直流电机模糊控制系统的matlab／simulink仿真研究 毕业设计

XXXX届毕业设计说明书

直流电机模糊控制系统的MATLAB／Simulink仿真研究

院、部：电气与信息工程学院

学生姓名：XXX

指导教师：XXXX职称教授

职称

专业：XXXXXXXXXXXXX

班级：XXXXXXXXX

完成时间：20XX.X.X

摘要

在当今控制技术的发展当中，模糊控制技术的发展走在了前列，成为了当今世界上最先进的控制技术之一。模糊控制技术很好的将模糊数学理论应用于控制领域当中, 更加真切地模拟出了人脑的思维方式和判断能力, 以及对产品生产的过程进行筛选和对产品质量上的控制, 从而发展出了基于模糊控制技术的智能化的新技术，为当今控制技术的发展提供了广阔空间。

在本文当中，主要介绍了基于模糊控制理论的直流电机模糊控制系统的原理，以及直流电机模糊控制系统的优点和缺点，并通过使用MATLAB语言中SIMULINK 模块和模糊控制工具箱对直流电机模糊控制系统进行仿真，把控制直流电机调速的实际情况转换成模糊控制规则，再使用这些规则，对过程经过模糊推理和模糊决策所得到的控制量，从而实现在MATLAB语言中SIMULINK模块和模糊控制工具箱对直流电机模糊控制系统的建模与仿真。对仿真结果予以分析，对直流电机模糊控制系统的仿真进行总结。

关键词：MATLAB；SIMULINK；模糊控制；直流电机；电机调速

ABSTRACT

Among today’s control technology development, one of the leading enterprises in the development of fuzzy control technology, fuzzy control technology has become one of the most advanced control technology in the world today, it will be a very good fuzzy control technology of fuzzy mathematics theory is applied in control field, the more realistically simulate the human brain’s way of thinking and judgment ability, as well as to the production process of screening and the control on the quality of product, which was developed based on fuzzy intelligent control technology of the new technology, for the development of modern control technology provides a broad expansion of space.

in this article, mainly introduced the dc motor based on fuzzy control theory, the principle of fuzzy control system, as well as the advantages and disadvantages of the fuzzy control system for dc motor, and by using the SIMULINK module and the fuzzy control toolbox in MATLAB language for the calculation of the fuzzy control system of dc motor, the control of the actual situation of the dc motor speed control is converted into fuzzy control rules, and then use these rules, the process through fuzzy reasoning and fuzzy decision of control, thus to achieve the SIMULINK module and the fuzzy control toolbox in MATLAB language modeling and simulation of fuzzy control system of a dc motor. And the analysis to the results of simulation and simulation of fuzzy control system of dc motor.

Keywordsmatlab；Simulink；fuzzy control；dc motor；motor speed control

目录

1 绪论 (1)

1.1 研究的目的与意义 (1)

1.2 国内外的发展现状及发展历程 (1)

1.2.1 直流调速系统的发展历程 (1)

1.2.2 直流调速控制系统的发展现状 (2)

1.3 研究的主要内容及章节介绍 (3)

2 直流调速系统 (4)

2.1 直流调速系统的基本概念 (4)

2.1.1 直流他励电动机的调速方法 (4)

2.1.2 直流调速系统的供电方式 (6)

2.1.3 开环V-M系统的机械特性 (7)

2.2 直流调速系统的动态分析 (8)

2.2.1 单闭环直流调速系统的动态分析 (8)

2.2.2 多环直流调速系统的动态分析 (9)

2.3 直流脉宽调速系统概述 (10)

3直流电机 (11)

3.1 直流电动机的基本结构和工作原理 (11)

3.1.1 直流电动机的基本结构 (11)

3.1.2 直流电动机的工作原理 (12)

3.2 直流电动机的运行特性 (14)

3.3直流电动机的起动、调速和制动 (17)

3.3.1 直流电动机的起动 (17)

3.3.2 直流电动机的调速 (17)

3.3.3 直流电动机的制动 (17)

4模糊控制 (19)

4.1 模糊控制原理 (19)

4.2 模糊控制器的一般设计步骤 (20)

5直流电机模糊控制系统的MATLAB/Simulink的仿真 (22)

5.1 建立直流电机的仿真模型 (22)

5.2模糊控制器的设计 (22)

5.3 直流电机模糊控制系统的建立与仿真 (24)

5.4 仿真结果及分析 (27)

6 总结与展望 (28)

参考文献 (39)

致谢 (31)

1绪论

1.1研究的目的与意义

在工业现代化的发展当中，直流电机的使用非常广泛。对直流电机的控制也越来越重要，在现代的工业生产当中，对生产的过程控制要求比较严格，对生产出来的产品质量的要求也相当严格，这就要求在现代工业生产过程当中，对控制的要求控制精度准确、易于调速、运行稳定。在工业生产过程中为提高产品的质量和产品的产量，控制过程从人工手动控制慢慢向半自动控制发展，半自动控制慢慢向全自动控制发展，使得生产工艺实现全自动化生产，在全自动化生产的过程当中，离不开传动系统的调速电机对生产设备的控制，按驱动电动机的类型可分为直流传动系统和交流传动系统二大类。本文中主要研究直流传动系统。直流电动机具有很多优良的调速特性，如：调速平滑、简单易控、过载能力大、正反转能快速切换、并可实现频繁地无级快速起动和制动。能够满足在现代化工业的生产过程当中不同环境下的的特殊运行要求，如：在生产机械设备的切削机床、生产用纸的纸机设备、全自动生产电子产品的生产线、水泥厂等对控制性能要求非常高的工业生产当中被广泛应用，使得直流电机在现代工业生产当中仍然充当着重要角色。

1.2国内外发展历程及发展现状

1.2.1直流调速系统的发展历程

在运动控制系统的发展过程当中，交流电气传动和直流电气传动并存于工业生产的各个领域，在历史上最早出现的是直流电动机，在没有出现交流电动机之前，直流电气传动是惟一的电气传动方式，随着工业生产技术的向前发展，对电气传动在启动、制动、正转、反转、调速精度、调速范围、静态特性、动态响应等方面提出了更高的要求，这就要求在工业生产当中大量的使用直流传动调速系统，由于直流电动机的调速性能和转矩控制性能非常好，从20世纪30年代起。直流调速系统开始应用于工业的各个领域。最早的控制系统是由旋转变流机组控制来实现的，而后慢慢发展成为由放大机和磁放大器控制系统来实现控制的，经过放大机和磁放大器控制的时代的发展，基于它们的闭环连续控制系统得到广泛应用，在改进控制的性能方面，取得了良好的效果，到后面晶闸管变流装置和模拟控制器的出现，使得控制真正实现了直流调速，一直到后面可控整流和大功率晶体管组成的PWM控制电路的出现，才得以实现了使用数字化对直流的调速。而

直流调速在工业应用方面具有快速、可靠、经济、稳定、方便等特性，使得直流调整系统在工业应用方面非常广泛。

在直流电气传动系统中，有如下几种常用的可控直流电源：(1)使用恒定的直流电压直接向直流电动机电枢供电，改变阻值的大小来实现对电枢回路的调速。这种通过改变电阻的大小，从而改变电压值的大小来调速的方法简单，便于操作，工业生产方面也简单，而且成本低。这种方法也有着不少缺点，比如：这种调速转化率低，机械性能差，调速易于波动，不能进行平滑调速。由于这些缺点的存在，便得这种方法在工业生产当中使用率很低。(2)30年代末，发电机-电动机（也称为旋转变流组）的问世，增加了调速领域的灵活性、广泛性等，同时存在的闸流管、电机扩大机、及磁放大器等控制器件共同组成的调速系统，提高了调速的各方面的性能，如：提高了调速平滑变化、调速转速精度、及加宽了调速范围、提高效率等。特别发电机-电动机的使用，很容易就实现了将电动机轴上的飞轮惯量反馈给电网，不仅提高了效率，减少了能量损耗，而且能够很好的实现平滑制动。但是这样的调速系统还是存在着不少缺点，如因此增加的辅助设备（旋转电机和励磁设备等），造成占地面积大、转化率低、维修难度大、不易维修、成本高等。(3)直到汞弧变流器出现以后，汞弧变流器开始慢慢取代了发电机-电动机调速控制系统，进一步提高了调速控制系统的性能。(4)世界上第一只晶闸管的问世是在1957年，晶闸管的问世，让整个直流调速系统发生了极大的变化，因为晶闸管具有可靠性高、反应灵敏、所占空间小、简便耐用等优良性能，使得晶闸管提到了广泛的应用，不仅提高了直流调速系统的可靠性和经济效益，而且在工业生产使用中相对其他直流控制的性能上也具有很大的优势，晶闸管变流装置比机组和汞弧变流器的放大倍数分别高1000倍和10倍，自身的放大倍数在10000以上，而机组和汞弧变流器的放大倍数分别是10倍和1000倍。因在响应速度上，晶闸管是以毫秒级来计数，而机组是以秒级计数的，所以除部分设备使用晶闸管励磁系统和机组供电以外、其他基本上已经采用了晶闸管相控整流供电。

