智能控制實驗一

1、 哈爾濱理工大學(xué)實 驗 報 告課程名稱 智能控制 學(xué) 院 自動化學(xué)院 班 級 姓 名 學(xué)號 日 期 2019.4 基于mamdani型模糊控制器線性系統(tǒng)的位置跟蹤一、實驗?zāi)康?1.熟悉mamdani模糊控制器的設(shè)計原理；2.掌握模糊控制器的設(shè)計步驟；3.熟悉模糊控制規(guī)則對控制系統(tǒng)效果的影響 ；4.熟悉模糊控制器設(shè)計的Matlab命令；5.掌握用MATLAB實現(xiàn)模糊控制系統(tǒng)仿真的方法。 二、設(shè)備及條件計算機系統(tǒng)Matlab仿真軟件 三、實驗原理根據(jù)跟蹤誤差及其變化率，設(shè)計模糊控制器使得跟蹤誤差趨近于零。四、設(shè)計要求    已知某一線性系統(tǒng)，根據(jù)誤差及其變化率來設(shè)計模

2、糊控制器，使得閉環(huán)系統(tǒng)的輸出跟蹤正弦信號，已知：誤差及其變化率的范圍初步定為，要求分為7個模糊集；輸出的范圍初步定為，要求分為9個模糊集；設(shè)計隸屬度函數(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實現(xiàn)該控制器，并對控制效果進行仿真，根據(jù)仿真結(jié)果對模糊控制規(guī)則、控制信號范圍、誤差及其變化率進行調(diào)整。5、 實驗環(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)計環(huán)境，是實現(xiàn)動態(tài)系統(tǒng)建模、仿真和分析的一個軟件包，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)字信號處理的建模和仿真中

3、。5.1.2 Simulink優(yōu)點Simulink具有適應(yīng)面廣、結(jié)構(gòu)和流程清晰及仿真精細、貼近實際、效率高、靈活等優(yōu)點，并基于以上優(yōu)點Simulink已被廣泛應(yīng)用于控制理論和數(shù)字信號處理的復(fù)雜仿真和設(shè)計。5.1.3 Simulink基本模塊SIMULINK模塊庫按功能進行分類，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)和平臺模塊）Function&Tables（函數(shù)和平臺模塊）Math（數(shù)學(xué)模塊）Math（數(shù)學(xué)模塊）5.1.4 Simulink建模

4、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)框圖的布局擺好并連接各模塊 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)計提供了一種非常便捷的途徑，通過它我們不需要進行復(fù)雜的模糊化、模糊推理及反

5、模糊化運算，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。5.2.2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FIS確定體統(tǒng)輸入輸出變量的名稱和個數(shù)，判斷模糊算子，聚類方法和解模糊方法隸屬函數(shù)編輯器確定各個變量論域和顯示范圍，確定變量名稱和個數(shù)等模糊規(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)則當中模糊規(guī)則觀察器用戶觀察模糊推理圖略模糊曲面觀察器詳細顯示某一時刻的計算略六、控制器設(shè)計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。模糊控制器的控

6、制規(guī)律由計算機的程序?qū)崿F(xiàn)，實現(xiàn)一步模糊控制算法的過程是：微機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E；一般選誤差信號E作為模糊控制器的一個輸入量，把E的精確量進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子集e(e實際上是一個模糊向量);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)則進行模糊決策，得到模糊控制量u為：。式中u為一個模糊量；為了對被控對象施加精確的控制，還需要將模糊量u進行非模糊化處理轉(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)行機構(gòu)，對被控對象進行一步控制；然后，進行第二次采樣，

