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境下变论域模糊控制算法的仿真方法.pdf

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第30卷第6期 2 0 0 9年l 2月 衡阳师范学院学报 Journal of Hengyang Normal University No.6V01.30 Dee.2 0 0 9 MATLAB环境下变论域模糊控制算法的仿真方法 龙祖强1’2,许岳兵1,杨利容1,刘 灿1 (1.衡阳师范学院物理与电子信息科学系,湖南衡阳421008; 2.中南大学信息科学与工程学院,湖南长沙 410083) 摘 要:针对目前比较流行的变论域模糊控制算法,提出了一种在Matlab/simulink环境下的实现方法。通过使 用S函数,扩展了simulink的仿真功能。并给出一个非最小相位系统的仿真实例。结果表明,由S-函数构成的 变论域模糊控制器取得较好的控制性能。 关键词:模糊控制;仿真;S-函数;变论域 中图分类号:TP 13 文献标志码:A 文章编号:1673—0313(2009)06—0034—03 1 引 言 R“’(J=1,2,…,优):如果zl为A{J且z2为A乞且…且 z。为A乞,则Y为B;. (1) 近十年来,变论域模糊控制理论得到了较大的发展,控 在k=0时,令模糊控制器的初始输入论域为Uo一[一E, 制器的实现方法多种多样,成功的应用实例也越来越多。目 E],初始输出论域为∥=[一y,y].Aj(J一1,2,…,m)表 前所讨论的变论域模糊控制器,实际上就是通过选取合适 的论域伸缩因子,以论域之变应误差之变,使得实际的控制 规则大幅度增加,越接近期望控制点,控制器的档级越小,因 而能有效地克服常规模糊控制器无积分环节和控制规则有 限的等缺点[11]。在研究变论域算法及其伸缩因子的过程 中,我们经常需要借助MATLAB中的Simulink来进行仿真 分析。然而Simulink只提供常规模糊控制工具箱,无法支 持变论域模糊控制算法,只有通过孓函数扩展Simulink的 功能才能实现其仿真。文献[5—6]尽管详细地讨论变论域模 糊控制算法的仿真控制性能,但是没有提供具体的仿真过 程。鉴于此种情况,本文旨在为变论域模糊控制器的研究者 提供一种具体有效的仿真方法。 2变论域模糊控制算法 示在∽上的初始模糊集,其形状取为“三角波”,当然也可 以取为其它任意形状(如梯形或高斯形),但必须满足模糊 集的完备性[7]。为了便于应用,工程上通常取为标准的、一 致的和完备的三角形隶属度函数口]。在控制过程中,输入 论域u;和输出论域俨分别取为: U?一[一E,a;(彳),E口;(彳)], 驴一[一印(,),№(,)]. (2) (3) 其中口f(Z)和口(,)称作变论域伸缩因子。如何确定n,(Z) 和口(,)在文献[1.4]中有详细的论述,此处不再讨论。在 本文中,口|(Z)和p(,)取如下形式 Gti(蠢);(I z;l/E,)‘+e, 刚)=(1等1)7+£. (4) (5) 其中rE(0,1),£为充分小的正数.在控制过程中,通过 a,(t)的作用,输入论域u?可随工:的减小而收缩,可随彳 设控制器的采样步是一0,1,2…,第k步的输入变量记 增大而膨胀。当然,输出论域驴亦可随Y‘的减小或增大 为工‘=[叠。矗,…,蠢],第k+1步的输出变量记为,“, 而进行相应地的收缩或膨胀。下面,按照如下步骤给出变 输入论域记为U=U。×U2×…×U。CR”,输出论域记为y 论域自适应模糊控制器的算法口]。 cR.又设模糊规则库由以下规则组成: 步骤1设z--k¨夕:是模糊集A:和B:的中心.在k=0 收稿日期:2009—08—10 基金项目:国家自然科学基金项目(60874070);湖南省科技计划项目资助(2009GK3020) ’ 作者简介:龙祖强(1974一),男,湖南湘乡人,衡阳师范学院物理与电子信息科学系讲师,博士研究生,研究方向:模糊控制 理论及应用. 万方数据
