电气电子毕业设计498模糊控制系统设计.docx
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电气电子毕业设计498模糊控制系统设计
4.模糊控制系统的仿真
以上的章节中，已经设计出了模糊控制器及计算出了模糊控制规则，以下运用MATLAB（矩阵库）中的SIMULINK软件对所设计的系统进行仿真，并根据实际的情况（如起动速度要快等）提出改善系统性能的措施和方法,进一步说明系统的三个参数即（Ke，Ku，Kec）的变化对系统性能的影响。
4.1模糊控制系统的仿真及分析
4.1.1纯模糊控制系统模型及各环节分析
纯模糊控制系统的仿真模型如图4-1所示，以下对其各个环节的作用及参数的设定给出说明：
（1）、Step，Step1，Step2，Step3为给定值，其中Step给定为ug=200ε（t）v，Step1的给定值为ug1=25ε（t-300）v,Step2的给定值为ug2=25ε（t-350）v,Step3的给定值为ug3=200ε（t）v；
ug1与ug2的叠加作为系统仿真过程中的干扰输入；
（2）、Ke,Kec,Ku为三个系数，其中Ke为输入误差e的模糊化系数，Kec为输入误差微分
的模糊化系数，Ku为输出的比例系数；
（3）、控制作用查询表即为上章所设计出的控制作用表；
（4）、Memory模块则是用来记忆前一时刻的控制电压值，以便进行控制作用的叠加Uk=Uk-1+Ku·ΔU；
（5）、Scope模块则是用来观看最终的仿真结果曲线的；
（6）、其他的环节包括饱和限幅、SUM、CONST等环节。
4.1.2纯模糊控制系统的仿真及曲线
4.1.2.1模糊控制系统存在扰动及无扰动时的仿真曲线如下图4-2所示：
图4-1纯模糊控制系统的仿真模型
图4-2纯模糊控制系统的仿真曲线图
（1）、性能指标参数如下表4-1所示：
（2）、从以上的仿真图形可以清楚地看出，模糊控制系统在系统存在短时间的扰动作用时，经过短时间的调节就可以使系统重新达到稳定状态，虽然具有一定的稳态误差，但调节还是比较快的，也能够满足系统的需要的。
表4-1性能指标
调节时间（s）
超调量（%）
稳态误差
有扰动
170
2
0．1
无扰动
170
1
0．1
但是,系统的上升时间比较长,这是因为纯模糊控制系统的控制电压是从0开始慢慢地往上累加的,因此上升比较慢,在下一节中将要给出如何解决上升时间长的方法。
（2）、当系统的模型发生变化时的仿真曲线的比较
图4—3系统的模型发生变化时的仿真曲线图
图4—3系统的模型发生变化时的仿真曲线图
对上面图形曲线作以下的说明：
（1）、各个曲线所代表的系统模型
①
②
③
④
（2）、各个模型仿真结果的性能指标如下表4-2所示
表4-2不同模型的性能指标比较
调节时间（s）
超调量（%）
稳态误差
300
1
1
290
0.5
0．5
330
1
1
50
0
2
（3）、从以上所得性能指标及仿真曲线可以看出，模糊控制器对系统有较好的适应能力，无论是系统的模型的阶数不变、仅仅是时间常数的增大或减小，还是由一阶系统跳变到二阶系统，对模糊控制器来说都能够满足要求；而不象传统的PID调节器那样，当系统的模型发生改变时，特别是系统由一阶跳变到二阶，需要重新进行计算或寻优参数KP（比例系数）、KI（积分系数）、KD（微分系数），那样给系统的设计人员带来了很大的不便。
（4）、另外，当系统的三个系数Ke、Kec、Ku的变化对系统性能所产生的影响，我将放到下一节中进行分析。
以上我分析纯模糊控制系统的抗干扰以及适应对象变化的能力，模糊控制系统对系统的控制能够达到非常好的效果。
4.2改进的模糊控制系统
在上一节中曾经提到过，纯模糊控制系统存在一个致命的缺点那就是：
控制电压的上升慢，因而导致起动时间长；特别是对于那些要求给定值比较大，由此而带来的起动时间长必然会更加明显。
为了改变纯模糊控制系统的这些缺点，利用和保持它的另外一些优点，接下来，我将分析采用分段起动策略来解决这个问题。
4.2.1分段起动的基本思想
在纯模糊控制系统中，由于是从零电压开始，一步一步地往上累加的，而模糊控制器输出的累加电压一般都比较小，这样就导致了控制电压上升比较慢，由此带来的系统输出值也上升缓慢。
为了改变这种起动慢的缺点，采用分段起动策略，其基本思想为：
（1）、在刚开始起动时，由于误差比较大，可以采用200伏的最大电压直接起动，那样可以在最短的时间内起动到接近给定值；
（2）、在起动到误差为+20～-20范围内，此时切换到模糊控制器的控制中，让模糊控制器作用使输出值逼近到最终值，而不会产生超调。
这样采用分段起动，就既解决了起动要求快，又解决了基本没有超调量的要求。
4.2.2分段起动模糊控制系统的方框图及图形说明
分段起动模糊控制系统的方框图如下图4-4所示。
现对其中的部分模块进行说明：
（1）、Setp，Setp1，Setp2，Scope，模糊控制查询表等等同纯模糊控制系统中一样，在此就不在作重复的说明，详细地可参见上一节中的具体描述；
（2）、|u|即绝对值模块是对输入的值求它的绝对值，即当输入为负时，则对其进行反号输出；当输入为正时，则原样输出;
图4-5转换开关
（3）、Switch、Switch1、Switch2模块为切换开关，其图如图4-6所示，当输入端3的值大于或等于20时（20为自己设定值），则4端输出为输入端1的值；否则，（即输入端3的值小于20时，）则4端输出为输入端2的值.
