【正文】 Simulink仿真的啟動(dòng)與停止 用鼠標(biāo)選擇主菜單的 Simulantion 選項(xiàng)出現(xiàn)下拉子菜單，選中 Start 仿真即開始，仿真啟動(dòng)后，該菜單項(xiàng)即變?yōu)?Stop 用于啟動(dòng)后的 停止 選擇。 具體操作為 ： Simulink 的仿真過程 創(chuàng)建結(jié)構(gòu)圖文件 在 Simulink 界面上打開 File 菜單，選擇 New，打開一個(gè)名為 Untitled 的結(jié)構(gòu)圖程序文件窗口。 Simulink 的功能模塊組 左邊的窗口列出了 Simulink 的功能模塊組， 例如： Commonly Used Blocks 常用單 元 模塊組 Continuous 連續(xù)單 元 模塊組 Discrete 離散單 元 模塊組 Linear 線性單 元 模塊組 Nonlinear 非線性單 元 模塊組 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 34 Sources 輸入信號模塊組 Sinks 輸出顯示模塊組 用鼠標(biāo)單擊某模塊組的圖標(biāo)，即選中該模塊。 [14] Simulink 的啟動(dòng)與界面說明 啟動(dòng) Simulink 在 Matlab 命令平臺上鍵入命令 : Simulink 就能進(jìn)入 Simulink 仿真環(huán)境的子窗口。 Simulink 模型可以用來模擬線性或非線性、連續(xù)或離散或者兩者混合系統(tǒng) ,也就是說它可以用來模擬幾乎所有可遇到的動(dòng)態(tài)系統(tǒng)。 Simulink 作為 MATLAB 的一個(gè)附加組件，用來提 供一個(gè)系統(tǒng)極的建模與動(dòng)態(tài)仿真工作平臺。最近幾年，后來崛起的基于模糊 PID 控制 的 直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng) 33 Simulink 已成為學(xué)術(shù)領(lǐng)域及工業(yè)領(lǐng)域在構(gòu)建、仿真與分析動(dòng)態(tài)系統(tǒng)上使用最為廣泛的軟件包，它支持線性及非線性系統(tǒng)，能創(chuàng)建連續(xù)時(shí)間、離散時(shí)間或者兩者混合的系統(tǒng)模型。從名字上看，立即就能看出該程序有兩層含義，首先， Simu39。它將不同數(shù)學(xué)分支的算法以函數(shù)的形式分類成庫，使用時(shí)直接調(diào)用這些函數(shù)并賦予實(shí)際參數(shù)就可以解決問題，快速而且準(zhǔn)確。目前，采用數(shù)字計(jì)算機(jī)的數(shù)學(xué)仿真獲得了普遍的應(yīng)用。數(shù)學(xué)模型是仿真的基礎(chǔ)，只有建立正確的數(shù)學(xué)模型和數(shù)據(jù)，才能得到正確的仿真結(jié)果，仿真才有意義。 [14][26][28] PI 控 制器的參數(shù)由工程設(shè)計(jì)方法確定， 由圖得模糊 PID 控制器輸出 ui*為 ： ui* = ui + uf (35) ui = Ki?i ie (36) uf = f(e,ec) (37) 第 4 章 系統(tǒng)仿真 Matlab/Simulink 簡介 計(jì) 算機(jī)是一種解算工具。 對所求的輸出量模糊集合進(jìn)行清晰化計(jì)算得 Uf =df(U)= )4()()6(1 ?? ??????? = ? 按同樣的步驟，可以計(jì)算出當(dāng) E、 EC 為其他組合時(shí)的輸出量 見表 33。 R1B =? ? ? C1?= C?1A? C?1B=? ? ? 后面依次計(jì)算求出 C2?， C3?， ? C49?，最終求得輸出量 U（用模糊集合 C?表示） C180。 R1A =? ? ? R1B=B1?C1=????????????????????001??? ? ?=????????????????????0000000000??????????? C?1B=B? 對于表32 第一行第一列的規(guī)則 ， 若 E=NB and EC=NB ThenU=NB 則 可得 ANB= ? ? ?