matlab在模糊控制系统设计和仿真的应用

matlab在模糊控制系统设计和仿真的应用

系 统 仿 真 学 报 Vol. 15 No. 1

132 JOURNAL OF SYSTEM SIMULATION Jan. 2003

MATLAB在模糊控制系统设计和仿真的应用

李祖欣

（湖州师范学院物理系，浙江湖州 313000）

摘 要：论述了基于MATLAB6.X（SIMULINK）语言的模糊控制系统设计与仿真方法，并通过

编写M文件的S函数，进一步扩展了SIMULINK的功能，将MATLAB和SIMULINK有机结合起来，大大改善了仿真效率，实现了参数自调整的模糊控制系统的设计和高效仿真，同时给出具体实例。

关键词：MATLAB语言；模糊控制；参数自调整；计算机仿真

文章编号：1004-731X (2003) 01-0132-03 中图分类号：TP273.4 文献标识码：B

Application of MATLAB in the Design and Simulation of Fuzzy Control System

LI Zu-xin

(Department of Physics Huzhou Teachers College Huzhou Zhejiang 313000, China)

Abstract：This paper focuses on how to design and simulate a fuzzy control system with some toolboxes of MATLAB. The self-adjusting parameters in the fuzzy control system can be realized effectually through compiling S-function, which combines MATLAB with simulink and extends simulink’s functions. At the same time, it provides a specific example. Keywords：MATLAB language; fuzzy control; self-tuning parameter; computer simulation

引 言

MATLAB软件是在1984年由美国Math Works公司推出的一套高效率的数值计算的可视化软件，它提供了丰富的数值分析、矩阵运算、图形绘制、数据处理、图像处理等功能，并且提供了大量的应用于不同学科的工具箱。正因为它是一个开放的环境，已经成为国际控制界广泛使用的语言之一。国内也出版了相应的书籍[1]，它主要介绍了模糊控制工具箱的函数，对用SIMULINK建立仿真并没有涉及。

本文在MATLAB6.X基础上讲述了如何利用SIMULINK工具箱和FUZZY工具箱构造模糊控制系统的结构框图和进行仿真研究的方法和具体步骤。对于常规的模糊控制器的不足之处，主要从三个方面去改善：1) 模糊控制器参数（量化因子和比例因子）的自调整；2) 模糊规则集的自调整；3) 模糊控制器与其它控制方式相结合。此时如果按上述一般方法构造系统仿真，SIMULINK已无能为力。我们通过编写S函数，将MATLAB和SIMULINK有机结合起来，可以实现参数自调整的复杂模糊控制系统的设计和高效仿真。

辑控制器及系统设计的各种途径， 它提供了生成和编辑FIS常用的函数，如newfis、addvar、addmf、addrule、evalfis等。它包括产生新的FIS、给FIS加入变量、隶属度函数和控制规则、完成模糊推理运算等。用户可用命令调用这此些函数生成FIS[1]。工具箱还提供了GUI（图形用户界面）编辑函数，使用户能更直观地生成系统。它有FIS编辑器、隶属度函数编辑器、规则编辑器、规则观测器和曲面观测器五个GUI工具。下面以图1所示小容量锅炉给水控制为例加以说明。由于小容量锅炉假水位现象不明显，采用单冲量控制系统。汽包水位被控对象传递函数定为[2]G(S)=0.0125／S(11.5S+1) 。

1.1.1 隶属度函数的建立

若取输入汽包实际水位与给定水位值误差为E、误差变化EC和输出U的论域均为{-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5，6}。其模糊子集均为{NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB}。

在MATLAB命令窗中键入命令FUZZY，进入模糊逻辑编辑窗口FIS Editor，建立E

、EC、U的隶属度函数，有三角形（trimf）、高斯形（gaussmf）、梯形(trapmf)等十一种

1 MATLAB在模糊控制系统中的应用 1.1 生成和编辑模糊推理系统（FIS）

模糊逻辑工具箱（Fuzzy Logic Toolbox）提供了模糊逻

收稿日期：2002-01-28 修回日期：2002-03-14 作者简介：李祖欣(1972), 男, 浙江长兴人, 讲师, 硕士, 研究方向为模糊控制、信号处理及计算机仿真。

matlab在模糊控制系统设计和仿真的应用

Vol. 15 No. 1

Jan. 2003 李祖欣, 等：MATLAB在模糊控制系统设计和仿真的应用

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NB NM NS ZE PS PM PB

隶属度

E

可供选择，在此均选常用的三角形隶属度函数，如图2所示。这些隶属度函数曲线可以是等距离，也可以是非等距离的。当偏差大于某值时，曲线的密度设置得小一些，这样可以提高系统的响应速度；当偏差小于某值时，曲线的密度设置得大一些，这样可以提高系统的响应精度和减少超调。一般合适的隶属度函数应该保证相邻模糊量的交点在0.3-0.7之间。 1.1.2 糊控制规则和决策方法

控制规则是对专家的理论知识和实践经验的总结。此处共有49条规则。如表1所示。

在Rule Editor窗口中，输入这些规则，如选择verbose规则表达形式，我们写成为：1.If (e is NB) and (ec is NB) then (u is PB) (1)……其中最后括号中的“1”表示该条规则的权值。

模糊决策采用：与（And）方法为 min，或（Or）方法为max，推理(Implication)方法为min,合成(Aggregation)方法为max，解模糊化(Defuzzification)方法为重心法（centroid）。如此设计的模糊控制器的输入与输出的关系曲线如图3所示，显然模糊控制是一种非线性控制。

在控制曲面上，检查其期望值是否在模糊控制输出结论空间的中心附近，若超过20%，则需重新调整规则、隶属度函数或模糊运算，对模糊控制器进行优化[3]。

这样建立了一个FIS系统的文件，取文件名为a.fis。注意该模糊控制器的命名与FIS命名应一致，若进行仿真时，需用readfis命令把建好的a.fis读入工作空间(workspace)中。

U

E

EC

图3 模糊控制器的输入输出曲线图

1.2 SIMULINK仿真及参数的调整

MATLAB提供的SIMULINK是一种用来对动态系统进行建模、仿真和分析的软件包，它支持连续、离散及两者混

合的线性和非线性系统。在MATLAB命令窗口中输入simulink弹出编辑框，选择相应的模块，其中在模糊控制工具箱中有一个模糊控制器模块(Fuzzy Logic Controller)，将这些模块连接起来构成系统结构图。双击各个模块输入相应的参数，同时仿真时选择各种数值算法、仿真步长等重要参数，并可用示波器将仿真动态结果给予显示。只有将模糊控制器模块与FIS文件对应起来才能真正构成一个模糊控制系统。它还可以将仿真结果以不同变量存在workspace中，用plot()函数在图形窗口中绘出供分析和比较。图4 是在SIMULINK环境下，模糊控制器与二阶被控对象组成的控制系统仿真框图。

图4 模糊控制系统仿真框图

2 编写S函数实现参数自调整的高效仿真

2.1 ke、kec、ku参数自调整原则

当偏差E较大时，对ke的加权应大一些，有利于消除误差，同时ku取较大值，这样可以保证系统的快速性；当E较小时，系统将接近稳态，此时应对kec加权大一点，ku同时减少，这样可以避免产生超调，使系统尽快进入稳态精度范围。

2.2 编写S函数

作为一种开放的语言，MATLAB提供了多种用户扩展工具，给用户提供编写复杂的函数、创建系统末提供的模块功能。在直接使用SIMULINK难以进行仿真时，可以考虑编写S函数。S函数的格式为[4][5]：Function [sys,x0,str,ts] …… 此处隐藏：4915字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……