【文章內(nèi)容簡介】 出的快捷菜單中單擊 Open the ?Simulink? Libray 命令，將打開 Simulink 基本模塊庫窗口。單擊其中的子模塊庫圖標(biāo)，打開子模塊庫，找到仿真所需要的基本模塊。 (2) 主要模塊介紹 Simulink 模塊庫按功能分為以下 8 類子庫： Continuous （連續(xù)模塊） Discrete （離散模塊） Functionamp。Tables （函數(shù)和平臺模塊） Math （數(shù)學(xué)模塊） 7 Nonlinear （非線性模塊） Signalsamp。Systems （信號和系統(tǒng)模塊） Sinks （接收器模塊） Sources （輸入源模塊） 1) 連續(xù)模塊（ Continuous） Integrator：輸入信 號積分 Derivative：輸入信號微分 StateSpace：線性狀態(tài)空間系統(tǒng)模型 TransferF：線性傳遞函數(shù)模型 ZeroPole：以零極點表示的傳遞函數(shù)模型 Memory：存儲上一時刻的狀態(tài)值 Transport Delay：輸入信號延時一個固定時間再輸出 Variable Transport Delay：輸入信號延時一個可變時間再輸出 2) 離散模塊（ Discrete） Discretetime Integrator：離散時間積分器 Discrete Filter： IIR 與 FIR 濾波器 Discrete StateSpace：離散狀態(tài)空間系統(tǒng)模型 Discrete TransferF：離散傳遞函數(shù)模型 Discrete ZeroPole：以零極點表示的離散傳遞函數(shù)模型 FirstOrder Hold：一階采樣和保持器 ZeroOrder Hold：零階采樣和保持器 Unit Delay：一個采樣周期的延時 3) Function amp。Tables F：用自定義的函數(shù)（表達(dá)式）進(jìn)行運(yùn)算 MATLAB F：利用 matlab 的現(xiàn)有函數(shù)進(jìn)行運(yùn)算 SFunction：調(diào)用自編的 S 函數(shù)的程序進(jìn)行運(yùn)算 LookUp Table：建立輸入信號的查詢表（線性峰值匹配） LookUp Table(2D)：建立兩個輸入信號的查詢表（線性峰值匹配） 4) Math(數(shù)學(xué)模塊 ) Sum：加減運(yùn)算 8 Product：乘運(yùn)算 Dot Product：點乘運(yùn)算 Gain：比例運(yùn)算 Math Function：包括指數(shù)函數(shù)、對數(shù)函數(shù)、求平方、開根號等常用數(shù)學(xué)函數(shù) Trigonometric Function：三角函數(shù)，包括正弦、余弦、正切等 MinMax：最值運(yùn)算 Abs：取絕對值 Sign：符號函數(shù) 5) Nonlinear(非線性模塊 ) Saturation：飽和輸出，讓輸出超過某一值時能夠飽和。 Relay：滯環(huán)比較器，限制輸出值在某一范圍內(nèi)變化。 Switch：開關(guān)選擇，當(dāng)?shù)诙€輸入端大于臨界值時，輸出由第一個輸入端而來，否則輸出由第三個輸入端而來。 Manual Switch：手動選擇開關(guān) 6) Signalamp。Systems（信號和系統(tǒng)模塊） In1：輸入端。 Out1：輸出端。 Mux：將多個單一輸入轉(zhuǎn)化為一個復(fù)合輸出。 Demux：將一個復(fù)合輸入轉(zhuǎn)化為多個單一輸出。 Ground：連接到?jīng)]有連接到的輸入端。 Terminator：連接到?jīng)]有連接到的輸出端。 SubSystem：建立新的封裝（ Mask）功能模塊 7) Sinks（接收器模塊） Scope：示波器。 XY Graph：顯示二維圖形。 To Workspace：將輸出寫入 MATLAB 的工作空間。 To File(.mat)：將輸出寫入數(shù)據(jù)文件。 8) Sources（輸入源模塊） Constant：常數(shù)信號。 Clock：時鐘信號。 9 From Workspace：來自 MATLAB 的工作空間。 