， BNB= ? ? ?，CNB=? ? ? R1A=A1?C1=????????????????????001??? ? ?=????????????????????0000000000??????????? C?1A=A?R （ 34） 由式 (34)可以計(jì)算出不同誤差和誤差變化率值時(shí)輸出量所對應(yīng)的模糊向量。那么由式 (34)得出的推理結(jié)果是輸出量 U在論域 U*上的模糊矢量，其元素是 U的某個(gè)模糊集合的隸 屬 度 。若在 t 時(shí)刻 E 在論域 E*上對應(yīng)的單點(diǎn)模糊控制矢畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 30 量為 E39。 表 32 模糊控制規(guī)則表（ U） 設(shè)計(jì)模糊推理關(guān)系 由模糊數(shù)學(xué)知識可知，雙輸入、單輸出控制系統(tǒng)的模糊關(guān)系為 : Ri=AiBiCi （ 32） R=?ni iR1?= ? ??ni iii CBA1? ?? （ 33） 由上述表 3２ 所得的 49條控制規(guī)則，可以得出 49個(gè) 16913矩陣，由式 (33)求并集，得出模糊關(guān)系矩陣 R。 設(shè)雙輸入、單輸出系統(tǒng)的控制規(guī)則可表述為 : 基于模糊 PID 控制 的 直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng) 29 IF A and B Then C 如： IF E=NB and EC=NB Then U=NB 根據(jù) 模糊控制規(guī)則表的基本思想，結(jié)合模糊控制 結(jié)構(gòu)決定的兩個(gè)輸入 量 E、EC 和一個(gè)輸出量 U，對人們 調(diào)試直流電機(jī)過程中大量 的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)去偽存真、去粗存精，從中積累總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，形成電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的模糊控制規(guī)則。相應(yīng)的論域 {6，5， 4， 3， 2， 1， 0， 1， 2， 3， 4， 5， 6}，其 隸屬函數(shù)表 都 如表 31。離散后相應(yīng)的論域 E*={6， 5， 4， 3， 2， 1， 0， 1， 2， 3， 4， 5， 6}。 輸入量為直流電機(jī)給定電壓與反饋電壓的偏差 E 以及偏差的變化率 EC， 用 E 的導(dǎo)數(shù)來表示輸出取為控制量 U。 根據(jù)經(jīng) 典的直流電動(dòng)機(jī)雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的結(jié)構(gòu) ,考慮到外環(huán)轉(zhuǎn)速環(huán)是決定控制系統(tǒng)的根本因素 ,而內(nèi)環(huán)電流環(huán)主要起改變電機(jī)的運(yùn)行特性以利于外環(huán)控制的作用 ,故現(xiàn)將轉(zhuǎn)速環(huán)用模糊控制器來代替 ,內(nèi)環(huán)仍采用傳統(tǒng)的 PI 控制 器 。本系統(tǒng)采用的 便 是二維模糊控制器。但是維數(shù)越高，模糊控制 規(guī)則變得過于復(fù)雜，控制算法的實(shí)現(xiàn)相當(dāng)困難。 目 前被廣泛采用的為二維模糊控制器，這種控制器以誤差和誤差變化為輸入變量，以控制的變化為輸出變量。除此之外，還有許多形式的混合型模糊 PID 控制器，這里就不在一一 介紹。然而，何時(shí)并如何實(shí)現(xiàn)無切換將是應(yīng)用中的附加問題。一些學(xué)者提出了應(yīng)用模糊控制進(jìn)行初始的快速響應(yīng)調(diào)整，之后采用傳統(tǒng)線性 PID 控制器進(jìn)行細(xì)節(jié)調(diào)整。 圖 33 模糊 PID 控制器的結(jié)構(gòu)單元 混合型模糊 PID 控制器 混合型模糊 PID 控制器 可以有各種形式出現(xiàn)。