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模糊控制系统仿真技术研究.rar

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    编号:20180802233204335    类型:共享资源    大小:327.99KB    格式:RAR    上传时间:2018-08-02
      
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    模糊 控制系统 仿真技术 研究
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    毕 业 论 文题 目 模糊控制系统仿真技术研究 院系名称:信息科学与工程学院 专业班级: 电子信息工程四班 学生姓名: 赵合昌 学 号: 20024300402 指导教师: 武林俊 2006 年 5 月 10 日1摘 要自动控制理论经历了经典和现代控制理论两个阶段后,模糊控制作为一种新颖的智能控制方式,它是从人类智能活动的角度和基础上去考虑实施控制的,可以实现对那些难以建立精确数学模型的控制系统进行有效的控制,经过半个多世纪的发展,现在已广泛应用于社会生活的各个领域。本论文的主要工作就是对模糊控制系统的设计及仿真进行研究,本文对模糊控制及仿真技术的概念、特点、发展及应用进行了论述,简述了模糊控制的基本理论。在此基础上,详细介绍了模糊控制系统的系统组成和基本工作原理。同时,阐述了模糊控制器的结构和基本设计方法。进而利用模糊控制实现对房间温度控制的系统设计和MATLAB 仿真。最后,通过仿真结果进而对模糊控制系统进行改进。关键词 模糊控制 隶属函数 模糊控制算法 系统仿真 MATLAB2Title the reasearch of the fuzzy control system’ technique of emulationAbstractAfter Automatic control theory experienced two phases of classic and modern theories,fuzzy control, as a novelty intelligent control way,considers the practice of control from the angle and foundation of human intelligent activities, It can realize the efficient control of some control system which are hard to form the specific mathmatic model,with a development period of more than a half century,it is widely used in various social lives. The thesis' main job namely is to do reasearch in fuzzy control system’ designation and emulation, It also illustrates fuzzy control and techniques of emulation’s notion, point, development and application , giving a brief introduction of fuzzy control’ elementary theories, on the foundation of which it introduces fuzzy control system’s elements and basic working principles in details. Meanwhile, it illustra- tes fuzzy control engine’s construction and its basic designing methods . To be futher, utilizing the fuzzy control to realize the system design of the room temperature control and the emulation of MATLAB. At last, improving fuzzy control system through the medium of emulation with the result. Keyword: fuzzy control subjection function fuzzy control arithmeticSystem simulation MATLABI目 次1 引言………………………………………………………………………………11.1 模糊控制系统的发展史………………………………………………………11.2 