1.2.2直流调速控制系统的发展现状

我国第一只硅晶闸管是在60年代初研制成功的，晶闸管直流调速系统迅速应用于我国现代化工业的生产当中，并得到了快速的发展。低功率如0.4KW至200KW的晶闸管直流调速装置已经实现了系统化标准化批量生产，大功率2000KW 系列产品也已经在工业生产设备中试用，在我国现代工业生产过程当中，晶闸管供电的直流调速系统已经得到了广泛的应用，直接影响着我国现代工业化的生产。

随着科学技术的发展，各种新型控制元器件也相序问世，直流电动机晶闸管调速系统的发展出现了二个分支，一个是向大功率发展，另一个是向小功率发展，

在向小功率发展的过程中，正在实现一体化发展，实现电动机和控制设备的一体化，实现控制单元高度集成，并慢慢发展到数字直流调速装置，目前已经有数家国内外厂商已经推出了各自的产品，使得直流调速系统的理论有效的和实践结合在了一起，同时也推动了直流调速系统的发展。

国外的直流调速系统比我国发展的早，相比国内的发展也更加成熟，无论是从技术上还是从性能上都远远的超过了我国直流调速系统的发展，尤其是国外的数字直流调速系统，能实现从调节器参数设定、给定信号、触发脉冲等都能实现数字化，并通过公用平台及软硬件的控制和调控，能够控制电流的大小和一定范围功率的直流电机。使用软件通过公用平台就很容易实现对直流电机的控制，强大的可控性、以及极高的抗干扰能力使得它能和PLC等其他系统组成一个完整的工业控制系统。并且具有调试方法灵活、稳定可靠、高度集成、及完善的自我保护功能，弥补了模拟直流调速控制系统的缺点，而且数字控制系统还有能快速查找故障、维护简单、调速精度高等特点，使其能在工业生产方面能得到广泛的应用。而国内生产的数字直流调速装置，存在功能不完善、精度不高、且保护功能不齐全等缺点。和国外还是有一定的差距的。

1.3 研究的主要内容及章节介绍

本论文的主要研究内容除了本章绪论外，共分为4章，以下是对各章内容作一个简单的介绍。

第2章介绍直流调速系统的原理，对直流调速系统的基本概念、单闭环直流调速系统、多环调速系统进行学习研究，了解直流调速系统的基本原理及工作方法，学习晶闸管单环直流、多环直流、直流可逆调速系统的电路原理，直流调速系统的MATLAB仿真。

第3章介绍直流电机的工作原理和基本结构，并说明由气隙磁场和电枢绕组来导出电枢的电动势的电磁转矩公式，通过电枢的电动势的电磁转矩公式，导出直流电机的基本方程，并对直流发电机和电动机稳态运行性能进行全面分析，初步了解直流发电机和电动机的工作原理及特性，掌握直流发电机和电动机的基本结构。

第4章介绍模糊控制的基本原理和基本特性，学习了解模糊控制器的模糊化过程、模糊推理、精确化计算等，掌握模糊控制器的设计原理和设计方法。

第5章开始利用MATLAB/SIMULINK对直流电机模糊控制系统进行仿真，首先应用MATLAB/SIMULINK建立一个直流电机模型，然后应用模糊控制工具箱对控制参数进行模糊化处理，设计模糊控制器，最后建立直流电机模糊控制系统进行仿真，并对仿真结果进行分析。

2直流调速系统

2.1 直流调速系统的基本概念

直流调速系统起步早，发展快，并且具有良好的运行特性和控制特性，长期占据着调速领域的主导地位，近年来交流调速系统在现代化工业应用上也发展的很快，并期望在短时间内能够取代直流调速系统，而现代的工业生产中，如矿山开采、炼钢厂、造纸厂、纺织业等使用的自动调速系统仍然是直流调速系统，因其对调速性能的要求比较高，而交流调速系统的发展目前还不是很完善，这使得在现代工业的生产过程当中，直流调速系统仍然是自动调整系统的主要形式。

2.1.1 直流电动机的调速方法

(1) 直流他励电动机供原理图如图1所示。

图1 直流他励电动机供电原理图

(2) 直流他励电动机的电气方程：

U d0=E+I d R n+R a+R1=E+I d R

E=C e n=K eΦn

n=E

K eΦ=U d0?I d R

K eΦ

=U d?I d R a

K eΦ

(1)

R=R n+R a+R1

C e=K eΦ

式(1)中U d和U d0分别表示的是电动机电枢电压和电枢供电电源空载电压；E 表示的是电枢电动势；R、R n、R a和R1分别表示的是电枢回路总电阻、供电电

源内阻、电枢电阻和线路或外接电阻；n表示的是转速，单位为 r min；Φ和K e

分别表示的是励磁磁通和电动势系数；电动势系数K e是由电动机的结构来决定的。

(3) 直流他励电动机的调速方法为；由公式(1)可知，通过改变电枢供电电压U d0的大小、或降低Φ的励磁磁通、或者改变电枢回路中的电阻R都能对转速进行调节。在Φ和R的值不变的情况下，改变电枢供电电压U d0的大小，能平滑的调节转速n的快慢，机械特性比较平稳的上下移动，如图2所示。

图2 直流他励电动机调压调速和弱磁调速时的机械特性

因受电动机自身性能的影响，工作调节电枢电压不能超过额定电压，导致电枢电压的调节范围只能是在其额定电压范围内进行，所以这种调速的范围也只能是在其额定转速大小之下进行。这对要求在一定范围内的无级平滑调速系统来说，这种调节方式最好，通过调节电压大小来实现转速的调节是调速系统的一种主要调节方式。在 U d和R a的值不变的情况下，减小励磁磁通Φ（直流电动机在运行时，为了更好的经济效益，通常都是在额定转速下运行，磁路中的磁通量趋于饱和，因此只有减小励磁磁通Φ来对电动机转速进行调节），电动机的转速会比额定转速大，机械特性向上移动，如图2中部分机械特性，减小励磁磁通Φ来进行调速只能在额定转速以上进行调速，由于电动机存在机械强度和换向器的限制，

其调速范围也不可能太大，在现代工业的生产过程当中，通常只是配合调压调速方法一起使用，在额定的转速上作小范围的提升转速运转，这样的调压与调磁相结合的方式，可以扩大转速调节的范围。改变电枢回路电阻进行调速一般是在电枢回路中串接附加电阻，这种调速方法损耗比较大，只能进行有级调速，由于电动机的机械特性比固有特性软，通常只是用于少数小功率和场合。

2.1.2 直流调速系统的供电方式

要实现调压调速，就得要有一个平滑可调的直流电源，常用的可调直流电源有以下三种：

(1) 旋转变流机组：使用直流发电机组和交流电动机组成旋转变流机组，可以获得可调的直流电压。在二十世纪四十年代，工业上就广泛采用旋转式变流机组给直流调速系统供电，如图3所示。