由于各單元 在控制作用上的不完全等效， 可以認(rèn) 為每個(gè)單元 是獨(dú)立的。 直接控制量型模糊 PID 控制器 如果模糊推理機(jī)的輸出是 PID 原理范圍內(nèi)作用量，則該控制器屬于 直 接控制量型。近幾年對這種類型模糊 PID 控制器的研究和應(yīng)用較多。規(guī)則形式 ： If(e is? )and(?e is? )then(?KP 或 KP is? )and(?KI 或 KI is? )and(?KD或 KD is? ) 該類控制器的 PID 增益參數(shù)是誤差 e 和誤差變化 ?e 的非線性函數(shù)。由 于這些性能指標(biāo)需要一個(gè)完整控制過程得到，該類控制器 可 以用于自整定或自適應(yīng)方式對增益進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整。 增益調(diào)整型模糊 PID 控制器 該類控制器中輸出的物理量直 接對應(yīng)增益參數(shù)，通過應(yīng)用模糊規(guī)則在線對三個(gè)增益參數(shù)調(diào)整。采用模糊自適應(yīng) PID 設(shè)計(jì)方法，根據(jù)人們要求的電壓曲線，由 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控，根據(jù)模糊推理判斷，實(shí)現(xiàn)對任何一種模型參數(shù)的系統(tǒng)都能自動(dòng)調(diào)節(jié)其 PID 參數(shù)，使系統(tǒng)的實(shí)際 電壓 與要求的 電壓 曲線趨于一致，實(shí)現(xiàn)快速響應(yīng)特性與超調(diào)量小的統(tǒng)一。當(dāng) 電壓 較小時(shí)采用 PID 控制，使其靜態(tài)性能好，滿足系統(tǒng)精度要求。主要的問題是合理地獲得 PID參數(shù)的模糊校正規(guī)則，其實(shí)質(zhì)是一種以模糊規(guī)則調(diào)節(jié) PID 參數(shù)的自適應(yīng)控制，即在一般 PID 控制系統(tǒng)基礎(chǔ)上，加上一個(gè)模糊控制規(guī)則環(huán)節(jié)。但 PID 本質(zhì)是線性控制，而模糊控制具有智能性，屬于非線性領(lǐng)域，因此，將模糊控制與PID 結(jié)合將具備兩者的優(yōu)點(diǎn)。然而，模糊控制的局限性在于模糊規(guī)則庫的建立缺乏完整性，沒有明確的控制結(jié)構(gòu)，存在較大穩(wěn)態(tài)誤差等。 模糊模型使用模糊語言和規(guī)則描述一個(gè)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性及性能指標(biāo)。而模糊控制使用自然語言方法，控制方法易于掌握，不需要精確的被控對象的數(shù)學(xué)模型 ； (4)PID 控制不具有自適應(yīng)控 制能力，對于時(shí)變、非線性系統(tǒng)控制效果不佳，當(dāng)系統(tǒng)參數(shù)發(fā)生變化時(shí)，控制性能會產(chǎn)生較大的變化，控制特性可能變壞，嚴(yán)重時(shí)可能導(dǎo)致系統(tǒng)的不穩(wěn)定 。綜合 PID 控制和模糊控制 可以 知道 ： (1)PID 控制和模糊控制都是適應(yīng)性強(qiáng)的控制方法，可以適應(yīng)大多數(shù)被控對象的控制 ； (2)PID 控制穩(wěn)態(tài)性能好，但動(dòng)態(tài)特性不太理想 。因此，在實(shí)際工業(yè)過程控制中，大量采用的仍然是 PID 控制，為了提高 PID 控制的性能，采用了大量現(xiàn)代控制技術(shù)，模糊PID 控制就是其中卓有成效的一種方法?，F(xiàn)代 PID 參數(shù)的整定朝自整定方向發(fā)展，常見的方法有 : (1)專家 PID 控制 ； (2)模糊 PID 控制 ； (3)神經(jīng) PID 控制 ； 在實(shí)際工業(yè)過程控制中，被控對象會受到來自各種渠道的干擾和影響，這些干擾和影響可能導(dǎo)致過程特性的變化，甚至結(jié)構(gòu)的變化，這 往往要求系統(tǒng)能根據(jù)運(yùn)行狀態(tài)自動(dòng)進(jìn)行調(diào)整，使系統(tǒng)始終運(yùn)行在一個(gè)較好的工作狀態(tài) 。