模糊控制器設(shè)計與實現(xiàn)

謝國坤 惠俊峰 賈亞娟 鄭凱

摘 要：它依據(jù)設(shè)計的模糊控制器，在THBDC實驗平臺上進(jìn)行了實際實驗，將理論設(shè)計應(yīng)用于實際的對象上，實驗結(jié)果表明設(shè)計的模糊控制有一定的使用價值。同時將模糊控制的THBDC實驗結(jié)果和與MATLAB仿真結(jié)果進(jìn)行了比較研究，研究結(jié)果表明，模糊控制達(dá)到了理想的控制效果。

關(guān)鍵詞：模糊控制器；理論設(shè)計；THBDC；MATLAB

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.17.170

1 引言

在控制過程日趨復(fù)雜的今天，被控對象和過程變得復(fù)雜化、大型化，使得系統(tǒng)設(shè)計分析、有效的進(jìn)行控制變得十分的困難，常規(guī)的控制方法和控制理論已經(jīng)不能解決這一類的問題。模糊控制因其不需要確定被控對象的模型從而成為解決模型不確定系統(tǒng)控制問題的一種有效的方法。然而MATLAB軟件的特點是把數(shù)值的分析、矩陣的運(yùn)算、信號的處理和圖形的顯示集中在一起，給用戶提供了一個方便得環(huán)境，其強(qiáng)大的擴(kuò)展功能為模糊控制的設(shè)計提供了便利的基礎(chǔ)。

2 模糊控制實驗的基本原理

用二階系統(tǒng)作為被控對象，它具有純滯后的特點。設(shè)計模糊控制器，它是一個二維的。

二階傳遞函數(shù)模型[1]：

（1）

本文選擇的仿真對象傳遞函數(shù)為：

（2）

控制要求是要達(dá)到系統(tǒng)響應(yīng)曲線調(diào)節(jié)時間短、超調(diào)小，采用模糊控制[2]方法來觀測其控制性能。

本系統(tǒng)的最核心的組成部分是模糊控制器Fuzzy，它的輸入量分別是e和de，先把e和de模糊量化再輸入到模糊控制器，在模糊控制器進(jìn)行模糊決策時使用，也就是說由E、dE、模糊控制規(guī)則R三者的關(guān)系，求出模糊控制量Uij的值。

（3）

觀察上式可以看出，很難應(yīng)用到實際系統(tǒng)中。因為R是一個高階的矩陣，需要大量的時間才能完成它的運(yùn)算，所以使得系統(tǒng)獲得較差的實時性能。故在實際的應(yīng)用中我們一般運(yùn)用查表法。

查表法是這樣的基本思路：首先通過離線的計算，其次建立一個模糊的控制表，最后把它存放到計算機(jī)的內(nèi)存。當(dāng)模糊控制器工作時，計算機(jī)只要根據(jù)實時誤差量化值e[3]和誤差變化de的量化值，再找出此刻的輸出控制的量化值，再把這個量化值乘以比例因子K3，這樣就可以求出實際控制量u（k）的值。

3 模糊控制系統(tǒng)的THBDC實驗開發(fā)

3.1 THBDC實驗設(shè)備簡介

模糊控制系統(tǒng)的實驗平臺主要組成模塊：THBDC-1型 自動控制理論實驗平臺、THBXD數(shù)據(jù)采集卡、微型計算機(jī)。

數(shù)據(jù)的采集部分是采用USB數(shù)據(jù)采集卡，實驗室里常用這種卡進(jìn)行通訊。把它直接插在計算機(jī)的通訊口上，它的抽樣頻率采用的是350Khz；16路單輸入的A/D模擬的量，轉(zhuǎn)換的精度是14位的；4路輸出的D/A模擬的量，轉(zhuǎn)換的精度是12位；16路的開關(guān)形式的量輸入，16路的開關(guān)形式的量輸出。