2009年第6期 龙祖强,许岳兵,杨利容,等:MATI,AB环境下变论域模糊控制算法的仿真方法 35 时刻,对任意的给定输入】【o=(xo,迎,…,瑶),可得控制器 输出为 ∑夕?Ⅱ户.!(t) Y1一厂(P)一£七—{蔓—_二一. ∑ⅡP.:(右) ‘J.L J-●^:: ’ (6) 步骤2 在志一1时刻,对输入工1一(zi,z;,…,z:),计 圈l变论域模糊控制系统仿真框图 算z0一a(z:)王%,Yj=卢(y1)夕?可得控制器输出为 子函数设计如下: ∑y-,1Ⅱ产。j(z}) y2=f(x1)一£}_爿—二一. ∑Ⅱ户.i(z÷) ‘J lJ-一:: 步骤3在k时刻,对输入,一(科,彩,…,Z),计算 z--k。=口(0)z-“o,夕}=J臼(,)夕;,可得控制器输出为 function[sys,xO,str,ts]一Initialize%初始化 (7) sys一[o,9,1,3,1,13; x0=[一6,0,6,一6,0,6,一6,0,63; str=口;ts一[o。01 03; function sys—Update(t,x,u)0A状态更新 xl一[一6,0,6]*(((abs(u(1)/6)))‘o.8); ∑夕;Ⅱ1∥。7.(叠) 广1=f(xk)=韭}—}L_二—一. 1P^:.、^‘7 —‘一J J x2=[--6,o,63*(o.5*(abs(u(1))/6+abs(u(2))/6)'0.8); (8) y=[一6,0,63*(((abs(u(3))/6))‘o.8); ∑Ⅱp。÷。(z) sys一[xl,x2,y3; 在k时刻,由(3)(5)式可知, 彳∈[一日口;(彳),霹口;(彳)]骨(t/口l(t)) function sys—Outputs(t。x,u)%系统输出 r;Ix(9),x(8),x(8);x(9),x(8),x(7);x(8),x(8), ∈[一日,曰]. (9) x(7)]} 于是0∈A:甘(叠/a,(Z))∈A:,故可得, 附(彳)=PA?[(z/m(z))]. (10) 因为有Y;=卢(,)夕?,若把(10)式代入(8)式,则可得控制 if u(1)
36 衡阳师范学院学报 2009年第30卷 参考文献: [13李洪兴.变论域自适应模糊控制器[J].中国科学:E 辑,1999,29(1):32-42. [2]李洪兴.模糊控制的插值机理[J].中国科学:E辑, 1998,28(3):259—267. [33李洪兴,苗志宏,王加银.非线性系统的变论域自适应 模糊控制l-J].中国科学:E辑,2002,32(2):211_223. [4]龙祖强,梁昔明,游开明,等.双输入单输出潜遗传变 论域模糊控制算法及其收敛性[J].控制理论与应用, 2008,25(4):683-687. [5]龙祖强.Mamdani模糊控制器与变论域模糊控制器的 仿真分析[J].衡阳师范学院学报,2005,26(3):54—56. [6]龙祖强.潜遗传变论域模糊控制及其伸缩因子EJ].广 图2仿真控制系统的阶跃响应曲线 4结 论 变论域模糊控制器是一种高精度的自适应模糊控制器, 东自动化与信息工程,2005(2):i0—12. 为了在T程上实现这种控制器,往往需要对其进行仿真,以 [7]X.J.Zeng,M.G.Singh.Approximation theory of fuzzy 使控制器的各个参数合理与优化。在Matlab环境下,模糊 systems—MIMO case[J].IEEE Transactions on Fuzzy 逻辑工具箱没有提供变论域算法,需用户来扩展其功能。本 systems,1995,3(2):219-235. 文利用孓函数实现了一种变论域模糊控制算法,并且取得 相应的仿真曲线。仿真结果表明,系统具有良好的控制性 能,无超调,进入稳态时间短,稳态误差小等优点。 [8]龙祖强,游开明,陈列尊,等.一类简单变论域模糊控 制器的设计[J].微计算机信息,2007,24(5):72—74. [9]王得利,马月坤,于树利.控制系统中实时任务分析[J]. 微计算机信息,2006,22(7):103—105. Simulation Method of Variable Universe Fuzzy Control Algorithm on the Matlab LONG Zu—qian91”,XU Yun—bin91,YANG Li—ron91,LIUCanl (1.Department of Physics and Electronics Information Science,Hengyang Normal University,Hengyang Hunan 421008, China;2.School of Information Science and Engineering,Central South University,Changsha Hunan 410083·,China) Abstract:In this paper,a simulation method is presented for variable universe fuzzy control algorithm which is now popular in the field of control engineering.By using S-function,the simulation function of Matlab/simulink is extended,and a simulation to a non-least—phase system is performed successfully.The result of simulation shows that the controller consisted of variable universe fuzzy control algorithm obtains excellent control performances. Key words:Fuzzy control;simulation;S-function;variable universe 万方数据
MATLAB环境下变论域模糊控制算法的仿真方法 作者: 龙祖强, 许岳兵, 杨利容, 刘灿, LONG Zu-qiang, XU Yun-bing, YANG Li-rong, 作者单位: 刊名: LIU Can 衡阳师范学院 衡阳师范学院学报 英文刊名: JOURNAL OF HENGYANG NORMAL UNIVERSITY 年,卷(期): 2009,30(6) 0次 引用次数: 参考文献(9条) 1.李洪兴 变论域自适应模糊控制器 1999(1) 2.李洪兴 模糊控制的插值机理 1998(3) 3.李洪兴.苗志宏.王加银 非线性系统的变论域自适应模糊控制 2002(2) 4.龙祖强.梁昔明.游开明.陈列尊 双输入单输出潜遗传变论域模糊控制算法及其收敛性[期刊论文]-控制理论与应 用 2008(4) 5.龙祖强 Mamdani模糊控制器与变论域模糊控制器的仿真分析[期刊论文]-衡阳师范学院学报 2005(3) 6.龙祖强 潜遗传变论域模糊控制及其伸缩因子[期刊论文]-广东自动化与信息工程 2005(2) 7.X J Zeng.M G Singh Approximation theory of fuzzy systems-MIMO case 1995(2) 8.龙祖强.游开明.陈列尊.黄顺 一类简单变论域模糊控制器的设计[期刊论文]-微计算机信息 2007(13) 9.王得利.马月坤.于树利 控制系统中实时任务分析[期刊论文]-微计算机信息 2006(7) 相似文献(10条) 1.期刊论文 汤晓燕.刘少军.