机电工程学院
课程设计报告
课程
题目二阶系统模糊控制算法的研究专业电气工程及其自动化
姓名
指导教师
学期2015-2016
二阶系统的模糊控制算法的研究
学生
指导老师:
摘要:模糊控制是以模糊数学为基础发展的，为一些无法建立数学模型或者数学模型相当粗糙的系统提供的一种非线性的控制方法。对于这些系统，模糊控制可以得到比较满意的控制效果，并且能够解决一些无法通过传统方法解决的问题。
本文利用MATLAB模糊控制工具箱设计的模糊控制器来控制一个二阶系统，由给定的控制器的输入和输出变量，输入和输出变量的隶属函数，分析了输入和输出变量之间的关系，设计了模糊控制规则库，并通过SIMULINK仿真将模糊控制方法与经典的PID控制方法进行对比，分析仿真结果，探讨模糊控制器的隶属函数，控制规则，以及量化因子和比例因子在模糊控制中所起到的作用。
关键字：模糊控制；MATLAB；SIMULINK；PID
Research of fuzzy control algorithm of second
order systems
Undergraduate:
Supervisor:
Abstract：Fuzzy control, which is based on the fuzzy mathematics, is a new way of nonlinearity control system in which the mathematical model is unable established or the mathematical model is very rough. For these systems, fuzzy control offers users a satisfied control result, and settles down some problems which cannot be solved by traditional methods.
This paper aims to introduce how to use a fuzzy controller which is based on the MATLAB fuzzy control toolbox to control a second-order system. In order to fulfill this target, the author firstly defines the input variables, output variables and their membership functions. Then, the author analyzes the relationship between the input variables and output variables, and designs the fuzzy control rule bank. Finally, the author makes a difference between the methods of the classic PID control and the fuzzy control by SIMULINK. Membership function of fuzzy controller, control rules, and the function of quantizes and scale factor in the fuzzy control process are also discussed in this paper.
Key words: MATLAB; Fuzzy control; PID;SIMULINK simulation
目录
绪论 (1)
1控制理论算法 (5)
3.1 PID控制规律 (5)
3.1PID控制器原理 (5)
3.1 (5)
3.1.3微分（D）控制 (5)
3.2传统PID控制过程 (5)
1模糊控制 (1)
1.1模糊控制的背景及意义 (1)
1.2模糊控制的基本理论 (1)
1.3模糊控制的基本结构 (1)
1.4模糊控制的组成 (1)
1.5模糊控制的运行模型 (1)
1.6模糊控制与SIMULINK的 (1)
2基于MATLAB的模糊控制仿真 (2)
2.1模糊控制器的设计 (2)
2.1模糊集合及论域的定义 (2)
2.2模糊控制规则确定 (4)
2.3仿真曲线 (5)
4比较 (7)
参考文献 (8)
致 (9)
绪论
模糊控制器由三个环节组成：用于输入信号处理的模糊量化和模糊化环节，模糊控制算法功能单元，以及用于输出解模糊化的模糊判决环节。
模糊控制具有良好的控制性能，关键是要有一个完善的控制规则。然而由于模糊规则是人们对过程或对象模糊信息的归纳，对高阶、非线性、大时滞、时变参数以及随机干扰严重的复杂控制过程，人们往往难以总结完整的经验，在某些情况下非常粗糙使一个简单的模糊控制，难以适应不同的工作状态，影响了控制的效果。
在传统的控制领域里，控制系统动态模式的精确与否是影响控制优劣的最主要因素，系统动态的信息越详细，则越能达到精确控制的目的。经典控制理论和现代控制理论，在面对现代系统的复杂性，测量的不确定性以及系统动力学的不确定的实际问题时显得无能为力。而基于模糊语言描述控制规则的模糊控制器能成功的应用于工业过程控制。通过SIMULINK软件对其两个控制器控制进行仿真，并将其控制效果进行比较，得出模糊控制器能实现很好的控制效果。
一．基于稳定边界法的PID控制参数整定方法
1.PID控制规律
所谓控制规律是指控制器的输出信号与输入偏差信号之间的关系，即
y=f(e)。基本控制规律包含位式控制、比例控制、比例积分控制、比例微分控制和比例积分微分控制。
2.PID控制器的原理
PID控制器是P控制+I控制+D控制的组合控制器。
比例（P）控制：比例控制对偏差是即时响应的，偏差一旦出现，调节器立即产生控制作用，使输出量朝着减小偏差的方向变化，控制作用的强弱取决于比例系数Kp。增大比例系数可以提高系统的控制精度，减小稳态误差，但是会降低系统的相对稳定性。
积分（I）控制：为了消除在比例调节中的残余静差，只要偏差e不为零，它将通过累积作用影响控制量u,从而减小偏差，直到偏差为零。积分时间常数Ti增大，积分作用减弱，减小超调，提高稳定性。由于积分时间的存在，引入积分调节会降低系统的快速性。
微分（D）控制：为加快控制过程，有必要在偏差出现或变化的瞬间，按偏差变化的趋势进行控制，使偏差消灭在萌芽状态。微分的特点是能起到超前控制的作用，即在偏差很小时，提前增大控制作用，改善控制品质，当偏差存在但不变化时，控制作用为零。
3.PID控制参数工程整定方法
常用的工程整定方法有稳定边界法、衰减曲线法、反应曲线法、经验凑试法等。
稳定边界法
1．过程控制系统常用的PID 调节器传递函数为s K s K K s G D I p ++=)( 式中，Kp ，Ki ，KD 分别是比例系数、积分系数、微分系数。
2.某被控对象为二阶惯性环节，其传递函数为：G(s)=s 2+s+1，现采用稳定边界法整定PID 参数：
（1）在Matlab 的Simulink 工具箱里，搭建系统方框图，如下所示
调节规律
P Ti Td P
2Pm — — PI
2.2Pm 0.833-0.85Tm — PID 1.7Pm 0.50Tm 0.125Tm 根据表一算得P=64.45;Ti=2.75；Td=0.6875
（3）然后回到Simulink 环境下，设置三个参数为计算数值，得阶跃响应曲线：