图3 旋转变流机组供电的直流调速系统

交流电动机M1拖动直流发电机G发电，发电机给需要调速的直流电动机M 供电。调节发电机的励磁电流I f 可改变其输出电压U ，从而调节直流电动机的转速n ,此系统简称为G-M系统。若改变电流I f 的方向，则电压U的极性和转速n 的转身都跟着改变，可以实现G-M系统的可逆运行。通常还要另外增加一台直流励磁发电机GE来供给电动机和直流发电机励磁电流。但因G-M系统设备多、相对比较复杂、安装运行维护不便、成本高、经济效益低、噪音大等缺点。

(2)静止可控整流器：使用静止的可控整流器，比如晶闸管可控整流器，可以获得可调的直流电压。二十世纪六十年代，晶闸管可控整流装置的出现，因其具有高效、费用底、体积小、噪音小等优良性能，面且晶闸管可控整流器的功率放大倍数在104以上。在控制的速度反应方面，变流机组是秒级，而晶闸管整流器的反应级数是毫秒级，从反应速度上来比较，晶闸管整流器的反应速度明显比变流机组快，这就大大提高了系统反应速度。

(3) 直流斩波器或脉宽调制变换器：使用恒定直流电源或不可控整流电源供电，利用直流斩波器或脉宽调制变换器产生可变的直流平均电压。在电力牵引系统的设备上常采用直流串励或复励电动机，由恒压直流电源提供电能。直流电压也可以使用晶闸管来进行控制，即直流斩波器，也称之为直流调压器。如图X 所示，在直流斩波器中，当VT被触发导通之后，电压U s 加到电动机上，当断开VT之后，电动机和电源断开，电动机经过VD（二极管）的续流，电压值趋于零。经过反复作用，可以得到如图X的电枢端电压的波形。直流斩波器能通过调节晶闸管导通与关断的时间来改变其平均电压的大小，以此来调节转速。

2.1.3 开环V-M系统的机械特性

开环V-M系统的组成如图X所示，当调节给定电压U n?时，晶闸管所组成的触发电路移相角α发生改变，导致整流电压U d0和电枢电压U d发生改变，从而调节了转速n。

开环V-M系统的机械特性，若电流是连续的时候，转速为

n=1

C e U d0?I d R=1

C e

m

π

E m sinπ

m

cos a?I d R =n0??n（2）

开环V-M系统的机械特性如图4中的实线所示。

图4 开环V-M系统的机械特性

其中式(2)中C e表示的是电机在额定磁通下，电动势的转速比，其中C e=K eΦ。式中m表示整流电压在一个时间周期内的波头数，式中n0表示的是开环调速系统在理想空载的条件下的转速，式中?n表示的是开环调速系统的稳态速降。给电动机加负载，就会产生电流I d。随即产生?n=I d R C e的转速降，

若?n越小，则开环V-M系统的机械特性硬度越大。当系统在开环条件下运行时，?n的大小完全由电阻R及所加负载的大小来决定的。

晶闸管整流装置的电压输出是脉动电压，会造成在主回路电感量不足或者是在电动机负载较轻的情况下出现电流断续。当负载电流减小，反电动势快速变大，导致理想空载转速比n0高很多，如图4中的虚线所示。

开环V-M系统的机械特性分为电流连续段和断续段，机械特性呈线性较硬的是连续段，呈非线性较软的是断续段。从综合特性来看，要提高系统的机械特性，需要增加反馈调节。这样才能满足工业化生产的应用要求。

2.2 直流调速系统的动态分析

2.2.1 单闭环直流系统的动态分析

(1) 单闭环调速系统的动态数学模型，通过建立系统的动态模型，能更加直观的定量分析单闭环调速系统的动态性能。建立模型的一般步骤为：例微分方程，进行拉氏变换得到传递函数，画出动态结构框图，求出系统的传递函数。

电压方程式为：

U d0?E=I d R+L dI d

d t =R I d+L

R

dI d

d t

(3)

晶闸管整流器的动态传递函数为:

U d0(s) U ct(s)≈K s

1+T s s

(4)

若不考虑放大器输入端的滤波，则其模型为U ct t=K p?U n(t),则其传递函数为:

U ct(s)

?U n(s)

=K p(5) 不考虑反馈的滤波电路，则其模型为U n t=an(t),其传递函数为

根据系统间的结构关系，得到的动态结构图如图5所示。

图5 转速闭环调速系统的动态结构图

(2) 单闭环调速系统的动态校正，设计闭环调速系统的过程中，稳定性和稳态性指标常会发生矛盾，这就需要增加动态校正装置来校准系统，让他能同时满足各项性能指标的要求。

对于一个系统，动态校正方法有很多种，在电力自动控制系统中，串联校正和并联校正是最常用的校正方法，相对并联校正，串联校正相对简单，易实现等特点。对于传递函数阶次较低的直流闭环调速系统，使用PI调节器的串联校正方法，就能实现动态校正的任务。调节器分为三类，分别是PI比例积分、PD比例微分、PID比例积分微分。这三种类型中各有各的优点，也有不足之处。其中PI调节器所构成的是滞后调节，稳定性好，但调节反应慢。PD调节器所构成的是超前校正，调节反应快，但稳定性差。PID 调节器能实现对PI调节器和PD 调节器性能的综合，即反应速度快，又能使系统稳定，全面提升系统的控制性。但PID调节器要比PI和PD调节器要复杂的多，在现代工业化的实际生产当中，一般对稳定性的要求要高于对快速性的要求，则一般采用PI调节器。当对快速性要求高于稳定性的要求时，则一般采用PD或PID调节器进行调节。

2.2.2 多环直流调速系统的动态分析

在反馈系统中，核心闭环数多于一个就称之为多环系统。常见的多环系统有以下三类：分别是带电流变化率内环系统、带电压内环的三环调速系统和转速电流双闭环调速系统。最典型的就是双闭环调速系统了。

带电流变化率内环系统，为提高双闭环调速系统的快速性，在启动或关闭电动机的时候，期望电流能迅速变化。这就需要在电流环内增设电流变化率环，通过它的调节，使之能保持最大变化率而又能保持电流变化率不会过高，这保证了电流波形和理想的动态波形更加的接近。这就使得转速、电流和电流变化率共同组成了三环调速系统。

带电压内环的三环调速系统，带电压内环调速系统同样能提高系统的对负载扰动的抗扰性能和动态跟随性能，但其效果没有带电流变化率内环系统。在抗电网电压扰动方面，电流环不如电压环，电压环的调节比电流环的调节更加及时。双闭环调速系统的动态结构图如图6所示。

若双闭环调速系统采用转速电流控制，则其动态跟随性能和动态抗扰性能都能得到有效的提高，若双闭环调速系统的内环能改变环内的传递函数，使它有利于对外环的控制，这样也能提高系统的各种性能。并且有内环的存在，内环能抑制环内的电网电压波动。

图6 双闭环调速系统的动态结构图

2.3 直流脉宽调速系统概述

直流调压调速是现代工业实际生产中应用相当广泛的一种调速方法，利用电力电子元器件的可控性，再使用脉宽调制技术加以调制，就构成了直流脉宽调速系统。电气原理结构图如图7所示。

