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基于MATLAB的实时模糊控制系统.pdf

基于MATLAB的实时模糊控制系统

idolboy
2011-10-18 0人阅读 举报 0 0 暂无简介

简介:本文档为《基于MATLAB的实时模糊控制系统pdf》,可适用于高等教育领域

收稿日期:作者简介:崔蕾蕾(),女,讲师,硕士。文章编号:()基于MATLAB的实时模糊控制系统崔蕾蕾,王建华,黄河清(上海应用技术学院机械与自动化工程学院,上海�华东理工大学信息科学与工程学院,上海�)摘要:�利用Matlab里RealTimeWindowsTarget,并在Simulink平台中开发S函数的模糊控制算法,从而实现了基于MATLAB的实时模糊控制系统。为实时在线仿真系统的研究提供了有效的方法,并为其他先进控制算法的引入提供了借鉴。关键词:�实时模糊控制S函数仿真中图分类号:TP������文献标识码:ARealTimeFuzzyControlSystemBasedOnMATLABCUILei�lei,WANGJian�hua,HUANGHe�qing(SchoolofMechanicalandAutomationEngineering,ShanghaiInstituteofTechnology,Shanghai,ChinaCollegeofInformationScienceandEngineering,EastChinaUniversityofScienceandTechnology,Shanghai,China)Abstract:ThepaperpresentsamethodtobuildarealtimefuzzycontrolsystemwiththeRealTimeWin�dowsTargetinMatlabTherealizationofafuzzycontrollerisbasedontheSfunctioninSimulinkThismethodpresentsusaneffectwaytostudyotheradvancedcontrolinprocesscontrolinMATLABKeywords:realtimefuzzycontrolSfunctionsimulation��MatlabSimulink作为研究控制算法的有力工具,在工控领域的应用已经发挥了强大作用,然而,在MatlabSimulink上建立的纯数学仿真平台,忽略了现场实际控制系统中的信息传递延迟、相移等问题。利用Matlab版本提供的RealTimeWindowsTarget功能,可以容易地实现与现场各板卡的数据通讯,实现半物理仿真模型的实验平台。本文设计了基于Matlab的实时控制系统,实现了模糊控制算法在液位控制系统的应用,为控制系统引入其他先进控制算法,提供了一个借鉴的方法。�实时控制系统的实现本实验平台以水槽液位装置为被控对象,采用PC机作为控制器,在PC机上安装有ADDA卡,通过RealTimeWindowsTarget,实现和现场数据的实时通讯,并在MATLAB平台中开发了模糊控制算法,从而实现了基于MATLAB的实时控制。其控制系统原理框图如图所示。图�模糊控制原理图第卷�第期年月��上海应用技术学院学报JOURNALOFSHANGHAIINSTITUTEOFTECHNOLOGYVolNo�Jun��其中,基于模糊控制的控制器由Simulink里自定义的S函数编写,系统的采样时间由RealTimeWindowsTarget里的输入输出模块决定,控制器里的采样时间继承了输入模块的采样时间,以实现对水槽液位的实时控制。如图控制系统结构框图所示。图�控制系统结构框图�模糊控制算法模块的开发对于水槽液位容器,它具有可变的水位,有一进水阀门和一出水阀门来实现向内进水或向外放水,设计一维模糊控制器,当出水阀门开度一定时,通过控制进水阀门的进水量使水位稳定在固定点附近。�模糊控制器的输入变量和输出变量将水槽液位在固定处的水位作为给定值r,测量得到的水位记为y(k),则误差为e(k)=ry(k)作为模糊控制器的输入变量。模糊控制器的输出变量du控制进水阀门的开度,进水阀门的开度变化控制容器的水位。�输入变量和输出变量的语言描述描述输入变量和输出变量的语言值的模糊子集{NB,NS,O,PS,PB}。设误差e的论域为X,并将误差大小量化为七个等级,分别表示为,,,,,,,则有:X={,,,,,,}选择控制量du的变化论域为Y,并同X一样将误差大小量化为七个等级(也可以多于七个),即:Y={,,,,,,}根据语言变量的隶属函数,可以得到模糊变量e及du的赋值表,见表。表�模糊变量的赋值表模糊变量赋值PBPSONSNB�模糊控制规则的语言描述根据手动控制策略,模糊控制规则可归纳如下:()ife=NBthendu=NB()ife=NSthendu=NS()ife=Othendu=O()ife=PSthendu=PS()ife=PBthendu=PB。