From File(.mat)：來自數(shù)據(jù)文件。 Pulse Generator：脈沖發(fā)生器。 Repeating Sequence：重復(fù)信號。 Signal Generator：信號發(fā)生器，可以產(chǎn)生正弦、方波、鋸齒波及隨意波。 Sine Wave：正弦波信號。 Step：階躍波信號。 9) Simulink 模型的特點 在 SIMULINK 里提供了許多如 Scope 的接收器模塊，這使得用 SIMULNK 進(jìn)行仿真具有像做實驗一般的圖形化顯示效果。 SIMULINK 的模型具有層次性，通過底層子系統(tǒng)可以構(gòu)建上層母系統(tǒng)。 SIMULINK 提供了對子系統(tǒng)進(jìn)行封裝的功能，用戶可以自定義子系統(tǒng)的圖標(biāo)和設(shè)置參數(shù)對話框。 10 2 模糊控制 模 在工控制過程中經(jīng)常會碰到大滯后、時變、非線性的復(fù)雜系統(tǒng) 。 其中，有的參數(shù)未知或緩慢化；有的存在滯后和隨機(jī)干擾；有的無法獲得精確的數(shù)學(xué)模型。模糊控制器是一種近年來發(fā)展起來的新型控制器，其優(yōu)點是不要求掌握受控對象的精確數(shù)學(xué)模型，而根據(jù)人工控制規(guī)則組織控制決策表，然后由該表決定控制量的大小。將模糊控制和PID 控制兩者結(jié)合起來，揚(yáng)長避短，既具有模糊控靈活而適應(yīng)性強(qiáng)的優(yōu)點，又具有 PID控制 精度高的特點。這種 FuzzyPID 復(fù)合型控制器，對復(fù)雜控制系統(tǒng)和高精度伺服系統(tǒng)具有良好的控制效果。 模糊控制 的 基本原理 模糊控制系統(tǒng)與一般的計算機(jī)控制系統(tǒng)具有相似的結(jié)構(gòu)，其框圖如圖 所示。系統(tǒng)的核心是一個用模糊知識表示，能完成模糊推理與模糊控制功能的模糊控制器。 圖 模糊控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖 模糊控制規(guī)律由計算機(jī)程序?qū)崿F(xiàn)，計算機(jī)的采樣值為被控量的精確值，將它與給定值比較便可得到偏差信號，此偏差經(jīng) A/D 轉(zhuǎn)換后作為模擬控制器的輸入，控制器首先對偏差值進(jìn)行模糊處理，并用響應(yīng)的模糊 語言值 (實際上是一個模糊向量 )表示。根據(jù)模糊控制規(guī)則經(jīng)推理合成進(jìn)行模糊決策，便可得到模糊控制向量。控制向量經(jīng)非模糊化 (即清晰 )化處理轉(zhuǎn)換成精確量，由 D/A 輸出實現(xiàn)對系統(tǒng)的精確控制。 模糊控制器 的設(shè)計 結(jié)構(gòu)設(shè)計 結(jié)構(gòu)設(shè)計是指合理地確定控制器的輸入和輸出變量。結(jié)構(gòu)設(shè)計直接影響控制器的性 11 能。 從輸入信號 “個數(shù) ”上，模糊控制器可以分為單變量控制器和多變量控制器兩種。目前應(yīng)用最多的是單變量模糊控制器。 單變量模糊控制器從輸入信號 “維數(shù) ”上可分為以下三種： (1) 一維控制器：輸入為被控量 與給定值的偏差 E，其動態(tài)性能比較差，一般只適用于一階被控對象。 (2) 二維控制器：輸入為偏差 E 及其變化量 EC，控制器有較好的動態(tài)響應(yīng)，應(yīng)用廣泛。 (3) 三維控制器：輸入為偏差 E、偏差變化 EC、及偏差變化的改變量 ECC。 圖 為單變量模糊控制器結(jié)構(gòu)示意圖。從理論上講控制器的維數(shù)越高，系統(tǒng)控制精度也越高，但系統(tǒng)越復(fù)雜，控制算法也越難于實現(xiàn)，所以目前應(yīng)用最多的仍是二維控制器，本課題所用到的就是二維控制器。 圖 單變量模糊控制器結(jié)構(gòu) 模糊控制器輸出多采用控制量的增量形式。有時為獲得理想的上升 特性及改善動態(tài)品質(zhì)，也可在偏差大時采用控制量的絕對量輸出，而當(dāng)偏差為中小時再采用其增量形式。 論域及量化因子確定 所謂論域即是被考慮客體所有元素的集合。對于模糊控制器，其輸入輸出信號的變化范圍即為控制器的基本論域。 