图7 直流脉宽调速系统的电气原理结构图

直流脉宽调速系统中存在有：给定环节、限幅器、速度反馈环节、速度调节器ASR、PWM信号发生器等控制电路。

模糊控制系统及其MATLAB实现

1. 模糊控制的相关理论和概念 1.1 模糊控制的发展 模糊控制理论是在美国加州伯克利大学的L.A.Zadeh 教授于1965 年建立的模糊集合论的数学基础上发展起来的。之后的几年间Zadeh 又提出了模糊算法、模糊决策、模糊排序、语言变量和模糊IF-THEN 规则等理论，为模糊理论的发展奠定了基础。 1975年，Mamdani 和Assilian 创立了模糊控制器的基本框架，并用于控制蒸汽机。 1978年，Holmblad 和Ostergaard 为整个工业过程开发出了第一个模糊控制器——模糊水泥窑控制器。 20世纪80年代，模糊控制开始在工业中得到比较广泛的应用，日本仙台地铁模糊控制系统的成功应用引起了模糊领域的一场巨变。到20世纪90年代初，市场上已经出现了大量的模糊消费产品。 近30 年来, 因其不依赖于控制对象的数学模型、鲁棒性好、简单实用等优点, 模糊控制已广泛地应用到图像识别、语言处理、自动控制、故障诊断、信息检索、地震研究、环境预测、楼宇自动化等学科和领域, 并且渗透到社会科学和自然科学许多分支中去, 在理论和实际运用上都取得了引人注目的成果。 1.2模糊控制的一些相关概念 用隶属度法来定义论域U 中的集合A ，引入了集合A 的0-1隶属度函数，用()A x μ表示，它满足： 1 ()0A x μ?=?? x A x A ∈? 用0-1之间的数来表示x 属于集合A 的程度，集合A 等价与它的隶属度函数()A x μ 模糊系统是一种基于知识或基于规则的系统。它的核心就是由所谓的 IF-THEN 规则所组成的知识库。一个模糊的IF-THEN 规则就是一个用连续隶属度函数对所描述的某些句子所做的IF-THEN 形式的陈述。例如: 如果一辆汽车的速度快，则施加给油门的力较小。 这里的“快”和“较小”分别用隶属度函数加以描述。模糊系统就是通过组合IF-THEN 规则构成的。 构造一个模糊系统的出发点就是要得到一组来自于专家或基于该领域知识的模糊IF-THEN 规则，然后将这些规则组合到单一系统中。不同的模糊系统可采用不用的组合原则。 用隶属度函数表征一个模糊描述后，实质上就将模糊描述的模糊消除了。 模糊控制系统设计的关键在于模糊控制器的设计。模糊控制器的设计主要有三个部分: (1) 输入量的模糊化 所谓模糊化(Fuzzification) 就是先将某个输入测量量的测量值作标准化处理,把该输入测量量的变化范围映射到相应论域中,再将论域中的各输入数据以相应

基于模糊控制的速度跟踪控制问题(C语言以及MATLAB仿真实现)

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实验一--模糊控制器的MATLAB仿真

实验一 模糊控制器的MATLAB 仿真 一、实验目的 本实验要求利用MATLAB/SIMULINK 与FUZZYTOOLBOX 对给定的二阶动态系统，确定模糊控制器的结构，输入和输出语言变量、语言值及隶属函数，模糊控制规则；比较其与常规控制器的控制效果；研究改变模糊控制器参数时，系统响应的变化情况；掌握用 MATLAB 实现模糊控制系统仿真的方法。 实验时数：3学时。 二、实验设备：计算机系统、Matlab 仿真软件 三、实验原理 模糊控制器它包含有模糊化接口、规则库、模糊推理、清晰化接口等部分，输人变量是过程实测变量与系统设定值之差值。输出变量是系统的实时控制修正变量。模糊控制的核心部分是包含语言规则的规则库和模糊推理。模糊推理就是一种模糊变换，它将输入变量模糊集变换为输出变量的模糊集，实现论域的转换。工程上为了便于微机实现，通常采用“或”运算处理这种较为简单的推理方法。Mamdani 推理方法是一种广泛采用的方法。它包含三个过程：隶属度聚集、规则激活和输出总合。模糊控制器的体系结构如图1所示。 图1 模糊控制器的体系结构 四、实验步骤 （1）对循环流化床锅炉床温，对象模型为 ()()1140130120 ++s s 采用simulink 图库，实现常规PID 和模糊自整定PID 。 （2）确定模糊语言变量及其论域：模糊自整定PID 为2输入3输出的模糊控制器。该模糊控制器是以|e|和|ec|为输入语言变量，Kp 、Ki 、Kd 为输出语言变量，其各语言变量的论域如下：

误差绝对值：e={0，3，6，10}； 误差变化率绝对值：ec={0，2，4，6}； 输出Kp：Up={0，0.5，1.0，1.5}； 输出Ki：Ui={0，0.002，0.004，0.006}； 输出Kd：Ud={0，3，6，9}。 （3）语言变量值域的选取：输入语言变量|e|和|ec|的值域取值“大”(B)、“中”(M)、“小”(s)和“零”(Z) 4种；输出语言变量Kp、Ki、Kd的值域取值为“很大”(VB)、“大”(B)、“中”(M)、“小”(s) 4种。 （4）规则的制定：根据PID参数整定原则及运行经验，可列出输出变量Kp、Ki、Kd 的控制规则表。 （5）推理方法的确定 隐含采用“mamdani”方法：max-min； 推理方法，即“min”方法； 去模糊方法：面积中心法； 选择隶属函数的形式：三角型。

简易模糊控制器设计及MATLAB仿真

简易模糊控制器的设计及仿真 摘要：模糊控制（Fuzzy Control ）是以模糊集理论、模糊语言和模糊逻辑推理为基础的一种控制方法，它从行为上模仿人的模糊推理和决策过程。本文利用MATLAB/SIMULINK 与FUZZY TOOLBOX 对给定的二阶动态系统，确定模糊控制器的结构，输入和输出语言变量、语言值及隶属函数，模糊控制规则，比较其与常规控制器的控制效果，用MATLAB 实现模糊控制的仿真。 关键词：模糊控制 参数整定 MATLAB 仿真 二阶动态系统模型： ()()1140130120 ++s s 采用simulink 图库，实现常规PID 和模糊自整定PID 。 一．确定模糊控制器结构 模糊自整定PID 为2输入3输出的模糊控制器。在MATLAB 的命令窗口中键入fuzzy 即可打开FIS 编辑器，其界面如下图所示。此时编辑器里面还没有FIS 系统，其文件名为Untitled ，且被默认为Mandani 型系统。默认的有一个输入，一个输出，还有中间的规则处理器。在FIS 编辑器界面上需要做一下几步工作。 首先，模糊自整定PID 为2输入3输出的模糊控制器，因此需要增加一个输入两个输出，进行的操作为：选择Edit 菜单下的Add Variable/Input 菜单项。

如下图。 其次，给输入输出变量命名。单击各个输入和输出框，在Current Variable 选项区域的Name文本框中修改变量名。如下图 最后，保存系统。单击File菜单，选择Export下的To Disk项。这里将创建的系统命名为PID_auot.fi。 二．定义输入、输出模糊集及隶属函数

基于matlab的模糊控制器的设计与仿真

基于MATLAB的模糊控制器的设计与仿真 摘要：本文对模糊控制器进行了主要介绍。提出了一种模糊控制器的设计与仿真的实现方法，该方法利用MA TLB模糊控制工具箱中模糊控制器的控制规则和隶属度函数，建立模型，并进行模糊控制器设计与仿真。 关键词：模糊控制，隶属度函数，仿真，MA TLAB 1 引言 模糊控制是一种特别适用于模拟专家对数学模型未知的较复杂系统的控制，是一种对模型要求不高但又有良好控制效果的控制新策略。与经典控制和现代控制相比，模糊控制器的主要优点是它不需要建立精确的数学模型。因此，对一些无法建立数学模型或难以建立精确数学模型的被控对象，采用模糊控制方法，往往能获得较满意的控制效果。 模糊控制器的设计比一般的经典控制器如PID控制器要复杂，但如果借助MATLAB则系统动态特性良好并有较高的稳态控制精度，可提高模糊控制器的设计效率。本文在MATLAB环境下针对某个控制环节对模糊控制系统进行了设计与仿真。 2 模糊控制器简介 模糊控制器是一种以模糊集合论，模糊语言变量以及模糊推理为数学基础的新型计算机控制方法。显然，模糊控制的基础是模糊数学，模糊控制的实现手段是计算机。本章着重介绍模糊控制的基本思想，模糊控制的基本原理，模糊控制器的基本设计原理和模糊控制系统的性能分析。 随着科学技术的飞速发展，在那些复杂的，多因素影响的严重非线性、不确定性、多变性的大系统中，传统的控制理论和控制方法越来越显示出局限性。长期以来，人们期望以人类思维的控制方案为基础，创造出一种能反映人类经验的控制过程知识，并可以达到控制目的，能够利用某种形式表现出来。而且这种形式既能够取代那种精密、反复、有错误倾向的模型建造过程，又能避免精密的估计模型方程中各种方程的过程。同时还很容易被实现的，简单而灵活的控制方式。于是模糊控制理论极其技术应运而生。 3 模糊控制的特点 模糊控制是以模仿人类人工控制特点而提出的，虽然带有一定的模糊性和主观性，但往往是简单易行，而且是行之有效的。模糊控制的任务正是要用计算机来模拟这种人的思维和决策方式，对这些复杂的生产过程进行控制和操作。所以，模糊控制有以下特点： 1）模糊控制的计算方法虽然是运用模糊集理论进行的模糊算法，但最后得到的控制规律是确定

