电气电子毕业设计498模糊控制系统设计.docx

1、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=200(t

2、)v，Step1的给定值为ug1=25(t-300)v,Step2的给定值为ug2=25(t-350)v,Step3的给定值为ug3=200(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+KuU；(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。

3、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170201无扰动170101 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,

4、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43 系统的模型发生变化时的仿真曲线图图43 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 (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300112900.5 05330115002(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

5、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

6、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

7、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

8、-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

9、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 52020.2分段模糊控制系统 4510.4 N Y N Y Y N 图4-6 分段仿真流程图 Y图44 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: 纯模糊控制系统仿真图线 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48 说明： Ke=2

10、Kec=0.02 Ku=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4-4 Ke，Kec，Ku上升时间(s)超调量(%)稳态误差调节时间4510.440480204250001453552100振荡振荡振荡振荡 图49 说明：Ke=0.3 Kec=3 Ku=1.5 Ke=2 Kec=3 Ku=1.5 Ke=0.3 Kec=0.02 Ku=1.5 Ke=0.3 Kec=3 Ku=2说明：Ke=0.3 Kec=3 Ku=1.5 Ke=2 Kec=3 Ku=1.5 Ke=0.3 Kec=0.02 Ku=1.

11、5 Ke=0.3 Kec=3 Ku=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

12、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410 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： 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（%）

13、稳态误差4010.4350 -0.1 60213000.64）、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411 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：表存在干扰，其中干扰为u1=100(t-300)和u2=150(t-400)的叠加输入；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。