模糊控制器設計與實現

謝國坤 惠俊峰 賈亞娟 鄭凱

摘 要：它依據設計的模糊控制器，在THBDC實驗平臺上進行了實際實驗，將理論設計應用于實際的對象上，實驗結果表明設計的模糊控制有一定的使用價值。同時將模糊控制的THBDC實驗結果和與MATLAB仿真結果進行了比較研究，研究結果表明，模糊控制達到了理想的控制效果。

關鍵詞：模糊控制器；理論設計；THBDC；MATLAB

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.17.170

1 引言

在控制過程日趨復雜的今天，被控對象和過程變得復雜化、大型化，使得系統設計分析、有效的進行控制變得十分的困難，常規的控制方法和控制理論已經不能解決這一類的問題。模糊控制因其不需要確定被控對象的模型從而成為解決模型不確定系統控制問題的一種有效的方法。然而MATLAB軟件的特點是把數值的分析、矩陣的運算、信號的處理和圖形的顯示集中在一起，給用戶提供了一個方便得環境，其強大的擴展功能為模糊控制的設計提供了便利的基礎。

2 模糊控制實驗的基本原理

用二階系統作為被控對象，它具有純滯后的特點。設計模糊控制器，它是一個二維的。

二階傳遞函數模型[1]：

（1）

本文選擇的仿真對象傳遞函數為：

（2）

控制要求是要達到系統響應曲線調節時間短、超調小，采用模糊控制[2]方法來觀測其控制性能。

本系統的最核心的組成部分是模糊控制器Fuzzy，它的輸入量分別是e和de，先把e和de模糊量化再輸入到模糊控制器，在模糊控制器進行模糊決策時使用，也就是說由E、dE、模糊控制規則R三者的關系，求出模糊控制量Uij的值。

（3）

觀察上式可以看出，很難應用到實際系統中。因為R是一個高階的矩陣，需要大量的時間才能完成它的運算，所以使得系統獲得較差的實時性能。故在實際的應用中我們一般運用查表法。

查表法是這樣的基本思路：首先通過離線的計算，其次建立一個模糊的控制表，最后把它存放到計算機的內存。當模糊控制器工作時，計算機只要根據實時誤差量化值e[3]和誤差變化de的量化值，再找出此刻的輸出控制的量化值，再把這個量化值乘以比例因子K3，這樣就可以求出實際控制量u（k）的值。

3 模糊控制系統的THBDC實驗開發

3.1 THBDC實驗設備簡介

模糊控制系統的實驗平臺主要組成模塊：THBDC-1型 自動控制理論實驗平臺、THBXD數據采集卡、微型計算機。

數據的采集部分是采用USB數據采集卡，實驗室里常用這種卡進行通訊。把它直接插在計算機的通訊口上，它的抽樣頻率采用的是350Khz；16路單輸入的A/D模擬的量，轉換的精度是14位的；4路輸出的D/A模擬的量，轉換的精度是12位；16路的開關形式的量輸入，16路的開關形式的量輸出。

微型計算機機上裝有“THBDC”軟件，這種軟件上有虛擬量的示波器、綜合的信號發生器、腳本的編輯器、MATLAB軟件仿真、生成實驗報告等多種功能。其中各種類型的波形可以用虛擬的示波器顯示，有X-T圖、X-Y圖、Bode圖三種不同的圖形顯示方式，而且功能強大，有圖形存儲、數據分析、打印多種功能，腳本編程器把一個開放的編程環境提供給用戶，用戶可以在編輯器上編寫各種控制的算法和程序。

3.2 實驗步驟及結果分析

3.2.1 實驗接線

（1）連接一個被控二階對象的模擬電路圖；

（2）用導線把數據采集卡上的“DA1” 輸出端子、 “AD1” 輸入端子分別接到模擬電路的輸入端子、輸出端子上；

（3）打開實驗操作平臺上的電源的總開關，同時把鎖零單元上的鎖零開關設置為“解鎖”的狀態。

3.2.2 運行腳本程序

（1）首先啟動微型計算機PC，然后在桌面上雙擊 “THBDC-1” 圖標，這樣就可以運行實驗軟件了；

（2）首先點擊示波器界面上的按鈕“”，其次點擊工具欄上的按鈕“”，然后根據二維的模糊控制系統自身的控制規則表進行編寫腳本程序并運行之；

（3）選擇編輯器窗口上的調試菜單，然后選擇它的二級菜單的“啟動”項；最后用虛擬的示波器觀察圖中響應曲線的形狀，并判斷是否是輸出端的響應曲線；

（4）選擇腳本編輯器窗口上的調試菜單，然后選擇它的二級菜單的“停止”項，適當的改變程序的語句“op1=op1+ k3*op”中k3的值的范圍，再選擇它的“啟動”項。最后用虛擬的示波器觀察圖響應曲線的變化趨勢，并判斷是否是輸出端的響應曲線的變化情況。

4 THBDC實驗與MATLAB仿真對比研究

（1）MATLAB仿真響應曲線。

（2）THBDC實驗響應曲線。

對比這兩個曲線可得下表1。

分析可知，MATLAB與THBDC實驗平臺相比，這兩者均無超調，均可以達到要求，但是MATLAB仿真所得的響應曲線反應速度快，調節時間短，系統穩態誤差小。

5 結論

本文根據被控對象的非線性和時變性等特點，設計了一種二維模糊控制器，并從理論上和實驗兩個方面對被控對象進行了研究，并得出了滿意的結果，本研究的主要成果：在MATLAB仿真的基礎上，在THBDC實驗平臺對模糊控制系統進行了進一步的驗證，根據MATLAB仿真結果，在腳本里編輯程序并進行實驗，通過改變了其中的量化因子和比例因子，分析了模糊控制器的參數特性，最后證明了模糊控制器可以使被控對象的性能指標在允許的范圍內。

參考文獻：

[1]江立輝.基于拉普拉斯變換的二階系統傳遞函數的參數研究.菏澤學院學報[J]，2017-10-25.

[2]李永明.非匹配不確定非線性系統自適應模糊控制[D].大連海事大學，2014-03-01.

[3]楊艷麗.問題驅動教學法在《自動控制原理》“穩態誤差分析”教學中的應用[J].教育教學，2016-04-27.

作者簡介：謝國坤（1978-），女，山東濟寧人，講師，研究方向：自動控制。