洗衣机模糊控制matlab仿真

洗衣机模糊控制仿真 1.模糊控制背景 美国教授查徳（L.A.Zandeh）在1965年首先提出模糊集合的概念，由此打开了模糊数学及其应用的大门。 1974年英国教授马丹尼（E.H.Mamdani）首先将模糊集合理论应用于加热器的控制，创造了模糊控制的基本框架。 1980年，Sugeno开创了日本的首次模糊应用——控制一家富士电子水净化厂。1983年他又开始研究模糊机器人。 随着模糊控制技术的不断发展，模糊控制逐渐被应用到日用家电产品的控制，例如电饭锅﹑照相机﹑吸尘器﹑洗衣机等。 2.仿真目的 本次仿真的主要目的是设计一个比较合理的洗衣机模糊控制器，它能够根据被洗涤衣物的污泥多少和油脂多少，综合得到洗涤时间，从而达到最佳的洗涤效果。 3.仿真方法 本次仿真借助matlab中集成的模糊控制工具箱，使用图形界面进行模糊控制器的设计。最后随意给定几组输入，得到输出并作出简单分析。4.模糊控制器的设计 4.1模糊控制器理论设计方法 ①选择合适的模糊控制器类型； ②确定输入输出变量的实际论域； ③确定e,e?,u ?的模糊集个数及各模糊集的隶属度函数； ④输出隶属度函数选为单点，可使解模糊简单； ⑤设计模糊控制规则集； ⑥选择模糊推理方法； ⑦解模糊方法。

4.2实际设计过程 ①模糊控制器类型：选用两输入单输出模糊控制器，控制器输入为衣物的污泥和油脂，输出为洗涤时间。 ②确定输入输出变量的实际论域：输入为Mud(污泥)和Grease （油脂），设置Range=[0 100]（输入变化范围为[0,100]）；输出为Time(洗涤时间)，Range=[0 60]（输出变化范围为[0,60]）。 对应matlab 中模糊控制模块： ③确定模糊集个数及各模糊集的隶属度函数：将污泥分为3个模糊集：SD （污泥少）MD （污泥中）LD(污泥多)；將油脂分为三个模糊集：NG （油脂少）MG （油脂中）LG （油脂多）；将洗涤时间非为5个模糊集：VS （很短）S （短）M （中等）L （长）VL （很长）。 输入﹑输出隶属度函数都定为三角形隶属函数。结合④输出隶属度函数选为单点，可使解模糊简单；定义污泥隶属函数如下 50)50()(x x SD -=μ 0≤x ≤50 50 x 0≤x ≤50 =Mad μ =)(x MD μ 50 ) 100(x - 50＜x ≤100 50)50()(-=x x LD μ 50＜x ≤100 对应matlab 中隶属度函数仿真图如下：

模糊控制系统及其MATLAB实现

模糊控制系统及其MATLAB实现 1. 模糊控制的相关理论和概念 1.1 模糊控制的发展 模糊控制理论是在美国加州伯克利大学的L.A.Zadeh教授于1965 年建立的模 糊集合论的数学基础上发展起来的。之后的几年间Zadeh又提出了模糊算法、模糊 决策、模糊排序、语言变量和模糊IF-THEN规则等理论，为模糊理论的发展奠定了 基础。 1975年，Mamdani和Assilian创立了模糊控制器的基本框架，并用于控制蒸 汽机。 1978年，Holmblad和Ostergaard为整个工业过程开发出了第一个模糊控制器——模糊水泥窑控制器。 20世纪80年代，模糊控制开始在工业中得到比较广泛的应用，日本仙台地铁 模糊控制系统的成功应用引起了模糊领域的一场巨变。到20世纪90年代初，市场 上已经出现了大量的模糊消费产品。 近30 年来, 因其不依赖于控制对象的数学模型、鲁棒性好、简单实用等优点, 模糊控制已广泛地应用到图像识别、语言处理、自动控制、故障诊断、信息并且渗透到社会科学和检索、地震研究、环境预测、楼宇自动化等学科和领域, 自然科学许多分支中去, 在理论和实际运用上都取得了引人注目的成果。 1.2 模糊控制的一些相关概念 用隶属度法来定义论域U中的集合A，引入了集合A的0-1隶属度函数， 用,()x表示，它满足: A xA,1, ,x(),,AxA,0,

用0-1之间的数来表示x属于集合A的程度，集合A等价与它的隶属度函 数,()x A 模糊系统是一种基于知识或基于规则的系统。它的核心就是由所谓的IF-THEN 规则所组成的知识库。一个模糊的IF-THEN规则就是一个用连续隶属度函数对所描述的某些句子所做的IF-THEN形式的陈述。例如: 如果一辆汽车的速度快，则施加给油门的力较小。 这里的“快”和“较小”分别用隶属度函数加以描述。模糊系统就是通过组合IF-THEN规则构成的。 构造一个模糊系统的出发点就是要得到一组来自于专家或基于该领域知识的模糊IF-THEN规则，然后将这些规则组合到单一系统中。不同的模糊系统可采用不用的组合原则。 用隶属度函数表征一个模糊描述后，实质上就将模糊描述的模糊消除了。 模糊控制系统设计的关键在于模糊控制器的设计。模糊控制器的设计主要有三个部分: (1) 输入量的模糊化 所谓模糊化(Fuzzification) 就是先将某个输入测量量的测量值作标准化处理,把该输入测量量的变化范围映射到相应论域中,再将论域中的各输入数据以相应的模糊语言值的形式表示,并构成模糊集合。这样就把输入的测量量转换为用 隶属度函数表示的某一模糊语言变量。 (2) 模糊逻辑推理 根据事先已定制好的一组模糊条件语句构成模糊规则库,运用模糊数学理论对 模糊控制规则进行推理计算,从而根据模糊控制规则对输入的一系列条件进行综合评估,以得到一个定性的用语言表示的量,即模糊输出量。完成这部分功能的过程就是模糊逻辑推理过程。

基于MATLAB的模糊控制洗衣机的设与仿真(谷风软件)

基于MATLAB的模糊控制洗衣机的设计与 仿真 卫瑶瑶,王胜红 （南京农业大学工学院，210031） 摘要：根据模糊控制的原理对传统洗衣机进行改造，设计了模糊控制系统。通过MA TLAB仿真，采用取最大隶属度法得到清晰化结果，所得结果与理论计算结果一致。 关键词：模糊控制；洗衣机；MA TLAB Design and Simulation of Fuzzy Control System of Washing Machine Based on MATLAB Wei yaoyao, Wang Shenghong (College of Engineering，Nanjing Agricultural University，210031) Abstract: This paper designed a fuzzy control system for washing machine based on the theory of fuzzy control. This paper conducted the simulation of MATLAB, and took maximum membership degree method to get the results of clarity. Finally, it’s proved that the simulation results is the same with theory calculation. Keywords: fuzzy control; washing machine; MATLAB 自动控制从最早的开环控制起步，然后是反馈控制、最优控制、随机控制，再到自适应控制、自学习控制、自组织控制，一直发展到自动控制的最新阶段——智能控制。智能控制的几个重要分支有：专家系统、模糊控制、神经网络控制等。作为人类思维外壳的自然语言，本身就带有模糊性，这是计算机所不能理解的。模糊控制是以模糊集合理论和模糊逻辑推理为基础，把专家用自然语言表述的知识和控制经验，通过模糊理论转换成数学函数，再用计算机进行处理。传统控制方法对一个系统进行控制时，首先要建立控制系统的数学模型，即描述系统内部物理量（或变量）之间关系的数学表达式，必须得知道系统模型的结构、阶次、参数等。然而在工程实践中人们发现，有些复杂的控制系统，虽然不能建立起数学模型，无法用传统控制方法进行控制，但是凭借丰富的实际操作经验，技术工人却能够通过相应操作得到满意的控制效果【1】。 模糊控制之所以被人们广泛接受，是因为其有以下优点：（1）模糊控制器的设计不依赖于被控对象的精确数学模型；（2）模糊控制易于被操作人员接受；（3）便于用计算机软件实现；（4）鲁棒性和适应性好。 1 洗衣机模糊控制系统的原理 传统洗衣机从控制角度看，实际上是一台按事先设定好的参数进行顺序控制的机器，它不能根据情况和条件的变化来改变参数。而模糊逻辑控制的智能洗衣机，它能够完成除开启电源、放取衣物之外的全部功能，智能洗衣机的核心是单片机控制板，它具有检测和控制