国内外研究现状及其发展趋势………………………………………………22 模糊控制系统的基本理论………………………………………………………32.1 模糊控制的概念和特点………………………………………………………32.2 模糊控制的数学基础…………………………………………………………42.3 模糊控制系统的基本原理……………………………………………………63 模糊控制系统的设计……………………………………………………………113.1 模糊控制器的结构分析………………………………………………………123.2 常规模糊控制器的设计………………………………………………………133.3 房间温度控制系统的模糊控制器设计………………………………………154 模糊控制系统的仿真……………………………………………………………174.1 控制系统仿真概述……………………………………………………………174.2 房间温度控制系统的 MATLAB 仿真及性能的改善……………………………18结论 …………………………………………………………………………………25致谢 …………………………………………………………………………………26参考文献 ……………………………………………………………………………27II11 引言自动控制理论至今已有将近一个世纪的发展历史,经历了经典和现代控制理论两个阶段发展后,正促使人们致力于 20 世纪 70 年代开始的智能控制理论研究。它是在人工智能学科基础上,对控制理论研究在深度和广度上的开拓。实现智能控制的主要方法有:模糊控制、专家系统控制、神经网络控制和以上三种控制以及其它控制方法的集成控制。20 世纪 90 年代以后,智能控制的研究势头异常迅猛,智能控制的应用研究领域由工业过程控制扩展到军事、航天等高科技领域和日用家电领域。日前,人工智能控制技术已经广泛地应用在模式识别、系统控制、专家系统、信号处理等方面。1.1 模糊控制理论的发展史以往各种传统控制方法均是建立在被控对象的精确数学模型之上的, 随着科学技术的迅猛发展,各个领域对自动控制系统精度、响应速度、系统稳定性、自适应能力的要求越来越主高,所研究的系统也日益复杂多变。然而,在许多情况下被控对象的精确数学模型很难建立。人们期望探索出一种简便灵活手段和处理方法,并为此进行了种种尝试。结果发现一个复杂的传统控制理论似乎难以实现的控制系统,却可以由一个操作人员凭借丰富的实践经验得到满意的控制结果。例如,任何一个经过训练的人都可以骑车自如地穿过人群,却难以对这中极为复杂的动力学问题使用精确的数学模型进行控制。因为人脑的重要特点之一就是有能力对模糊事物进行识别与判决,看起来似乎不确切的模糊手段常常可以达到精确控制的目的。操作人员是通过不断学习、积累操作经验来实现对被对象进行控制的,这些经验包括对被控对象的特征的了解、在各种情况下相应的控制策略以及性能指标判据。这个例子给我们带来启示,吸收人脑的这种特点,模拟人的思维方法,把自然语言植入计算机内核,使计算机具有活性和智能。模糊逻辑控制就是使计算机具有活性和智能的一种新颖的智能控制方法。美国控制理论专家扎德(L.A.Zadeh)教授于 1965 年首先提出了模糊集合的2概念,开创了模糊数学及其应用的新纪元。1973 年,扎德继续丰富和发展了模糊集合论,提出了一种把逻辑规则的语言转化成相关控制量的思想。从而为模糊控制的形成奠定了理论基础。模糊集合理论的诞生,为处理客观世界中存在的模糊性问题,提供了有力的工具。同时,也适应了自适用科学发展的迫切需要。正是在这种背景下,作为模糊数学的一个重要分支的模糊控制理论便应运而生了。模糊理论在控制领域的运用开始于 1974 年,英国科学家曼丹尼(E.H.Mamdani)首次将模糊数学理论进行蒸汽机和锅炉控制中,开辟了模糊理论运用的新领域。这一开拓性的工作,标志着模糊控制论的诞生。1975 年以后,产生了许多模糊理论运用的例子。其中比较典型的有:热交换过程的控制、暖水工厂的控制、污水处理过程的控制、交通路口的控制、水泥窑的控制、飞船飞行的控制、汽车速度的控制、机器人的控制、电梯控制及家电产品的控制,并且生产出了专用的模糊芯片和模糊计算机。从 1979 年,我国也开展了模糊控制理论及其应用方面的研究工作。1979 年至今,是发展高性能模糊控制的阶段,研究范围从单纯的模糊数学到模糊理论应用,模糊系统及其硬件集成。与知识工程和控制有关的研究有:模糊建模理论、模糊系列、模糊识别、模糊知识库、模糊语言规则、模糊近似推理等。最近几年,对于经典模糊控制系统稳态性能的改善,模糊集成控制、模糊自适应控制、专家模糊控制与多变量模糊控制的研究,特别是针对复杂系统的自学习与参数或规则自调整模糊系统方面的研究,尤其受到各国学者的重视。目前,将神经网络和模糊控制技术相互结合,取长补短,形成一种模糊神经网络技术,由此可以组成一组更接近人脑的智能信息处理系统,其发展前景十分诱人。1.2 国内外研究现状及其发展趋势自 20 世纪 80 年代后期开始,模糊控制进入了实用化阶段,并且其应用技术逐渐趋向成熟,运用面也逐渐扩展,国外以日本、美国等国尤为突出。主要反映在:1)模糊控制应用技术已扩展到大众化机电产品,如以电视摄像机自动聚焦3等家用电器的应用为对象。