智能控制-課程設(shè)計-模糊控制算法研究

《智能控制》課程設(shè)計報告專業(yè)：自動化班級：3班學(xué)號：20080220321學(xué)生姓名：劉禹墨時間：11年12月30日～12年1月6日―――――――以下指導(dǎo)教師填寫―――――分項成績：出勤設(shè)計報告總成績：指導(dǎo)教師：設(shè)計報告要求和成績評定1報告內(nèi)容設(shè)計任務(wù)書〔設(shè)計方案〕，正文，參考資料。設(shè)計任務(wù)書〔設(shè)計方案〕由學(xué)生所在系安排指導(dǎo)教師編寫，內(nèi)容包括設(shè)計地點、時間、安排和設(shè)計內(nèi)容和要求等。正文內(nèi)容一般包括：〔1〕設(shè)計簡述〔設(shè)計時間、設(shè)計地點，設(shè)計方式等〕；〔2〕設(shè)計內(nèi)容表達；〔3〕設(shè)計成品(圖紙、表格或計算結(jié)果等)；〔4〕設(shè)計小結(jié)和建議。參考資料包括參考書和現(xiàn)場技術(shù)資料等。2書寫用紙A4復(fù)印紙；封面、設(shè)計任務(wù)書要求雙面打印。3書寫要求正文內(nèi)容手工雙面或單面書寫，字跡清楚，每頁20行左右，每行30字左右，排列整齊；頁碼居中寫在頁面下方；紙面上下左右4側(cè)邊距均為2厘米。公式單占一行居中書寫；插圖要有圖號和圖題，圖號和圖題書寫在插圖下方；表格要有表號和表題，表號和表題在表格上方書寫；物理量單位和符號、參考文獻引用和書寫以及圖紙繪制要符合有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定；有關(guān)細節(jié)可參考我院《畢業(yè)設(shè)計成品標(biāo)準(zhǔn)》。4裝訂裝訂順序：封面，設(shè)計任務(wù)書，正文及參考資料，封底；左邊為裝訂邊，三釘裝訂，中間釘反向裝訂。5成績評定設(shè)計成績一般由出勤〔10分〕、報告書寫標(biāo)準(zhǔn)性及成品質(zhì)量〔50分〕、考核〔40分〕三局部成績合成后折合為優(yōu)秀〔90－100分〕、良好〔80－89分〕、中〔70－79分〕、及格〔60－69分〕或不及格〔60分以下〕。設(shè)計考核可采取筆試、機試或其它適宜的方式；不參加考核或不交報告者成績?yōu)榱惴?。模糊控制算法研究一、課程設(shè)計的目的：1.通過本次課程設(shè)計，進一步了解模糊控制的根本原理、模糊模型的建立和模糊控制器的設(shè)計過程。2.提高學(xué)生有關(guān)控制系統(tǒng)的程序設(shè)計能力；3.熟悉Matlab語言以及在智能控制設(shè)計中的應(yīng)用。二、課程設(shè)計的根本內(nèi)容：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。其中各參數(shù)分別為。圖1模糊控制系統(tǒng)Simulink仿真模型圖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。2、采用模糊控制算法，設(shè)計出能跟蹤給定輸入的模糊控制器，對被控系統(tǒng)進行仿真，繪制出系統(tǒng)的階躍響應(yīng)曲線?！?〕模糊集合及論域的定義對誤差E、誤差變化EC機控制量U的模糊集合及其論域定義如下：E、EC和U的模糊集合均為：{NB、NM、NS、0、PS、PM、PB}E和EC的論域為：{-6、-5、-4、-3、-2、-1、0、1、2、3、4、5、6}U的論域為：{-7、-6、-5、-4、-3、-2、-1、0、1、2、3、4、5、6、7}上述的三個模糊集合都選取了7個元素，主要目的是著眼于提高穩(wěn)態(tài)精度。E、EC和U的隸屬度函數(shù)圖形如圖2,3,4所示：圖2變量E的隸屬度函數(shù)圖3變量EC的隸屬度函數(shù)圖4變量U的隸屬度函數(shù)〔2〕模糊控制規(guī)那么設(shè)計模糊控制規(guī)那么如下表所示：表1模糊控制規(guī)那么EUECNBNMNS0PSPMPBNBPSPSPSPSPMPBPBNMNSPSPSPSPMPMPBNSNMNS00PSPMPM0NBNMNS0PSPMPMPSNBNMNS00PSPMPMNBNBNMNSNSPSPSPBNBNBNMNSNSNSPS〔3〕系統(tǒng)的參數(shù)選擇系統(tǒng)所選用的參數(shù)為：Saturation、Saturation1、Saturation2的范圍分別為：[-66]、[-66]、[-77]，TransportDelay=2S。