王刚.TANG Xiao-yan.LIU Shao-jun.WANG Gang 深海采矿升沉补偿系统建模及其模糊 控制仿真 -中南大学学报(自然科学版)2008,39(1) 根据中国大洋协会(COMRA)拟定的1 000 m 大洋多金属结核中试采矿系统中升沉补偿子系统设计方案及1 km 海试的状况,应用牛顿第二运动定律和 MATLAB 软件,创建了该系统的数学模型,对该数学模型进行模糊控制仿真研究.仿真结果表明:1 km 海试总体设计中提出的双油缸主动控制升沉补偿系统 可适应海试要求,在4级海况条件下,对系统实施模糊逻辑控制能得到满意的控制效果.但在复杂海况条件下,随着外扰频率逐渐增加,系统的升沉补偿效果 会不断下降,当外扰频率大于0.7 Hz 时,主动式模糊控制几乎无减振效果.因此,建议在0~0.7 Hz 范围内采用主动式模糊控制,而在外扰频率大于0.7 Hz 范围内实施被动式升沉补偿. 2.学位论文 崔艳 基于动态模糊控制的不稳定体“跷跷板”的控制研究 2006 本文主要研究对于“跷跷板”这一典型不稳定体的模糊控制问题。文章在传统模糊控制的基础上使用一种新型的动态模糊控制器,以增强控制系统 的鲁棒性和缩短响应时间。通过分析传统模糊控制原理,构造相应的静态模糊控制器,并在此基础上增加一种动态模糊控制器,提高系统的动态性能。 本文主要包括以下几个部分: 第一部分:介绍国内和国外不稳定体控制的背景,将不稳定体的现有控制方法作以概括和描述,分析其优缺点,并引出自己的动态模糊控制方法。 第二部分:详细介绍模糊控制原理,包括模糊数学基础,模糊控制系统的结构设计,根据传统静态模糊控制器来构造出新的动态模糊控制器,并给 出动态模糊控制器的具体结构以及实现方法。 第三部分:建立“跷跷板”不稳定体系统数学模型,得出描述系统的微分方程。虽然在模糊控制的方法下是不需要知道被控对象的数学模型,但是 为了在计算机上的仿真需要,还是要推导出一个模型来执行仿真过程。对于“跷跷板”这个单输入、多输出的系统,我们选择用状态方程来描述它。 第四部分:详细介绍如何运用Simulink工具实现模糊控制的仿真。在仿真过程中针对传统的静态模糊控制器提出动态模糊控制器这一优化方法,并 用动态模糊控制器来完成“跷跷板”的仿真演示。通过比较两种方法的仿真结果,发现动态模糊控制器的控制效果明显优于传统模糊控制器。 3.期刊论文 冉振亚.杨超.曹文明.赵树恩.庞迪 永磁同步电动机调速系统的模糊控制与仿真 -重庆大学学报(自然 科学版)2004,27(7) 对电动汽车驱动用永磁同步电动机(Permanent Magnet Synchronous Motor 缩写为PMSM)的调速系统进行模糊控制并对其结果进行仿真.对PMSM进行 数学建模,根据其数学模型在MATLAB/Simulink下建立PMSM、PMSM测量环节、dq/abc转换器和PWM三相逆变器的仿真模块并进行封装.采用二维模糊设计, 以电动汽车行驶时所要求的电动机转速n′与电动机的实际转速n之间的偏差E和其偏差变化率EC作为系统的输入变量,把控制占空比的电流信号U作为输出 语言变量,进行模糊控制器的设计.根据PMSM的各模块和所设计的模糊控制器,在MATLAB /SIMULINK下创建电动汽车PMSM调速系统的模糊控制仿真结构模型 ,并进行仿真,从而验证控制方法的正确性. 4.学位论文 张屹 灯管十字路口信号配时模糊控制及仿真 1998 该文共分六章,分析了当前城市交通管理与控制问题,剖析了目前单个交叉口交通信号控制算法的过程与机理,阐述了单个交叉口的信号模糊控制算法 的原理,最后设计出交通车辆仿真系统来比较传统信号控制与这种模糊控制所达到的效果. 5.期刊论文 段瑞玲.李玉和.李庆祥.Duan Ruiling.Li Yuhe.Li Qingxiang 精密工作台参数自调整模糊控制环节设 计与仿真 -微计算机信息2006,22(16) 对精密工作台的定位控制进行研究.提出一种参数自调整模糊控制的改进算法.该方法克服了常规模糊控制存在的静差和振荡问题.设计了模糊控制器 的Simulink模型,仿真实验结果表明该方法相对于常规模糊控制具有良好的超调和响应快速性.通过优化自调整参数和模糊控制规则,可以得到更好的系统