模糊控制在倒立摆中的MATLAB仿真应用

TAIYUAN UNIVERSITY OF SCIENCE & TECHNOLOGY 题目： 院（系）： 专业： 学生姓名： 学号：

模糊控制在倒立摆中的仿真应用 1、倒立摆系统 简介 倒立摆有许多类型,例如图1-1的a和b所示的分别是轮轨式一级倒立摆系统和二级倒立摆系统的模型。倒立摆是一个典型的快速、多变量、非线性、本质不稳定系统,它对倒置系统的研究在理论上和方法论上具有深远的意义。对倒立摆的研究可归结为对非线性多变量本质不稳定系统的研究,其控制方法和思路在处理一般工业过程中也有广泛的用途。近些年来国内外不少专家学者对一级、二级、三级、甚至四级等倒立摆进行了大量的研究,人们试图寻找不同的控制方法实现对倒立摆的控制,以便检查或说明该方法的严重非线性和本质不稳定系统的控制能力。2002年8月11日,我国的李洪兴教授在国际上首次成功实现了四级倒立摆实物控制,也标志着我国学者采用自己提出的控制理论完成的一项具有原创性的世界领先水平的重大科研成果。 图1-1 倒立摆模型 (a)一级倒立摆模型（b）二级倒立摆模型 倒立摆系统可以简单地描述为小车自由地在限定的轨道上左右移动。小车上的倒立摆一端用铰链安装在小车顶部,另一端可以在小车轨道所在的垂直平面内自由转动,通过电机和皮带传动使小车运动,让倒立摆保持平衡并保持小车不和轨道两端相撞。在此基础上在摆杆的另一端铰链其它摆杆,可以组成二级、三级倒立摆系统。该系统是一个多用途的综合性试验装置,它和火箭的飞行及步行机器人的关节运动有许多相似之处,其原理可以用于控制火箭稳定发射、机器人控制等诸多领域。 倒立摆系统控制原理

单级倒立摆系统的硬件包括下面几个部分：计算机、运动控制卡、伺服系统、倒立摆和测量元件，由它们组成的一个闭环系统，如图1-2所示，就是单级倒立摆系统的硬件结构图。 图1-2 单级倒立摆硬件结构图 通过角度传感器可以测量摆杆的角度，通过位移传感器可以得到小车的位置，然后反馈给运动控制卡，运动控制卡与计算机双向通信。计算机获得实时数据，确定控制策略，发送到运动控制卡，运动控制卡执行计算机确定的控制策略，产生相应的控制量，由伺服电机转动来带动小车在水平轨道往复的运动，使摆杆保持倒立。 倒立摆系统状态方程 θ f 图1-3 单级倒立摆模型图 θ为杆与垂线的夹角，f为作用力，杆的质量m=，杆和小车的总重量m=,半杆长l=，重力加速度g=s2，采样周期T=.倒立摆的数学模型为：

模糊控制器的MATLAB仿真

实验一模糊控制器的MATLAB仿真 一、实验目的 本实验要求利用MATLAB/SIMULINK与FUZZYTOOLBOX对给定的二阶动态系统，确定模糊控制器的结构，输入和输出语言变量、语言值及隶属函数，模糊控制规则；比较其与常规控制器的控制效果；研究改变模糊控制器参数时，系统响应的变化情况；掌握用 MATLAB 实现模糊控制系统仿真的方法。 二、实验原理 模糊控制器它包含有模糊化接口、知识库（规则库、数据库）、模糊推理机、解模糊接口等部分。输人变量e(t)是过程实测变量y(t)与系统设定值s(t)之差值。输出变量y(t)是系统的实时控制修正变量。模糊控制的核心部分是包含语言规则的规则库和模糊推理机。而模糊推理就是一种模糊变换，它将输入变量模糊集变换为输出变量的模糊集，实现论域的转换。工程上为了便于微机实现，通常采用“或”运算处理这种较为简单的推理方法。Mamdani推理方法是一种广泛采用的方法。它包含三个过程：隶属度聚集、规则激活和输出总合。模糊控制器的组成框图如图2.1所示。 图2.1 模糊控制器的组成框图 三、模糊推理系统的建立 一个模糊推理系统的建立分为三个步骤：首先，对测量数据进行模糊化；其次，建立规则控制表；最后，输出信息的模糊判决，即对模糊量进行反模糊化，得到精确输出量。 模糊推理系统的建立，往往是设计一个模糊控制系统的基础。建立一个模糊推理系统有两类方法：一种是利用GUI建立模糊推理系统；另一种是利用MATLAB命令建立。下面根据实验内容，利用GUI建立模糊推理系统。 例：对循环流化床锅炉床温，对象模型为

()()1140130120 ++s s 采用simulink 图库，实现常规PID 和模糊自整定PID 。模糊自整定PID 为2输入3输出的模糊控制器。 1、 进入FIS 编辑器 在MATLAB 的命令窗口中键入fuzzy 即可打开FIS 编辑器，其界面如下图所示。此时编辑器里面还没有FIS 系统，其文件名为Untitled ，且被默认为Mandani 型系统。默认的有一个输入，一个输出，还有中间的规则处理器。在FIS 编辑器界面上需要做一下几步工作。 首先，模糊自整定PID 为2输入3输出的模糊控制器，因此需要增加一个输入两个输出，进行的操作为：选择Edit 菜单下的Add Variable/Input 菜单项。如下图。

模糊温度控制器的设计与Matlab仿真(DOC)

模糊温度控制器的设计与Matlab仿真 徐鹏 201403026 摘要:针对温度控制系统的时变、滞后等非线性特性及控制比较复杂的问题,提出了一种模糊控制方案以改善系统的控制性能.该方案采用mamdani推理型模糊控制器代替传统的PID控制器,依据模糊控制规则由SCR移相调控晶闸管控制电阻炉电热功率,实现对温度的控制. Matlab仿真结果表明,模糊控制的引入有效地克服了系统的扰动,改善了控制性能,提高了控制质量. 关键词:温度控制器;模糊控制;仿真分析 中图分类号: TP272 文献标志码:A Abstract:For the temperature controlsystem with the nonlinear characters of time-varying and lag and the comp lexity in control,a fuzzy control algorithm is p resented. Thealgorithm adop tsmamdani reasoning fuzzyPID controller to rep lace the traditional PID controller and use the SCR phase-shift thyristor to control the e-lectric resistance furnace power based on the fuzzy control rules to imp lement the temperature control. Matlabsimulation results show that the fuzzy control can effectively overcome the disturbance and imp rove the con-trol performance. Key words: temperature controller; fuzzy control; simulation analysis 0 引言 在工业生产过程中,温度控制是重要环节,控制精度直接影响系统的运行和产品质量. 在传统的温度控制方法中,一般采取双向可控硅装置,并结合简单控制算法(如PID算法) ,使温度控制实现自动调节. 但由于温度控制具有升温单向性、大惯性、大滞后等特点,很难用数学方法建立精确的模型,因此用传统的控制理论和方法很难达到好的控制效果. 鉴于此,本文拟以模糊控制为基础的温度智能控制系统,采用人工智能中的模糊控制技术,用模糊控制器代替传统的PID 控制器,以闭环控制方式实现对温度的自动控制. 1温度控制系统的硬件组成 在该温度控制装置中,由SCR移相调控晶闸管控制电阻炉来实现对温度的控制. 在温控系统中,通过CAN总线将控制站、操作站和通信处理单元连为一体. 温度控制系统的结构简图如图1所示.

