模糊控制Matlab仿真

说明：

a.控制对象为一阶系统，目的是为了简单，调通后可以修改控制对象，控制参数体会各个量对控制效果的影响。

b.一阶系统直接施加输入，如图1所示的控制对象，上升时间会很大。完全可以使用PID控制使控制效果满足需要。这里使用模糊控制来代替PID控制器。比较一下！

模糊控制器设计

模糊控制器的计算量是非常大的，我不从数学推导介绍。讲一下利用matlab的模糊工具箱（Fuzzy logical toolbox)建立基本模糊控制器的方法。在命令行输入fuzzy,就可以进入模糊推理系统编辑器（fis editor）。利用这个工具制作一个*.fis的文件。这个文件就是模糊控制器的核心！在simulink中和以往进行PID控制一样建立模型。如图1，在simulink的库里点击Fuzzy Logical toolbox，拖一个Fuzzyl logical controller with rule viewer，双击这个环节，在弹出的对话框的fis Matrix里填入你自己起的*.fis的名字，不需输入后缀fis。

在设计模糊控制器（*.fis)前，要想好，你设计的控制器需要几个输入，几个输出。比如，本例中拟采用偏差E和偏差变化率Ec这两个量作为模糊控制器的输入，模糊控制器有一个输出。很明显，这是利用模糊控制器代替PD控制的。对应的模糊控制器的设计也要具有两个输入一个输出。

利用matlab的Fuzzy logical toolbox 设计模糊控制器(生成*.fis文件）的关键步骤：

a.添加输入输出。

图3.fis编辑器

默认的具有一个输出，添加第二个输入，并且分别命名为E，Ec，U。

b.确定隶属函数。双击黄色和绿色的方框就可以进入隶属函数编辑对话框了。设置E,Ec的range为[-6,6]，u的range为[-1,1]。然后每一个变量再添加4个输入隶属函数，总共7个。matlab提供了11种隶属函数，第一次用选择常用的三角形trimf，区别不大的。三角形隶属函数有三个点确定，其实是三角形底边两个端点和中点。

c.确定模糊规则。

d.完毕。在窗口导出到磁盘，生成*.fis(如myexample.fis)即可。

分析

不要以为模糊控制可以模糊到弄个差不多就可以控制了。不是的！图1中这个仿真中用到了3个系数，Gain，Gain1，Gain2。调整这三个系数都会对整个控制效果有很大影响。

说明：

a.很明显发这三个参数对控制器的性能有很大的影响，所以不要指望，基本模糊控制器可以实现不用人工调整就可以。

b.三个参数中Gain类似于PD控制中的P，过小则稳态误差大，上升时间长。过大，稳态误差小了，上升时间小了，但是出现超调，继续增大则出现振荡。

c.参数Gain2类似于PD控制中的D，可以调整系统的"阻尼"。对于电容-电阻电路，传递函数分母为Ts+1，T=RC为系统的时间常数。修改Gain2可以改善系统的时间常数，使上升时间减小或增加。其作用相当于改变电容大小，放电时间减小或增大。对于机械的弹簧-阻尼系统，T=f/k，调整D相当于改变f。由仿真知，Gain2可以从负到正改变，值越大，系统的上升时间越大，响应越慢。当改为负值时，系统地上升时间越来越小，以至于阻尼太小，发生振荡。

d.参数Gain1可修改的范围比较大。对系统的影响相对较小。它是对误差E的放大，或缩小，只要合适就行了。

仿真建立modle文件

注意事项

在仿真中使用matlab7.0，模糊控制工具箱，一运行就出错，提示一个max控件不能接受boolean输入。解决方法在上篇日志中意给出。还有一个是仿真中要加零阶保持器。否则，系统当连续系统运行，很慢！有时仿真中会提示警告，说步长过大，就不最大步长由自动改为较小的值。另外，*fis文件名必须和模糊控制器名字一致。

感悟

在很多的控制系统中，不是采用这种方式的，都是离线的计算一张所谓控制表。它与控制规则表类似。因为大多控制器采用单片机或DSP,这样从头到尾计算量太大。控制表使用时，检测到输入和输出，把它归为正大正小这些等级，四舍五入也好，别的方法也行，就丢失一些信息，换来速度，直接查表，也是一个数，把这个输作为控制量。整个过程完全就是精确控制，盗用模糊控制的名字而以。

由分析可知，选择E，Ec的基本模糊控制基本就是PID控制效果，因为没有选择E积分，稳态误差没法消除。所以可以用PID控制的，再使用模糊控制就没有什么意思了。只是用来学习一下思路。

模糊控制真正的那些不能用PID的场合发挥作用。比如洗衣机，找不到数学模型时候，才能发挥它的魅力所在