對于二維模糊控制器，設(shè)誤差基本論域為 [xe xe],誤差變化的基本論域為 [xc xc],輸出基本論域為 [yu yu] 。取誤差、誤差變化及輸出模糊子集的論域分別為 },1,1,0,1,1,{ nnnnE ?????? ?? },1,1,0,1,1,{ mmmmEC ?????? ?? },1,1,0,1,1,{ llllU ?????? ?? () 論域的量化等級 n 、 m 、 l 取得越大，控制精度越高，但計算量也越大。一般取 n ，m ≥6， l ≥7。 當(dāng)控制 器基本論域和模糊論域確定之后，由基本論域 (精確的模擬量 )到模糊論域的 12 轉(zhuǎn)換關(guān)系就確定了。通常稱 xaeen? xa cc m? lya uu? () 分別為誤差、誤差變化、及輸出的比例因子。 由于連續(xù)量到離散量之間不是一一對應(yīng)的，因此對于控制器輸入論域的所有精確值式 ()并不是恒定關(guān)系。但對于輸出量，式 ()是由模糊論域到基本論域的轉(zhuǎn)換，因此對于所有值都是成立的。 合理地確定比例因子對于模糊控制器的性能有較大的影響。一般地， ae 過大會使系統(tǒng)超調(diào)增加、過渡時間加長，這是因為過分加強(qiáng)了誤差變量在控制中的作用。而 ac 過小會使系統(tǒng)響應(yīng)緩慢、穩(wěn)態(tài)精度下降； ac 大一些可以增加誤差變化率的控制作用、有助于 減小超調(diào)，但卻可能使響應(yīng)時間加大。改變 au 可以改變控制器總的增益，影響輸出信號幅度。 au 過小，使系統(tǒng)響應(yīng)緩慢，過大則容易引起超調(diào)，甚至?xí)a(chǎn)生振蕩。 ae 、ac 、 au 合理組合，才 能使系統(tǒng)獲得滿意的響應(yīng)特性。一般 ae 、 ac c 多采用離線設(shè)定，而 au 則先離線確定一個初值，然后經(jīng)在線調(diào)試確定，以保證達(dá)到系統(tǒng)的指標(biāo)要求。 控制規(guī)則設(shè)計 規(guī)則設(shè)計是模糊控制器設(shè)計的關(guān)鍵。設(shè)計內(nèi)容主要包括：確定語言變量詞集、確定語言值的隸屬函數(shù)，以及建立控制規(guī)則表等。 1 確定語言變量詞集 描述輸入輸出變量狀態(tài)的詞匯的集合即為變量的詞集。 在確定模糊預(yù)言變量時，應(yīng)首先確定基 本語言值，如 “大 ”、 “中 ”、 “小 ”、 “高 ”、 “中 ”、“”低 ”等。通常為三元值。考慮到變化的正、負(fù)、以及零（平衡狀態(tài)），一般為七個詞匯：{負(fù)大，負(fù)中，負(fù)小，零，正小，正中，正大 }，或 {NB,NM,NS,ZO,PS,PM,PB}。所選詞匯越多，對變量描述越準(zhǔn)確、控制效果越好，但控制規(guī)則變得復(fù)雜。詞匯選得少，變量描述粗糙，控制效果變差。 在偏差控制中，常將 “零 ”化分為 “正零 ”和 “負(fù)零 ” （即 “PO” 和 “NO”） 。此時詞集為{NB,NM,NS,NO,PO,PS,PM,PB}。 13 2 確定語言值隸屬函數(shù) 描述 輸入輸出變量狀態(tài)的每個語言值都具有模糊特性，它實際上是一個模糊子集。語言值對于模糊模糊論域的隸屬關(guān)系可以用隸屬函數(shù)描述。 隸屬函數(shù)是模糊集合的特征函數(shù)，它是對模糊概念的定量描述。根據(jù)扎德給出的定義：設(shè)給定論域 E， E 區(qū)間 [0,1]上的任一映射 ?A。 ]1,0[: ?EA? )(eeA?? () 它確定了 E 的一個 模糊子集~A， )(eA?稱為元素 e 對~A的隸屬度。它的大小反映了 e 對~A的隸屬程度。其值越接近 1，隸屬程度越高；越接近 0，隸屬程度越低 。 隸屬函數(shù)常以曲線形式給出。如圖 所示為論域 X 中的元素 x 對于模糊變量~A i的隸屬函數(shù)曲線。設(shè)論域 X={6， 5， 4， 3， 2， 1， 0， 1， 2， 3， 4， 5， 6}， 由曲線有 ?A (2) =?A (6) =， ?A (3) =?A (5) =， ?A (4) =1， 而 ?A（ 6） ~?A（ 1） =0。于是模糊子集可表示為 ),41,(?Ai (分母為元素，隸屬度為零的項省略不寫 )。 14 圖 x對模糊變量