基于MATLAB的模糊控制系统设计

实验一基于MATLAB的模糊控制系统设计 1.1实验内容 （1）基于MATLAB图形模糊推理系统设计，小费模糊推理系统； （2）飞机下降速度模糊推理系统设计； （3）水箱液位模糊控制系统设计及仿真运行。 1.2实验步骤 1小费模糊推理系统设计 （1）在MATLAB的命令窗口输入fuzzy命令，打开模糊逻辑工具箱的图形用户界面窗口，新建一个Madmdani模糊推理系统。 （2）增加一个输入变量，将输入变量命名为service、food，输出变量为tip，这样建立了一个两输入单输出模糊推理系统框架。 （3）设计模糊化模块：双击变量图标打开Membership Fgunction Editor窗口，分别将两个输入变量的论域均设为[0,10],输出论域为[0,30]。 通过增加隶属度函数来进行模糊空间划分。 输入变量service划分为三个模糊集：poor、good和excellent，隶属度函数均为高斯函数，参数分别为[1.5 0]、[1,5 5]和[1.5 10]； 输入变量food划分为两个模糊集：rancid和delicious，隶属度函数均为梯形函数，参数分别为[0 0 1 3]和[7 9 10 10]； 输出变量tip划分为三个模糊集：cheap、average和generous，隶属度函数均为三角形函数，参数分别为[0 5 10]、[10 15 20]和[20 25 30]。

（4）设置模糊规则：打开Rule Editor窗口，通过选择添加三条模糊规则： ①if (service is poor) or (food is rancid) then (tip is cheap) ②if (service is good) then (tip is average) ③if (service is excellent) or (food is delicious) then (tip is generous) 三条规则的权重均为 1. （5）模糊推理参数均使用默认值，通过曲面观察器（Surface Viewer）查看

单级倒立摆的模糊控制以及在MATLAB中的仿真

单级倒立摆的模糊控制以及在MATLAB中的仿真 摘要 倒立摆系统是一个典型的多变量、非线性、强藕合和快速运动的自然不稳定系统。因此倒立摆在研究双足机器人直立行走、火箭发射过程的姿态调整和直升机飞行控制领域中有重要的现实意义，相关的科研成果己经应用到航天科技和机器人学等诸多领域。 本文围绕一级倒立摆系统，采用模糊控制理论研究倒立摆的控制系统仿真问题。仿真的成功证明了本文设计的模糊控制器有很好的稳定性。主要研究工作如下： （1)使用了牛顿力学和Lagrange方程对倒立摆进行数学建模，推导出倒立摆系统传递函数和状态空间方程。 （2)分析了模糊控制理论的数学基础，对模糊控制的方法进行了研究：介绍了模糊子集、模糊关系和模糊推理等相关知识。 （3)介绍了如何利用Simulink建立倒立摆系统模型，特别是利用Mask封装功能，使模型更具灵活性，给仿真带来很大方便。 （4)进行一级倒立摆系统的控制器设计与仿真。通过matlab的Simulink实现倒立摆模糊控制系统的仿真。说明仿真结果的趋向。 关键词：倒立摆模糊控制仿真MATLAB 第一章绪论 1．1 倒立摆系统的重要意义 倒立摆系统是研究控制理论的一种典型实验装置，具有成本低廉，结构简单，物理参数和结构易于调整的优点，是一个具有高阶次、不稳定、多变量、非线性和强藕合特性的不

稳定系统。在控制过程中，它能有效地反映诸如可镇定性、鲁棒性、随动性以及跟踪等许多控制中的关键问题，是检验各种控制理论的理想模型。迄今人们已经利用经典控制理论、现代控制理论以及各种智能控制理论实现了多种倒立摆系统的控制稳定。倒立摆主要有：有悬挂式倒立摆、平行倒立摆、环形倒立摆、平面倒立摆；倒立摆的级数有一级、二级、三级、四级乃至多级；倒立摆的运动轨道可以是水平的，也可以是倾斜的：倒立摆系统己成为控制领域中不可或缺的研究设备和验证各种控制策略有效性的实验平台。同时倒立摆研究也具有重要的工程背景：如机器人的站立与行走类似双倒立摆系统；火箭等飞行器的飞行过程中，其姿态的调整类似于倒立摆的平衡等等。因此对倒立摆控制机理的研究具有重要的理论和实践意义。 1．2 倒立摆系统的控制方法 自从倒立摆产生以后，国内外的专家学者就不断对它进行研究，其研究主要集中在下面两个方面： （1）倒立摆系统的稳定控制的研究 （2）倒立摆系统的自起摆控制研究 而就这两方面而言，从目前的研究情况来看，大部分研究成果又都集中在第一方面即倒 立摆系统的稳定控制的研究。目前，倒立摆的控制方法可分如下几类： (1)线性理论控制方法 将倒立摆系统的非线性模型进行近似线性化处理获得系统在平衡点附近的线性化模型，然后再利用各种线性系统控制器设计方法得到期望的控制器。如1976年Mori etc的把倒立摆系统在平衡点附近线性化利用状念空间的方法设计比例微分控制器。1980年，Furuta etc基于线性化方法，实现了二级倒立摆的控制。1984年，Furuta首次实现双电机三级倒立摆实物控制。1984年，wattes研究了LQR(Linear Quadratic Regulator)方法控制倒立摆。这类方

基于MATLAB的温度模糊控制系统的设计

智能控制》课程论文 基于MATLAB的温度模糊控制系统的设计 成绩：任课教师：田志波班级：测控09-2 作者：胡 兵上交时间：2012.11.05 一、温度模糊控制 在工业生产过程中，温度控制是重要环节，控制精度直接影响系统的运行和产品质量。在传统的温度控制方法中，一般采取双向可控硅装置，并结合简单控制算法(如PID算法)，使温度控制实现自动调节。但由于温度控制具有升温单向性、大惯性、大滞后等特点，很难用数学方法建立精确的模型，因此用传统的控制理论和方法很难达到好的控制效果。鉴于此，本文拟以模糊控制为基础的温度智能控制系统，采用人工智能中的模糊控制技术，用 模糊控制器代替传统的PID控制器，以闭环控制方式实现对温度的自动控制。 二、方案设计 利用MATLA的模糊控制箱及Simulink内含的功能元件，建立温度箱温度模糊控制器及其系统的模型。 1. 建立模糊控制器 采用温度偏差，即实际测量温度与给定温度之差e及偏差变化率ed作为模糊控制器的输 入变量，输出p为“PW波(脉冲宽度调制)”控制发热电阻的功率，来调节温度箱内温度的升降，形成典型的双输入单输出二维模糊控制器。

运用MATLA中的FIS编辑器，建立温度箱的Mamdan型模糊控制器，如图1所示。温度偏差e、温度偏差变化率ed和输出变量IZ的语言变量E, Ed, P都选择为｛NB, NM NS Z, PS, PM PB｝，其中P和N分别表示正与负，B, M s分别表示大、中、小，z表示0。 图1模糊控制器模型 2. 建立控制决策及隶属函数 模糊控制决策及解模糊方法采用系统默认值，即极大极小合成运算与重心法解模糊。由模糊控制决策公式可求得输出变量的模糊集合为P =(E X Ed ) X R 本文都采用三角隶属函数，各变量的隶属函数如图2所示。其中，图2(a)为E和Ed,隶属 函数图，E和Ed的量化论域为［-6 , 6］;图2(b)为P隶属函数图，EQ的量化论域为［-6 , 6］。不同的系统，其模糊集的隶属函数是不同的，要根据实际情况和实践经验而定。