据日本电气公司(NEC)在 20 世纪末统计,松下、三菱、东芝等公司在空调机、全自动洗衣机、吸尘器等高档电器上普遍应用了模糊控制技术,其普及率超过 50%,有的已高达 80%。2)向复杂大系统、智能系统、人与社会系统以及生态系统等纵深方向拓展。3)在硬件方面进一步研制模糊控制器、模糊推理等专用芯片,并且开发“模糊控制用的通用控制器” 。目前,模糊控制技术日趋成熟和完善,随着其它学科新理论、新技术的建立和发展,使模糊理论的应用越来越广泛。模糊理论结合人工神经网络和遗传基因形成交叉学科神经网络模糊技术和基因模糊技术,用于解决单一技术不能解决的问题。虽然经典模糊控制理论已经在工程上获得了许多成功的应用,但是,目前模糊系统理论还有一些重要的理论课题还没解决,其中两个重要的问题是:如何获得模糊规则及隶属函数问题以及如何保护模糊系统的稳定性。大体来说,在模糊控制理论和应用方面应加强研究的主要课题有:1)模糊控制系统基本理论的研究。如模糊控制系统的稳定性分析、稳定性评价体系,控制器的鲁棒性分析、系统的可控性分析和可观性分析。2)模糊控制在多变量、非线性复杂系统应用中的模糊建模、模糊规则的选取和建立、模糊推理的研究。3)模糊控制规则设计方法的研究,包括模糊集合隶属函数设定方法,量化水平,采样周期的最优选择,规则的系数,最小实现以及规则和隶属函数参数自动生成等问题,以进一步给出模糊控制器的系统化设计方法。4)模糊控制器最优调整理论的确定以及修正推理规则的学习方式和推理算法等。5)自学习模糊控制策略和智能化系统结构的研究及其实现。6)进一步研究模糊控制集成的新算法,进行软计算理论和相关技术研究,探索它们在多变量、非线性复杂系统中的应用途径和模糊控制器设计方法。7)进行“人类友好系统”研究和开发。8)模糊动态模型的辨识方法。49)神经网络和模糊控制相结合,有望发展一套新的智能控制理论。2 模糊控制系统的基本理论2.1 模糊控制的概念和特点2.1.1 什么是模糊控制模糊控制是建立在人工经验基础上的。对于一个熟练的操作人员,他并非需要了解被控对象精确的数学模型,而是凭借其丰富的实际经验,采取适当的对策来巧妙地控制一个复杂过程。若能把这些熟练操作员的实际经验加以总结和描述,并用语言表达出来,它就是一种定性的、不精确的控制规则。如果用模糊数学将其定量化就转化为模糊控制算法,从而形成了模糊控制理论。模糊控制就是用语言变量代替数学变量或两者结合应用;用模糊条件语句来刻画变量间的函数关系;用模糊算法来刻画复杂关系,是具有模拟人类学习和自适应能力的控制系统。2.1.2 模糊控制特点1)无需知道被控对象的数学模型。模糊控制是以人对被控系统的控制经验为依据而设计的控制器,故无需知道被控系统的数学模型。2)模糊控制系统中的控制逻辑更加接近人类思维。在很多工业控制中,熟练工人对系统控制的经验可直接用于控制器中。3)鲁棒性好。民航控制系统无论被控对象是线性的还是非线性的,都能执行有效的控制,具有良好的鲁棒性和适应性。4)模糊控制系统中直接采用人类语言控制规则,使得控制机理策略易于理解和接受,这些规则是以人类语言表示的,如“衣服较脏,投入洗涤剂较多,洗涤时间较长” ,很明显这些规则易被一般人所接受和理解。5)设计简单,便于维护和推广。用单片机等来构造模糊控制系统,其结构与一般的数字控制系统无异,模糊控制算法用软件实现。6)常规控制方法中干扰或参数的变动可能会引起整个系统工作不正常,在模糊控制中由于采用可模糊集概念和模糊联接,干扰和参数的变化对控制效果5影响非常小。2.2 模糊控制的数学基础1.基本运算定义 1 设 A,B 为 X 中的两个模糊集,隶属函数分别为 和 ,则模糊ABA 和 B 的并集 AYB,交集 AIB 和补集 , 的运算可通过它们的隶属函来定义。AB并集 (x) = (x) (x) = max{ (x), (x)}AYBABAB交集 (x) = (x) (x) = min{ (x), (x)}I 补集 (x)=1- , (x)=1- AABB2.关系运算定义 2 直积(笛卡尔乘积)若 , , , 。分别为论域 ,1A2n1U, , 。中的模集合,则这些集合的直积是乘积空间 × × × 中2Un 1U2n的一个模糊集合,其属函数为: ( , , , )=min{ ( ), , ( )}= ( ) ( ) (nA11u2n1AuAnu1A2uAn)定义 3 模糊关系 若 U、V 是两个非空的模糊集合,则其直积 U×V 中的一个模糊子集 R 称为从 U 到 V 的模糊关系,可表示为:={(u ,v), (u ,v)|u∈U, v∈V}RR定义 4 模糊关系的合成 若 R 是 X×Y 中的模糊关系, S 是 Y×Z 中的模糊关系,则 R 和 S 的合成 RoS 是一个从 X 到 Z 的模糊关系 Q,记作 Q=RoS,或(x,y)= { (x,y) (x,y)}oRS这里 代表取小(min) , 代表取大(max ),上式定义的合成又称为 max- min合成 。定义 5 模糊算法 如果模糊变量 A 的值 , , …… An 均为 U 的模糊集12
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