通過調(diào)試得到PID模糊控制的參數(shù)：Gain1=2.3，Gain=1.8，Gain2=0.07〔4〕仿真結(jié)果：系統(tǒng)的階躍響應(yīng)曲線如圖5所示，其中上方的曲線代表系統(tǒng)的階躍響應(yīng)，下方的曲線是系統(tǒng)的模糊控制量的變化。圖5階躍輸入的響應(yīng)曲線圖本設(shè)計中控制系統(tǒng)性能的要求為：σp=20%-30%，τs由圖5中曲線可知：σpτsess圖6、系統(tǒng)開環(huán)傳函的bode圖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)那么對模糊控制效果的影響。比擬那種情況下的控制效果較好。如下列圖所示改變模糊控制器中的隸屬度函數(shù)為梯形隸屬函數(shù)。圖7變量E的隸屬度函數(shù)圖8變量EC的隸屬度函數(shù)圖9變量U的隸屬度函數(shù)此時系統(tǒng)的階躍響應(yīng)曲線為：圖10系統(tǒng)的階躍響應(yīng)曲線由圖10中曲線可知道：στe由以上的仿真結(jié)果可以看出梯形隸屬度函數(shù)的系統(tǒng)性能沒有三角形隸屬度函數(shù)的系統(tǒng)性能好。此時系統(tǒng)的超調(diào)量變大，上升時間增大，穩(wěn)態(tài)誤差變大。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，并與無擾動情況下的階躍響應(yīng)曲線進行比擬。并比擬模糊控制和PID控制的魯棒性。(1)加擾動時的模型圖如圖11所示〔其中step1為幅值為0.02的階躍信號〕。圖11加擾動后的系統(tǒng)模型圖系統(tǒng)的階躍響應(yīng)曲線為：圖12系統(tǒng)的階躍響應(yīng)曲線由圖12中曲線可知道：σpτsess分析：由數(shù)據(jù)可知，系統(tǒng)加上擾動之后，系統(tǒng)仍然是穩(wěn)定的，系統(tǒng)性能指標(biāo)變化不大，說明有著良好的魯棒性。究其原因，在Saturation2之前加的擾動，相當(dāng)于被控制對象的輸入量在對應(yīng)時刻又并聯(lián)了一個輸入，從而在對應(yīng)的各個時刻相當(dāng)于增益變大；顯而易見，的增大，有助于系統(tǒng)的穩(wěn)定，但是會使超調(diào)量變大。調(diào)整時間變小，與實驗的結(jié)果是吻合的。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行比擬，思考模糊控制相對于傳統(tǒng)控制的優(yōu)點?！?〕當(dāng)系統(tǒng)開環(huán)增益k分別取k=35,k=40和k=45時系統(tǒng)的階躍響應(yīng)如圖13所示。圖13系統(tǒng)開環(huán)增益變化對系統(tǒng)階躍響應(yīng)的影響〔2〕當(dāng)系統(tǒng)純延時τ分別取τ=1.5s、τ=2s和τ=2.5s時系統(tǒng)的階躍響應(yīng)如圖14所示。圖14系統(tǒng)純滯后時間變化對系統(tǒng)階躍響應(yīng)的影響〔3〕當(dāng)系統(tǒng)慣性時間常數(shù)T2分別取T2=50s、T圖15系統(tǒng)較大的時間常數(shù)變化對系統(tǒng)階躍響應(yīng)的影響從圖13可以看出增大K值，系統(tǒng)的上升時間減小，此時超調(diào)量稍有增加；從圖14可以看出當(dāng)系統(tǒng)的純滯后時間增大時，系統(tǒng)的超調(diào)量增加較大。從圖15可以看出系統(tǒng)的慣性時間常數(shù)增大后使系統(tǒng)動態(tài)性能有所降低，當(dāng)時間常數(shù)T2增大時上升時間增大，但超調(diào)量有所降低。三、模糊控制的優(yōu)點通過本設(shè)計可以知道，模糊控制具有能夠得到良好的動態(tài)響應(yīng)性能，并且不需要知道被控對象的數(shù)學(xué)模型〔當(dāng)然本實驗中是道的〕，適應(yīng)性強，上升時間快，魯棒性好。與PID控制相比有著很大的優(yōu)勢，采用PID控制雖然穩(wěn)態(tài)性能較好，但是難以得到滿意的動態(tài)響應(yīng)性能，并且魯棒性差。當(dāng)然，模糊控制也有著自身的缺點，容易受到模糊規(guī)那么等級的限制而引起誤差，需