基于MATLAB的控制器仿真

[摘 要]MATLAB是国际上最优秀的科技应用软件之一,它集数值分析、矩阵运算、信号处理和图形显示于一体,构成了一个方便的、界面友好的用户环境,其强大的科学计算与可视化功能,简单易用的开放式可扩展环境,使得MATLAB成为控制领域进行计算机辅助分析与设计的一种非常好的工具和首选平台.本文对模糊控制器的工作原理做了简要介绍,结合典型的二阶系统.设计了一个模糊控制器,用MATLAB对所设计的控制器进行了仿真.

[关 键 词]模糊控制器MATLAB仿真

MATLAB是集数值计算、符号运算及图形处理等强大功能于一体的科学计算语言.作为强大的科学计算平台,它几乎能够满足所有的计算需求.MATLAB对许多专门的领域都开发了功能强大的模块集或工具箱.一般来说,它们都是由特定领域的专家开发的,用户可以直接是用工具箱学习、应用和评估不同的方法而不需要自己编写代码.目前,MATLAB已经把工具箱延伸到了科学研究和工程应用的诸多领域,诸如数据采集、数据库接口、概率统计、样条拟合、控制系统设计、LMI控制、鲁棒控制等.由于MATLAB语言在各方面的强大功能,目前它已作为工程和科学教育界的一种行业标准.

一、基于MATLAB的模糊控制器的设计

采用MATLAB的模糊逻辑工具箱的GUI(GraphUserInterface)工具设计模糊控制器.具体操作：进入MATLAB编辑环境后,键入fuzzy即可进入FIS编辑器.在FIS编辑器中设置模糊控制器的模糊算子(max,min等)、输入输出变量个数、名称、解模糊化的方法(加权平均法、中位数法、最大隶属度法等).模糊控制器的整体结构确定后,双击FIS编辑器中的输入、输出变量方框,便进入隶属函数界面,在这里定义输入、输出变量的论域(根据实际要求确定),各变量模糊子集的个数,隶属函数的类型.其中,模糊子集的个数,要从实际出发,不要盲目追求数量,以缩短调试的优化时间.三角形隶属函数性能较好,计算量小,较多采用.

下面应定义模糊控制规则,这是模糊系统的核心,集中体现了人的操作经验.选择FIS编辑器或隶属函数编辑器中View菜单下的EditRule子菜单,或双击FIS编辑器中流程图中的规则方框即可进入模糊规则编辑器主界面.以常用的二维模糊控制器为例,用户可按照规定的书写格式编写模糊规则.见图1.必须注意,在语言变量级数相同的情况下,规则的质量对控制品质起着关键作用.在许多情况下,虽然规则条数不多,但其质量较高,也可达到相当好的控制效果.

至此,一个模糊控制器已设计完毕.可以选择FIS编辑器窗体主菜单中的Viewsurface查看经模糊矩阵运算并解模糊化后的三维坐标图,选择主菜单中的viewrules还可以对所设计的模糊控制系统进行仿真检验.用户可将设计好的模糊控制器模型存盘,文件后缀为.fis.

二、基于MATLAB的模糊控制器的仿真

使用SIMULINK建立模糊控制器仿真模型.SIMULINK是MATLAB基于模型化图形组态的控制系统仿真软件,它使得一个复杂控制系统的数学仿真问题变得十分直观而且相当容易,图2是某型位置控制系统PID模糊控制器的SIMULINK仿真模型.

该模型通过三个模糊逻辑控制功能模块调用上述FIS编辑器建立的控制规则进行运算仿真,输入的量化因子及输出的比例因子由各功能模块前后的放大模块仿真,这样的模型,为凑试参数提供了方便.

在MATLAB命令窗口键入SIMULINK,即进入了SIMULINK环境.此时,系统提供给用户两个主界面:SIMULINK结构图编辑界面和模块库.用户拷贝模块库中的模块到结构图编辑器中,再将它们适当连接便构成自己的控制系统结构图,然后即可用SIMULINK进行仿真,并可通过示波器模块(Scope)观察仿真曲线.

图2中的FLC(FuzzyLogicController)就是前面所设计的模糊控制器,此模块可从模糊逻辑工具箱(FuzzyLogicToolbox)的模块库中“抓取”(即用鼠标右键拖动).注意,仿真开始前必须将模糊控制器的．fis文件用“Setoworkspace”子菜单存入内存缓冲区,然后将该文件名赋予FLC.这样,设计好的模糊控制器以矩阵变量形式存入内存,供SIMULINK调用,以参与仿真.

从仿真结果看,模糊控制器不仅对被控对象参数变化适应能力强,而且在对象模型结构发生较大改变的情况下,也能获得较好的控制效果.

三、结论

从实践中体会到,利用MATLAB设计模糊控制器并进行仿真,简单快速,直观高效.MATLAB的功能强大,其工具箱已涵盖控制系统、信号处理、神经网络、小波分析、模糊系统、通信系统等各个领域,值得进一步推广应用.利用MATLAB中的模糊控制逻辑工具箱设计模糊控制器灵活、方便、可视性强,并可在SIMULINK环境中非常直观地构建各种复杂的模糊PID控制系统,观察其控制效果.这样就克服了工程实践中的盲目性,为实际控制系统的设计与调试提供了理论参考依据.