微型計算機(jī)機(jī)上裝有“THBDC”軟件，這種軟件上有虛擬量的示波器、綜合的信號發(fā)生器、腳本的編輯器、MATLAB軟件仿真、生成實驗報告等多種功能。其中各種類型的波形可以用虛擬的示波器顯示，有X-T圖、X-Y圖、Bode圖三種不同的圖形顯示方式，而且功能強(qiáng)大，有圖形存儲、數(shù)據(jù)分析、打印多種功能，腳本編程器把一個開放的編程環(huán)境提供給用戶，用戶可以在編輯器上編寫各種控制的算法和程序。

3.2 實驗步驟及結(jié)果分析

3.2.1 實驗接線

（1）連接一個被控二階對象的模擬電路圖；

（2）用導(dǎo)線把數(shù)據(jù)采集卡上的“DA1” 輸出端子、 “AD1” 輸入端子分別接到模擬電路的輸入端子、輸出端子上；

（3）打開實驗操作平臺上的電源的總開關(guān)，同時把鎖零單元上的鎖零開關(guān)設(shè)置為“解鎖”的狀態(tài)。

3.2.2 運(yùn)行腳本程序

（1）首先啟動微型計算機(jī)PC，然后在桌面上雙擊 “THBDC-1” 圖標(biāo)，這樣就可以運(yùn)行實驗軟件了；

（2）首先點擊示波器界面上的按鈕“”，其次點擊工具欄上的按鈕“”，然后根據(jù)二維的模糊控制系統(tǒng)自身的控制規(guī)則表進(jìn)行編寫腳本程序并運(yùn)行之；

（3）選擇編輯器窗口上的調(diào)試菜單，然后選擇它的二級菜單的“啟動”項；最后用虛擬的示波器觀察圖中響應(yīng)曲線的形狀，并判斷是否是輸出端的響應(yīng)曲線；

（4）選擇腳本編輯器窗口上的調(diào)試菜單，然后選擇它的二級菜單的“停止”項，適當(dāng)?shù)母淖兂绦虻恼Z句“op1=op1+ k3*op”中k3的值的范圍，再選擇它的“啟動”項。最后用虛擬的示波器觀察圖響應(yīng)曲線的變化趨勢，并判斷是否是輸出端的響應(yīng)曲線的變化情況。

4 THBDC實驗與MATLAB仿真對比研究

（1）MATLAB仿真響應(yīng)曲線。

（2）THBDC實驗響應(yīng)曲線。

對比這兩個曲線可得下表1。

分析可知，MATLAB與THBDC實驗平臺相比，這兩者均無超調(diào)，均可以達(dá)到要求，但是MATLAB仿真所得的響應(yīng)曲線反應(yīng)速度快，調(diào)節(jié)時間短，系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差小。

5 結(jié)論

本文根據(jù)被控對象的非線性和時變性等特點，設(shè)計了一種二維模糊控制器，并從理論上和實驗兩個方面對被控對象進(jìn)行了研究，并得出了滿意的結(jié)果，本研究的主要成果：在MATLAB仿真的基礎(chǔ)上，在THBDC實驗平臺對模糊控制系統(tǒng)進(jìn)行了進(jìn)一步的驗證，根據(jù)MATLAB仿真結(jié)果，在腳本里編輯程序并進(jìn)行實驗，通過改變了其中的量化因子和比例因子，分析了模糊控制器的參數(shù)特性，最后證明了模糊控制器可以使被控對象的性能指標(biāo)在允許的范圍內(nèi)。

參考文獻(xiàn)：

[1]江立輝.基于拉普拉斯變換的二階系統(tǒng)傳遞函數(shù)的參數(shù)研究.菏澤學(xué)院學(xué)報[J]，2017-10-25.

[2]李永明.非匹配不確定非線性系統(tǒng)自適應(yīng)模糊控制[D].大連海事大學(xué)，2014-03-01.

[3]楊艷麗.問題驅(qū)動教學(xué)法在《自動控制原理》“穩(wěn)態(tài)誤差分析”教學(xué)中的應(yīng)用[J].教育教學(xué)，2016-04-27.

作者簡介：謝國坤（1978-），女，山東濟(jì)寧人，講師，研究方向：自動控制。