7、完成第二步控制，這樣循環(huán)下去，就實現(xiàn)了被控對象的模糊控制。圖1 模糊控制原理圖七、仿真模型建立在本次實驗中，已知某一線性系統(tǒng)，要求根據(jù)誤差及其變化率來設(shè)計模糊控制器，使得閉環(huán)系統(tǒng)的輸出跟蹤正弦信號。已知：誤差及其變化率的范圍初步定為，要求分為7個模糊集；輸出的范圍初步定為，要求分為9個模糊集；7.1FIS編輯器設(shè)計本次實驗存在兩個輸入輸入信號，首先在FIS圖形界面下點擊Edit-Add Variable-Input，添加一個輸入變量。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 隸屬函數(shù)編輯器設(shè)計首先我們要確定各個變量的論域和顯示范圍。在FIS界面雙擊某一個輸入輸

8、出窗口后，彈出隸屬函數(shù)編輯器。針對2個輸入變量，將左下角Range和Display Range范圍均修改為-0.3 0.3，針對輸出變量設(shè)置為-30 30。其次我們要確定變量的名稱和個數(shù)。在隸屬函數(shù)編輯器界面下，點擊Edit-Remove All MFS便可清除系統(tǒng)自帶的隸屬函數(shù)。針對2個輸入變量，點擊Edit-Add MFS，修改Num-bers 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9個輸出變量。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,PS,PM,PBec = NB,NM,NS,ZO,PS,PM,PBu = NB,NM,N

9、S,NZ,ZO,PZ,PS,PM,PB7.3 模糊規(guī)則編輯器設(shè)計上述步驟全部完成后開始設(shè)計模糊規(guī)則。在FIS界面下雙擊中間白色模塊(mamdani)，便可進入模糊規(guī)則編輯器，通過點擊邏輯關(guān)系并設(shè)定權(quán)重，便可組成邏輯規(guī)則。本實驗一共需要設(shè)計49條模糊規(guī)則。7.4 各編輯器效果圖圖2 FIS編輯器效果圖圖3 隸屬函數(shù)編輯器效果圖圖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)Rules1 1, 1 (1) : 11 2, 1 (1) : 11 3, 2 (1) : 11 4, 2 (1) : 11 5, 3 (1) : 11 6, 3 (1) : 11 7, 4 (1

10、) : 12 1, 1 (1) : 12 2, 2 (1) : 12 3, 2 (1) : 12 4, 3 (1) : 12 5, 3 (1) : 12 6, 4 (1) : 12 7, 5 (1) : 13 1, 2 (1) : 13 2, 2 (1) : 13 3, 3 (1) : 13 4, 3 (1) : 13 5, 4 (1) : 13 6, 5 (1) : 13 7, 5 (1) : 14 1, 2 (1) : 14 2, 3 (1) : 14 3, 3 (1) : 14 4, 4 (1) : 14 5, 5 (1) : 14 6, 5 (1) : 14 7, 6 (1) : 15

11、 1, 3 (1) : 15 2, 3 (1) : 15 3, 4 (1) : 15 4, 5 (1) : 15 5, 5 (1) : 15 6, 6 (1) : 15 7, 6 (1) : 16 1, 3 (1) : 16 2, 4 (1) : 16 3, 5 (1) : 16 4, 5 (1) : 16 5, 6 (1) : 16 6, 6 (1) : 16 7, 7 (1) : 17 1, 4 (1) : 17 2, 5 (1) : 17 3, 5 (1) : 17 4, 6 (1) : 17 5, 6 (1) : 17 6, 7 (1) : 17 7, 7 (1) : 1八、仿真調(diào)試4

12、.1 Simulink模塊設(shè)計圖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)計完成后，在FIS界面下，同時按下Ctrl+T將其保存到工作空間。打開Simulink仿真模塊點擊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到理想狀態(tài)，沒有實現(xiàn)給定信號的復(fù)現(xiàn)。存在一定滯后并且賦值沒有達到要求。根據(jù)分析，對規(guī)則矩陣進行合理修改，并將輸出范圍擴大為-30 30。按照上述步驟再次進行仿真聯(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。滿足了設(shè)計要求。九、實驗總結(jié)1.掌握了GUI+mamdani構(gòu)建模糊