4.3分段模糊控制系统仿真的程序流程图
分段模糊控制系统仿真的程序流程图如图4-6所示。
4.4分段模糊控制系统仿真图形及参数变化的分析
4.4.1纯模糊控制系统与分段模糊控制系统的仿真比较
在系统的模型同样时，给定为ug=400伏的情况下，其仿真的图形如图4-7所示。
从仿真图线上可以清楚地看出,纯模糊控制系统与分段模糊控制系统在性能上存在很大的差别，其具体的表现如表4-3所示。
特别在给定值比较大的情况下，这种特性会更加的明显。
不仅分段模糊控制系统的超调量比纯模糊控制系统小,而且，前者的上升时间以及稳态误差都相对的小，所以说分段模糊控制系统的性能远远优于纯模糊控制，因此我们在实践中常常都采用分段模糊控制，而不采用纯模糊
表4-3性能差别比较
上升时间（s）
超调量（%）
稳态误差
纯模糊控制系统
520
2
0.2
分段模糊控制系统
45
1
0.4
N
Y
N
Y
Y
N图4-6分段仿真流程图
Y
图4—4分段模糊控制系统的方框图
图4-7纯模糊控制系统与分段模糊控制系统仿真比较
说明:
①纯模糊控制系统仿真图线
②分段模糊控制系统仿真图线
4.4.2模糊化系数Ke、Kec和放大系数Ku的影响
图4—8说明：
Ke=2Kec=0.02Ku=2
从图4-8和图4-9中,我们可以看出模糊化系数Ke、Kec和放大系数Ku对系统性能有着很大的影响,对此我们可以看以下的表4-4所示：
表4-4Ke，Kec，Ku
上升时间（s）
超调量（%）
稳态误差
调节时间
①
45
1
0.4
40
②
48
0．2
0
42
③
50
0
0．1
45
④
35
5
2
100
⑤
振荡
振荡
振荡
振荡
图4—9说明：
①Ke=0.3Kec=3Ku=1.5
②Ke=2Kec=3Ku=1.5
③Ke=0.3Kec=0.02Ku=1.5
④Ke=0.3Kec=3Ku=2
说明：
①Ke=0.3Kec=3Ku=1.5
②Ke=2Kec=3Ku=1.5
③Ke=0.3Kec=0.02Ku=1.5
④Ke=0.3Kec=3Ku=2
通过分析系数的影响,可以具体归纳为以下几个方面:
1、Ke对系统性能的影响
（1）、Ke越大，系统调节惰性越小，上升速率越快；
（2）、Ke过大，系统上升速率过大，产生的超调大，使调节时间增长，也影响系统的稳态性能，严重时还会产生震荡乃至系统出现不稳定；
（3）、Ke过小，系统上升速率过小，系统调节惰性变大，同时，也影响系统的稳态性能，使系统稳态精度降低。
2、Kec对系统性能的影响
（1）、Kec越大，对系统状态变化的抑制能力增大，增加了系统的稳定性；
（2）、Kec过大，系统输出上升速率过小，系统的过度过程时间变长；
（3）、Kec过小，系统输出上升速率增大，可能导致系统输出产生过大的超调和振荡。
3、Ku对系统性能的影响
（1）、Ku增大，相当于系统总的放大倍数增大，系统响应速度加快；
（2）、Ku过大，会导致系统输出上升速率过大，从而产生过大超调乃至振荡和发散；
（3）、Ku过小，系统的前向增益很小，系统输出上升速率较小，快速性变差，稳态精度变差。
3）、模糊控制系统模型改变时的仿真图形
模糊控制系统模型改变时的仿真图形如图4-10所示。
图4—10系统的模型改变时的仿真曲线图
对上面图形曲线作以下的说明：
a.各个曲线所代表的系统模型：
①
②
③
④
b.各个模型仿真结果的性能指标如下表4-2所示
表4-2不同模型的性能指标比较
调节时间（s）
超调量（%）
稳态误差
40
1
0.4
35
0
-0.1
60
2
1
30
0
0.6
4）、模糊控制系统存在干扰时的仿真图线
存在干扰时的仿真图线如图4-11所示。
图4—11模糊控制系统存在干扰时的仿真图线模糊控制系统
对以上的图线作如下的说明：
①表存在干扰，其中干扰为u1=100ε（t-300）和u2=150ε（t-400）
的叠加输入；
②代表无干扰存在。
4.5总结
由上面一系列的仿真结果对比得知，我们所设计的模糊逻辑控制器完全能够达到设计要求。
而且，经过改善的模糊控制系统（分段模糊控制系统）能够适应各类的一阶环节，甚至能够适应各类的二阶环节，也就是说，这种分段模糊控制系统具有广泛的适应性，自适应性强，它的被控对象不需要有精确的数学模型。
因此我们能够把这种分段模糊控制系统广泛地运用社会实践中去。
况且，模糊控制系统的发展历史仅仅只有短短的30年左右，它还是一门新兴学科，但是它已经显示出来强大的生命力，这就需要我们努力学习好这们功课，掌握模糊控制的精髓，增长自己的知识，这样我们才能在将来立于不败之地，才能够为祖国的现代化建设贡献一份力量。
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