模糊控制器设计与实现

摘 要：它依据设计的模糊控制器，在THBDC实验平台上进行了实际实验，将理论设计应用于实际的对象上，实验结果表明设计的模糊控制有一定的使用价值。同时将模糊控制的THBDC实验结果和与MATLAB仿真结果进行了比较研究，研究结果表明，模糊控制达到了理想的控制效果。

关键词：模糊控制器；理论设计；THBDC；MATLAB

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

1 引言

在控制过程日趋复杂的今天，被控对象和过程变得复杂化、大型化，使得系统设计分析、有效的进行控制变得十分的困难，常规的控制方法和控制理论已经不能解决这一类的问题。模糊控制因其不需要确定被控对象的模型从而成为解决模型不确定系统控制问题的一种有效的方法。然而MATLAB软件的特点是把数值的分析、矩阵的运算、信号的处理和图形的显示集中在一起，给用户提供了一个方便得环境，其强大的扩展功能为模糊控制的设计提供了便利的基础。

2 模糊控制实验的基本原理

用二阶系统作为被控对象，它具有纯滞后的特点。设计模糊控制器，它是一个二维的。

二阶传递函数模型[1]：

（1）

本文选择的仿真对象传递函数为：

（2）

控制要求是要达到系统响应曲线调节时间短、超调小，采用模糊控制[2]方法来观测其控制性能。

本系统的最核心的组成部分是模糊控制器Fuzzy，它的输入量分别是e和de，先把e和de模糊量化再输入到模糊控制器，在模糊控制器进行模糊决策时使用，也就是说由E、dE、模糊控制规则R三者的关系，求出模糊控制量Uij的值。

（3）

观察上式可以看出，很难应用到实际系统中。因为R是一个高阶的矩阵，需要大量的时间才能完成它的运算，所以使得系统获得较差的实时性能。故在实际的应用中我们一般运用查表法。

查表法是这样的基本思路：首先通过离线的计算，其次建立一个模糊的控制表，最后把它存放到计算机的内存。当模糊控制器工作时，计算机只要根据实时误差量化值e[3]和误差变化de的量化值，再找出此刻的输出控制的量化值，再把这个量化值乘以比例因子K3，这样就可以求出实际控制量u（k）的值。

3 模糊控制系统的THBDC实验开发

3.1 THBDC实验设备简介

模糊控制系统的实验平台主要组成模块：THBDC-1型 自动控制理论实验平台、THBXD数据采集卡、微型计算机。

数据的采集部分是采用USB数据采集卡，实验室里常用这种卡进行通讯。把它直接插在计算机的通讯口上，它的抽样频率采用的是350Khz；16路单输入的A/D模拟的量，转换的精度是14位的；4路输出的D/A模拟的量，转换的精度是12位；16路的开关形式的量输入，16路的开关形式的量输出。

微型计算机机上装有“THBDC”软件，这种软件上有虚拟量的示波器、综合的信号发生器、脚本的编辑器、MATLAB软件仿真、生成实验报告等多种功能。其中各种类型的波形可以用虚拟的示波器显示，有X-T图、X-Y图、Bode图三种不同的图形显示方式，而且功能强大，有图形存储、数据分析、打印多种功能，脚本编程器把一个开放的编程环境提供给用户，用户可以在编辑器上编写各种控制的算法和程序。

3.2 实验步骤及结果分析

3.2.1 实验接线

（1）连接一个被控二阶对象的模拟电路图；

（2）用导线把数据采集卡上的“DA1” 输出端子、 “AD1” 输入端子分别接到模拟电路的输入端子、输出端子上；

（3）打开实验操作平台上的电源的总开关，同时把锁零单元上的锁零开关设置为“解锁”的状态。

3.2.2 运行脚本程序

（1）首先启动微型计算机PC，然后在桌面上双击 “THBDC-1” 图标，这样就可以运行实验软件了；

（2）首先点击示波器界面上的按钮“”，其次点击工具栏上的按钮“”，然后根据二维的模糊控制系统自身的控制规则表进行编写脚本程序并运行之；

（3）选择编辑器窗口上的调试菜单，然后选择它的二级菜单的“启动”项；最后用虚拟的示波器观察图中响应曲线的形状，并判断是否是输出端的响应曲线；

（4）选择脚本编辑器窗口上的调试菜单，然后选择它的二级菜单的“停止”项，适当的改变程序的语句“op1=op1+ k3*op”中k3的值的范围，再选择它的“启动”项。最后用虚拟的示波器观察图响应曲线的变化趋势，并判断是否是输出端的响应曲线的变化情况。

4 THBDC实验与MATLAB仿真对比研究

（1）MATLAB仿真响应曲线。

（2）THBDC实验响应曲线。

对比这两个曲线可得下表1。

分析可知，MATLAB与THBDC实验平台相比，这两者均无超调，均可以达到要求，但是MATLAB仿真所得的响应曲线反应速度快，调节时间短，系统稳态误差小。

5 结论

本文根据被控对象的非线性和时变性等特点，设计了一种二维模糊控制器，并从理论上和实验两个方面对被控对象进行了研究，并得出了满意的结果，本研究的主要成果：在MATLAB仿真的基础上，在THBDC实验平台对模糊控制系统进行了进一步的验证，根据MATLAB仿真结果，在脚本里编辑程序并进行实验，通过改变了其中的量化因子和比例因子，分析了模糊控制器的参数特性，最后证明了模糊控制器可以使被控对象的性能指标在允许的范围内。

参考文献：

[1]江立辉.基于拉普拉斯变换的二阶系统传递函数的参数研究.菏泽学院学报[J]，2017-10-25.

[2]李永明.非匹配不确定非线性系统自适应模糊控制[D].大连海事大学，2014-03-01.

[3]杨艳丽.问题驱动教学法在《自动控制原理》“稳态误差分析”教学中的應用[J].教育教学，2016-04-27.

作者简介：谢国坤（1978-），女，山东济宁人，讲师，研究方向：自动控制。