結(jié)果就會在Scope模塊中顯示出來，用鼠標(biāo)雙擊該模塊就能看到結(jié)果。模型保存與結(jié)果運(yùn)行a.要保存所建的模型，選擇File->Save命令，輸入

19、要保存該模型的文件名單擊Ok即可。b.結(jié)束運(yùn)行Simulink和Matlab,可以選擇File-ExitMatlab即可。2.Matlab函數(shù)參考help啟動聯(lián)機(jī)幫助，格式：help函數(shù)名plotX-Y線性坐標(biāo)繪圖step階躍響應(yīng)newfis創(chuàng)建新的模糊推理系統(tǒng)readfis從磁盤中加載模糊推理系統(tǒng)writefis將模糊推理系統(tǒng)以矩陣形式保存在內(nèi)存中的數(shù)據(jù)寫入磁盤文件setfis設(shè)置模糊推理系統(tǒng)的屬性addvar向模糊推理系統(tǒng)添加語言變量addmf向模糊推理系統(tǒng)的語言變量添加隸屬度函數(shù)gaussmf建立高斯型隸屬度函數(shù)trimf建立三角型隸屬度函數(shù)addrule向模糊推理系統(tǒng)添加模糊規(guī)則evalfis執(zhí)行模