這是因?yàn)樵诖罅康哪：刂浦?，不但要考慮給定值和實(shí)際值所形成的誤差，同時(shí)還要考慮誤差的變化率。 對于這樣一個(gè)系統(tǒng)，當(dāng)輸入 A 和 B 同時(shí)滿足時(shí)，則輸出 C，這種蘊(yùn)涵關(guān)系畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 24 為 (A∧ B)→ C。 對于這樣一個(gè)系統(tǒng)，當(dāng)有輸入 A 時(shí)，則輸出 B，如果輸入為 Ac 時(shí)，則有輸出為 C，蘊(yùn)涵關(guān)系為 (A→ B)?(AC→ C)。 對于這樣一個(gè)系統(tǒng)，當(dāng)有輸入 A 時(shí)，則輸 出 B，它的蘊(yùn)涵關(guān)系為 A→ B。 Mamdani 推理法是一種在模糊控制中普遍使用的方法，它實(shí)質(zhì)上是一種 CRI 法。模糊推理是一種近似的推理，應(yīng)用模糊集合理論，可以對近似推理進(jìn)行定量的討論，這樣可以得到較精確的結(jié)論和明確的結(jié)果。在客觀現(xiàn) 實(shí)中，很多問題是具有模糊性的，傳統(tǒng)的形式邏輯和近代的數(shù)理邏輯都無法解決這類問題。 模糊推理句的形式為 :“ IF a THEN b” 。 模糊陳述句是相對于具有清晰概念的一般陳述句而言。 模糊語句 含有模糊概念的，按給定的語法規(guī)則所構(gòu)成的語句稱為模糊語句。 模糊命題 模糊命題是清晰命題的推廣，它的真值在 [0,1]閉 區(qū) 間中取值，相當(dāng)于隸屬度函數(shù)值。 推理決策邏輯 推理決策是模糊控制的核心，它利用知識庫的信息模擬人類的推理決策過程，給出合適的控制量。 在模糊控制中，被控對象的模型是運(yùn)用多個(gè)控制規(guī)則來描述的。 基于模糊 模型的控制 :通過建立被控對象的模糊模型來實(shí)現(xiàn)。 模糊控制規(guī)則的建立 目 前模糊控制規(guī)則的建立大致有四種方法 : 專家經(jīng)驗(yàn)法 :通過對專家控制經(jīng)驗(yàn)的咨詢形成控制規(guī)則庫。一 維模糊控制器的動(dòng)態(tài)性能不佳，二維模糊控制器的控制性能比較好，是目 前廣泛采用的一種形式。人對誤差最敏感，其次是誤差的變化，再次是誤差變化的速率。 模糊控制器的輸入、輸出變量 模糊控制器是模 仿人的一種控制。 模糊控制規(guī)則庫 模糊控制系統(tǒng)是用一系列基于專家知識的語言來描述的，用一系列模糊條件畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 22 描述的模糊控制規(guī)則就構(gòu)成了模糊控制規(guī)則庫。 隸屬度是描述某個(gè)確定量隸屬于某個(gè)模糊語言變量的程度，隸屬度函數(shù)的確定方法有模糊統(tǒng)計(jì)法、相對比較法和專家經(jīng) 驗(yàn)法等。 比較常使用的模糊化方法是將基本論域分為 n 檔，即取變量的模糊子集論域?yàn)?： {n， n+1， ?， 0， ?， n1， n} 從基本論域 [a,b]到模糊子集論域 [n,+n]轉(zhuǎn)換公式為 : y=2n/(ba)[x(a+b) /2] （ 31） 一般選擇模糊論域中所含 元 素為模糊詞集總數(shù)的二 倍 以上，確保模糊集能較好的覆蓋論域，避免出現(xiàn)失控現(xiàn)象。記誤差 E 的基本論域?yàn)閇xe,xe]，誤差變化 EC 的基本論域?yàn)?[xec,xec]， 模糊控制器的輸出變量 (系統(tǒng)的控制量 )的基本論域?yàn)?[ye,ye]， 模糊控制器中的輸入和輸出都是精確量，但控制算法需要模糊量。 描述輸入 和輸出變量的詞集 在模糊控制中，輸入輸出變量大小是以語言的形式描述的。它不僅能成功地實(shí)現(xiàn)控制，而且還能模仿人的思維方法，對一些無法構(gòu)造數(shù)學(xué)模型的被控過程進(jìn)行有效控制。 應(yīng)著重指出，所謂模糊控制，既不是指被控對象是模糊的，也不是指控制器是不確定的，它是指在表示知識、概念上的模糊。把誤差信號 E