《計算機控制技術(shù) 第2版》 實驗五 模糊控制器的設(shè)計實驗指導(dǎo)書

自動化學(xué)院《計算機控制技術(shù)》課程實驗報告實驗五模糊PID控制器設(shè)計專業(yè)：自動化班級：姓名：學(xué)號：時間：指導(dǎo)老師：廖鳳依、羅文廣

實驗五模糊PID控制器設(shè)計一、實驗?zāi)康?、掌握模糊PID控制器設(shè)計方法。2、能確定控制器的輸入輸出，及模糊規(guī)則；能利用MATLAB模糊控制工具箱對典型工程系統(tǒng)輔助設(shè)計模糊控制控制器。3、構(gòu)建Simulink仿真模型獲得期望的控制結(jié)果，并對結(jié)果進行分析獲得正確結(jié)論。二、實驗器材微型計算機MATLAB軟件準(zhǔn)備知識1、模糊控制器設(shè)計步驟1)選擇模糊控制器的結(jié)構(gòu)模糊控制器一般有單變量模糊控制器和多變量模糊控制器。對單變量模糊控制器可以分為一維、二維、三維模糊控制器。一維模糊控制器輸入變量往往選擇為受控變量和輸入給定值的偏差e,往往用于一階被控對象。二維模糊控制器的兩個輸入變量基本上都選用被控變量值和輸入給定值的偏差e和偏差變化ec，目前采用較廣泛。三維模糊控制器的三個輸入變量分別為系統(tǒng)偏差量E、偏差變化量EC和偏差變化的變化率ECC。較少選用。定義輸入、輸出模糊集。可以定義輸入輸出模糊集為：{NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB}定義輸入、輸出隸屬函數(shù)。誤差e,誤差變化ec及控制量u的模糊集和論域確定后，需對模糊變量確定隸屬度函數(shù)，及對模糊變量賦值，確定論域內(nèi)原始對模糊變量的隸屬度。建立模糊控制規(guī)則及模糊控制表。根據(jù)人的直覺思維推理，由系統(tǒng)輸出的誤差及誤差變化趨勢來設(shè)計消除系統(tǒng)誤差的模糊控制規(guī)則。并使用模糊控制表來描述規(guī)則。模糊推理模糊推理是模糊控制的核心，它利用某種模糊推理算法和模糊規(guī)則進行推理，得出最終的控制量。反模糊化通過模糊推理得到的結(jié)果是一個模糊集合，在實際模糊控制中，需要有一個確定值才能控制或驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)。將模糊推理結(jié)果轉(zhuǎn)化為精確值的過程稱為反模糊化。常用的反模糊化有最大隸屬度法、重心法和加權(quán)平均法。四、實驗要求與任務(wù)一）設(shè)計任務(wù)：雙容水箱液位被控對象傳遞函數(shù)為，采樣時間為10ms，系統(tǒng)采用自適應(yīng)模糊PID控制器結(jié)構(gòu)，整定PID參數(shù)，使被控對象達到如下性能指標(biāo)要求。1)系統(tǒng)穩(wěn)定，單位階躍作用下穩(wěn)態(tài)誤差為0；2）超調(diào)量；調(diào)節(jié)時間二）要求：建立自適應(yīng)模糊控制器，輸入為偏差E及偏差變化率Ec，輸出為PID調(diào)節(jié)器的參數(shù)：比例項系數(shù)Kp、積分項系數(shù)Ki，和微分項系數(shù)Kd。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖：E論域[-2,2]，模糊集合{N，Z，P}；Ec論域[-2,2]，模糊集合{N，Z，P}；Kp論域[-10,10]，模糊集合{N，Z，P}；Ki論域[-2,2]，模糊集合{N，Z，P}；Kd論域[-1,1]，模糊集合{N，Z，P}；在Simulink建立系統(tǒng)仿真模型，仿真觀察，分析設(shè)計的自適應(yīng)模糊控制器是否滿足設(shè)計指標(biāo)要求。給出系統(tǒng)響應(yīng)曲線、PID控制器的參數(shù)整定變化過程曲線。設(shè)計過程（例程）：1、建立自適應(yīng)模糊控制器1）在MATLAB中輸入命令：fuzzy進入模糊邏輯工具箱。在菜單“Edit”下選擇“AddVariables”，增加輸入變量E，偏差變化率Ec、輸出變量Kp、Ki、Kd。選擇mandani模型。確定輸入輸出的論域及隸屬度函數(shù)雙擊變量，進入變量編輯界面。E：Ec:Kp:Ki:Kd:確定模糊控制規(guī)則Kp:整定規(guī)則：當(dāng)響應(yīng)上升時，e為P，增大Kp，即kp為P，當(dāng)超調(diào)時e為N,此時應(yīng)減小kp,即Kp為N。當(dāng)e在零附近，e為Z：此時考慮ec,當(dāng)ec為N時，超調(diào)越來越大，此時可以考慮kp為N;當(dāng)ec為Z時，為降低誤差，kp為P;當(dāng)ec為P時，正向誤差越來越大，此時可以考慮kp為P。即kp整定的模糊規(guī)則表為：kpEcNZPENNNNZNPPPPPPki整定規(guī)則：

采用積分分離策略，誤差在0附近時，ki取正為P，否則取0為Z。KiEcNZPENZZZZPPPPZZZKd:整定規(guī)則與kp相同。kdEcNZPENNNNZNPPPPPP輸入規(guī)則在菜單“Edit”下選擇“Rules”，輸入規(guī)則表。5）觀察模糊控制器的輸出在“View”下選擇“Rules”,觀察輸入e,ec為0.5，-0.2時，控制器的輸出值。6)保存模糊控制器文件。在”File”下選擇“Export”,”ToFile”將模糊控制器文件名命名為fuzzy_1.fis.在Simulink中仿真檢驗?zāi)：刂破骺刂菩Ч?。?shù)字PID位置式控制算式為：在Simulink中建立仿真模型其中模糊控制器在庫瀏覽器中-FuzzyLogicToolbox中：注意采樣周期選擇0.01秒，雙擊模糊控制器，設(shè)其模型為：“fuzzy_1.fis”觀察Kp、Ki、Kd、控制量及系統(tǒng)輸出曲線，分析是否滿足要求。3、利用2中得到的Kp、Ki、Kd在Simulink中建立PID仿真模型，觀察系統(tǒng)輸出曲線。五、實驗報告要求1、給出模糊控制器設(shè)計時所有輸入輸出變量的論域、模糊集合、隸屬度函數(shù)。2、給出控制器的控制規(guī)則，及規(guī)則表。給出當(dāng)偏差為e,ec為0.5，-0.2時，控制器的輸出值。3、模糊控制器設(shè)計過程中涉及的圖。4、給出加模糊PID后的系統(tǒng)Simulink仿真圖，及Kp、Ki、Kd、控制量及系統(tǒng)輸出曲線，分析是否滿足設(shè)計要求。并給出整定好的Kp、Ki、