响应曲线.对于实际控制系统,该控制算法具有较好的稳定性. 6.学位论文 王勇 复杂液压系统智能仿真与模糊控制策略研究 1997 该文对复杂液压系统的智能仿真技术与模糊控制策略进行了研究,解决了现有的通用液压仿真软件中存在的一些问题,并成功地开发了通用复杂液压 系统智能仿真软件CHISP. 7.期刊论文 武彩霞.付兴武 集装箱吊车的模糊控制及仿真 -工业控制计算机2003,16(8) 本文对集装箱吊车进行模糊控制,给出了有效的控制策略,并利用PopFuzzy日立单片机模糊控制开发平台,对吊车模型施以模糊控制,进行模拟运行及 仿真,控制其位置和货载摆角,取得了比较满意的控制效果. 8.学位论文 龚崇权 模糊控制在水轮机调节中运用模式的探讨 2000 该文主要进行了如下的工作:简略地阐述水轮机调节的任务和特点;综合总结了水轮机调速器发展以及水轮机调节系统控制策徊的研究的现状,从而明 确在水轮机调节系统中采用模糊控制、神经网络控制等高级控制策略的物质基础和现实意义.简单地介绍模糊控制理论的发展及内容.并简略阐述了模糊 控制器的设计方法和原则.简单介绍了水轮机调节系统的各个组成部分的数学模型,以便于采用相应的数学模型对水轮机调节系统进行仿真.介绍该论文所 采用的仿真语言---MATLAB语言,对其仿真原理、仿真方法与步骤以及其成越性 进行了较为详细的介绍,为后面章节进行水轮机调节系统的模糊控制仿真 打下基础.运用计算机数字仿真技术,着得讨论了模糊控制器在水轮机调节系统中的运用模式,为模糊控制技术在水轮机调节中得到实际运用打下良好的基 础. 9.期刊论文 李和贵.翁正新.施颂椒 基于模糊控制的船舶动力定位系统设计与仿真 -系统工程与电子技术 2002,24(11) 就船舶动力定位中模糊控制的应用进行了研究,探讨了模糊控制中隶属函数和模糊规则的具体制定,为进一步的船舶动力定位打下基础.对船舶纵荡运 动进行了控制与仿真,并对所设计的船舶动力定位系统的硬件及软件系统作了简要的介绍.仿真结果表明,所设计的模糊控制器能对船舶的动力定位实施有 效的控制.船舶动力定位系统的试验正在进行中. 10.学位论文 屈丹 基于模糊控制的整纬仪的设计与仿真 2004 论文对模糊控制理论以及模糊控制器的设计方法进行了必要的阐述,在此基础上研究了模糊控制在整纬仪中的应用.无论是以传递函数为核心的经典 控制理论,还是以最优控制理论为核心的现代控制理论,都首先假设被控对象的特性是线性的或近似线性的,并且已知描述被控对象特性的某种形式的数学 模型.但在实际工程应用中,被控对象的特性往往是时滞、非线性的、时变的,此时应用经典控制理论或现代控制理论设计系统的控制器会遇到困难.印染 工艺中,织物在运行过程中的变形是不确定的,非线性的、时变的过程,采用传统控制很难达到理想的控制精度.模糊控制的产生和发展为上述问题找到了 答案.模糊控制无需知道被控对象的数学模型,是一种基于规则的非线性控制方法,并以模糊集合论作为推理的数学基础,从而具备了解决不确定性问题的 能力.该文根据模糊控制特点及整纬的工作原理,开发出基于自适应模糊控制的整纬仪,采用PC机和可编程控制器组成的主从控制方式的控制系统.论文内 容包括规则自调整模糊控制器的设计及PLC的实现,并对核心控制器进行了仿真.仿真使用了MATLAB的Fuzzybox编辑器与Simulink有机结合,方便的实现了 模糊控制系统计算机仿真.仿真结果表明:模糊控制的应用能有效克服系统的扰动,提高系统的动态特性. 本文链接:http://d.g.wanfangdata.com.cn/Periodical_hysfxyxb200906009.aspx 下载时间:2010年5月27日
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