MATLAB模糊控制仿真程序

clear all; close all; ts=20; sys1=tf([1],[60,1],'inputdelay',80); %生成或转换传递函数模型 dsys1=c2d(sys1,ts,'zoh'); %将连续系统离散化 [num1,den1]=tfdata(dsys1,'v'); %传统PID算法 u_1=0;u_2=0;u_3=0;u_4=0;u_5=0; y_1=0;y_2=0;y_3=0; error_1=0;ei=0; for k=1:1:300 time(k)=k*ts; rin(k)=40; yout(k)=-den1(2)*y_1+num1(2)*u_5; error(k)=rin(k)-yout(k); ei=ei+error(k)*ts; kp=0.8;ki=0.005;kd=3.0; u(k)=kp*error(k)+kd*(error(k)-error_1)/ts+ki*ei; if u(k)>=110 u(k)=110; end if u(k)<=-110 u(k)=-110; end %返回PID参数 u_5=u_4;u_4=u_3;u_3=u_2;u_2=u_1;u_1=u(k); y_3=y_2;y_2=y_1;y_1=yout(k); error_1=error(k); end %获得传递函数模型数据

%模糊PID控制系统 a=newfis('fuzzf'); %创建新的模糊推理系统 f1=1; a=addvar(a,'input','e',[-5*f1,5*f1]); %添加e 的模糊语言变量 a=addmf(a,'input',1,'NB','trimf',[ -7.5 -5 -2.5]); %添加e 的模糊语言变量的隶属度函数（z型） a=addmf(a,'input',1,'NS','trimf', [-5 -2.5 0]); a=addmf(a,'input',1,'ZE','trimf',[-2.5 0 2.5]); a=addmf(a,'input',1,'PS','trimf',[0 2.5 5]); a=addmf(a,'input',1,'PB','smf',[2.5 5 7.5]); f2=1; a=addvar(a,'input','ec',[-10*f2,10*f2]); %添加ec 的模糊语言变量 a=addmf(a,'input',2,'NB','trimf',[-15 -10 -5]); a=addmf(a,'input',2,'NS','trimf',[-10 -5 0]); a=addmf(a,'input',2,'Z','trimf', [-5 -5.551e-017 5]); a=addmf(a,'input',2,'PS','trimf', [0 5 10]); a=addmf(a,'input',2,'PB','smf', [5 10 15]); f3=1.5; a=addvar(a,'output','u',[0*f3,220*f3]); %添加u 的模糊语言变量 a=addmf(a,'output',1,'NB','trimf', [-55 -4.441e-016 55]); a=addmf(a,'output',1,'NS','trimf', [0 55 110]); a=addmf(a,'output',1,'Z','trimf', [55 110 165]); a=addmf(a,'output',1,'PS','trimf', [110 165 220]); a=addmf(a,'output',1,'PB','smf',[165 220 275]); rulelist=[1 1 5 1 1; %编辑模糊规则 1 2 5 1 1; 1 3 5 1 1; 1 4 5 1 1; 1 5 5 1 1; 2 1 5 1 1; 2 2 4 1 1; 2 3 4 1 1; 2 4 3 1 1; 2 5 2 1 1; 3 1 5 1 1; 3 2 4 1 1;

matlab模糊控制实现教学内容

模糊控制作业 一介绍 模糊控制是指基于模糊逻辑描述一个过程的控制算法，是以模糊集合论、模糊语言变量及模糊逻辑推理为基础的，基于被控系统的物理特性，模拟人的思维方式和人的控制经验来实现的一种计算机智能控制。模糊控制器主要嵌有操作人员的经验和直觉知识，是模糊语言形式的控制方法，不需要预先知道被控对象结构、参数，不需要建立被控对象的精确数学模型，并能克服非线性因素、大惯性因素的影响，对调节对象的参数变化不敏感，对对象时变及纯滞后有一定的适应性,即具有较强的鲁棒性。模糊控制器的设计参数容易选择调整。模糊控制系统如图1-1所示 图1-1 模糊控制系统框图 二本作业介绍 1、选定模糊控制器的输入输出变量，并进行量程转换 输入语言变量选为实际浓度与给定值之间的偏差（纸浆浓度偏差）e及纸浆浓度偏差变化率ec，输出语言变量选为阀门开度增量u。首先确定e、ec和u 的基本论域分别为[-1.2%～1.2%]、[-0.6%～0.6%]和[-12～12]，选定e、u的模糊集合的论域为[-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5，6]，ec的模糊集合的论域为[-7，-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5，6，7] 2、确定模糊控制器的结构 根据系统输入变量个数可知，应采用采用双输入单输出模糊控制器。（如图2所示）模糊控制器主要包含三个功能环节:用于输入信号处理的模糊量化和模糊化环节，模糊控制算法功能单元，以及用于输出解模糊化的模糊判决环节。

e d/dt 图2 双输入单输出模糊控制器 3、确定各变量的模糊语言取值及相应的隶属函数，即进行模糊化 模糊化是将模糊控制器输入量的确定值转换为相应模糊语言变量值的过程，此相应语言变量均由对应的隶属度函数来定义。 对纸浆浓度偏差e 、纸浆浓度偏差变化率ec 、阀门开度的增量u 进行模糊化，分别用模糊语言变量X 、Y 、Z 进行表示，语言值集合均为{负大，负中，负小，零，正小，正中，正大}，用英文缩写进行表示分别为： X={NBe,NMe,NSe,ZOe,PSe,PMe,PBe} Y={ NBec,NMec,NSec,ZOec,PSec,PMec,PBec } Z={ NBu,NMu,NSu,ZOu,PSu,PMu,PBu } 模糊化包括两个任务：第一个任务是进行论域变换，过程参数的实际范围称为基本论域，可以通过变换系数（量化因子）实现由基本论域到量化论域的变换；第二个任务是求得输入对应于语言变量的隶属度。取三角形隶属函数，并取为均非均匀间隔。 a.任务一：求量化因子 e 、ec 和u 的基本论域分别为[-1.2%～1.2%]、[-0.6%～0.6%]和[-12～12]，量化论域分别为[-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5，6]，[-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5，6]，[-7，-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5，6，7] 。 纸浆浓度偏差e 的量化因子Ke=6/0.012=500，纸浆浓度偏差变化率ec 的量化因子Kec=6/0.006=1000，通过量化因子即可实现由基本论域到量化论域的变换。 b.任务二：取隶属度函数 选用三角形隶属度函数，如图所示： 图2-1 纸浆浓度偏差e 的隶属度函数 二维 模糊 控制器

基于matlab的洗衣机模糊控制器的设计及仿真

基于matｌab的洗衣机模糊控制器的设计及仿真

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基于ma ｔla ｂ的洗衣机模糊控制器的设计及仿真 以洗衣机洗涤时间的模糊控制系统设计为例,其控制原理是根据衣物上污泥和油脂的程度，调节洗涤时间,该控制是一个开环的模糊决策过程，模糊控制按以下步骤进行： 1. 确定模糊控制器的结构 选用两输入单输出的模糊控制器。控制器的输入为衣物的污泥和油脂,输出 为洗涤时间。 2. 定义输入、输出的模糊集 将污泥分为3个模糊集:SD （污泥少）,MD （污泥中),L Ｄ（污泥多），取 值为[0,1０0];将油脂分为3个模糊集：NG （油脂少），MG （油脂中)，LG (油脂多），取值为[0,１00];将洗涤时间分为5个模糊集：VS (很短),Ｓ(短),Ｍ（中等），Ｌ(长）,V Ｌ(很长）,取值为[0,６0]。 3. 定义输入、输出隶属函数 选用如下三角形隶属函数可实现污泥的模糊化。 ? 采用Ma ｔｌａｂ进行仿真，污泥隶属函数仿真结果如图1所示。 选用如下三角形隶属函数实现油脂的模糊化，如图2所示。 ?? ?? ? ??≤<-=?? ?≤<-≤≤=≤≤-==100 5050/)50()(1005050/)100(50050/)(50050/)50()(x x x x x x x x x x x LD MD SD μμμμ污泥 ?? ?? ? ??≤≤-=?? ?≤<-≤≤=≤≤-==100 5050/)50()(1005050/)100(50050/)(50050/)50()(y y y y y y y y y y y LG MG NG μμμμ油脂