�模糊控制规则的矩阵形式模糊关系R可以写成:R=(NBe�NBdu)(NSe�NSdu)��(Oe�Odu)(PSe�PSdu)(PBe�PBdu)式中:角标e、du分别表示误差和控制量。将上述各矩阵NBe�NBdu、NSe�NSdu、Oe�Odu、PSe�PSdu、PBe�PBdu,代入上面的模糊关系式中,就可以求出模糊控制规则的矩阵表达式:R=�模糊决策模糊控制器的控制作用取决于控制量,而控制量通过式(du=eR)来表示。控制量u实际上等于误差的模糊向量e和模糊关系R的合成。例如,当e=PS值时,则有:du=eR=(,,,,,,)��=(,,,,,,)�第期崔蕾蕾,等:基于MATLAB的实时模糊控制系统���控制量的模糊量转化为精确量上面求得的控制量u为一模糊向量,它可以写成:du=()()()�()()()()��按照隶属度最大原则,上式控制量的模糊子集,应选取控制量为!∀级。即当误差e=PS时,控制量du为!∀级。实际控制时,要将!∀级进水阀门开度变为精确量,即为!清晰化∀过程。!∀这个等级控制阀门的精确值根据事先确定的范围是容易计算出的。通过这个精确量去控制容器的水位,使得水位朝着减小误差的方向变化。�模糊控制器的查询表模糊控制规则可由模糊矩阵R来描述。进一步分析模糊矩阵R可以看出,R矩阵每一行正是对每个非模糊的观测结果所引起的模糊响应。对于每个非模糊控制的观测结果,均从R中确定一个确切响应,可以列成表,表为模糊查询表。表�模糊查询表edu��分析得出,模糊控制器的稳态误差与X、Y论域分档的级数有关,要提高控制精度,应适当增加分档的级数,或采用不均匀分档的方法,即在误差较小的区域适当增加分档级数。�模糊控制算法的实现此模糊控制算法利用Simulink里用户自定义的S函数来实现,在此模块里,采用C语言编写模糊控制算法,然后在Simulink模型里通过S函数直接调用,实现控制器模块,再与RealTimeTarget库里调用的模拟量输入输出模块一起,构成整个实时控制系统。C语言S函数流程如图所示。由于模糊控制算法在每个采样时间里计算一次,并将结果输出给Simulink里与之相连的下一个模块,所以,当Flag=时,在计算输出(md�lOutput)函数里编写相关算法。模糊控制模块的子系统如图所示。图�C语言S函数流程图图�模糊控制模块结构图�实时Fuzzy控制系统功能的控制效果比较图为模糊控制仿真曲线,图为PI控制仿真曲线。从仿真结果可以看出来:模糊控制的鲁棒性比较好,对被控对象的变化有适应能力,但是模糊控制器的稳态精度差,由于缺少积分作用,并且控制动作欠细腻,模糊控制需做量化取整运算,则量化误差也使得系统输出产生稳态颤振现象。而PI控制由于有了积分的作用,使得系统的稳态误差得到了降低,又具有较快的动态响应。但是由于控制中缺少微分作用,使得在偏差信号变得较大时,不能产生早期的修正信号,使得调节时间大大增加。因此,以上两种控制方案的效果都不是特别好,考虑引入模糊PI控制,在误差变化较大时采用模糊控制进行!粗调∀,在小偏差范围内转化成PI控制,使得系统既可以获得较高的精度,又���上海应用技术学院学报第卷�可以改善动态特性。图是模糊PI控制的系统框图。图为模糊PI控制仿真曲线。图�模糊控制仿真曲线图图�PI控制仿真曲线图图�模糊PI的系统框图图�模糊PI控制仿真曲线图��模糊PI控制,在误差变化较大时采用模糊控制进行!粗调∀,在小偏差范围内转化成PI控制,使得控制具有了模糊和PI控制的优点,消除了稳态误差,减小了输出的振荡特性,这使得模糊PI控制效果比较好。�结�论本文对单输入单输出控制系统的实时在线仿真进行了一定的研究,在利用MATLAB进行实时在线仿真的方法和技巧上作了一些探讨,提出了一种以MATLABSimulink模型作对象模型,通过ADDA卡与实际执行机构相连进行实时在线仿真的方法,并将之应用在水槽液位模糊控制系统的设计中,获得了良好的效果,表明该实时在线仿真系统可以有效的检验实际控制器的性能,对设计单输入单输出控制系统有指导作用。参考文献:�王�磊,王为民模糊控制理论及应用M北京:国防工业大学出版社,�薛定宇,陈阳泉基于MATLABSimulink的系统仿真技术与应用M北京:清华大学出版社,�TengFCReal�timeControlUsingMatlabSimulinkJSystemsManandCybernetics,IEEEInternationalConference,,():�吴晓莉Matlab辅助模糊系统设计M西安:西安电子科技大学出版社,�第期崔蕾蕾,等:基于MATLAB的实时模糊控制系统��

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