1、 本科 毕业 论文 (设计 ) （二零 届） 基于 MATLAB的模糊控制系统仿真设计 所在学院 专业班级 电气工程及其自动化 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 - 1 - 摘 要 随着科学技术的迅猛发展，对 自动控制系统的控制精度、响应速度、系统稳定性和适应能力的要求越来越高，对于大多数复杂的 被控对象，采用传统的控制方法往往难以收到满意的控制效果。模糊控制的特点，符合复杂的控制要求，使其得到了广泛的应用。 本文基于 MATLAB 语言，对模糊控制系统作了一些分析和研究。 主要介绍了模糊控制的基本概念，发展概况，应用特点；研究了模糊控制系统的基本结构以及原理；模糊控制器的设计
2、方法；具体讨论了模糊控制系统在全自动洗衣机中的应用，对洗净度，衣质、衣量的模糊控制器设计做了详细的说明，并且通过MATLAB 进行仿真设计，仿真结果表明模糊控制方案在全自动洗衣机系统控制中的有效性。 关键词 ： MATLAB；模糊控制；控 制系统；仿真 - 2 - Abstract With the rapid development of science and technology, automatic control system for the control accuracy and response speed, system stability and adaptability
3、have become increasingly demanding. For most complex objects, its difficult to achieve good control performance using traditional control methods. The characteristics of fuzzy control meet the requirements of complex control. Now it has been widely applied. This article analysis and study the fuzzy
4、control system based on MATLAB. The basic concepts, development overview and application features of fuzzy control are introduced, The basic structure and principles of fuzzy control system are studied. The design method is discussed. Then, the fuzzy control of automatic washing machine is designed,
5、 according to the degree of cleaning requirement, clothing quality and clothing amount. Finally, the simulation is implemented by MATLAB. The simulation results show the effectiveness of the fuzzy control system in automatic washing machines control. Key Words: MATLAB;Fuzzy control; Control System;
6、Simulation - 3 - 目 录 1 前言 .1 1.1 问题的提出 .1 1.2 所作的工作 .2 2 模糊控制系统 .3 2.1 模糊控制系统的发展过程 .3 2.2 模糊控制系统的 基本概念 .4 2.2.1 模糊控制特点 .4 2.2.2 模糊控制系统的组成 .4 2.2.3 模糊控制系统的基本原理 .5 2.3 模糊控制器的设计方法 .6 2.3.1 模糊控制器的基本概念 .6 2.3.2 模糊控制器的设计 .6 3 基于模糊控制的全自动洗衣机设计 .9 3.1 问题描述 .9 3.2 洗衣机模糊控制的基本原理 .10 3.3 洗衣机模糊控制器的设计 .10 3.3.1 基于
7、洗净度的模糊控制 . 11 3.3.2 基于衣质、衣量的模糊控制 .16 3.4 全自动洗衣机的模糊控制 .19 4 仿真 .21 4.1 基于洗净度的模糊控制仿真 .21 4.2 基于衣量、衣质模糊控制仿真 .22 4.3 全自动洗衣机控制系统的仿真 .23 5 结论 .25 致 谢 . 错误 !未定义书签。 参考文献 .26 附录 1 .27 附录 2 .28 - 1 - 1 前言 1.1 问题的提出 随着科学技术的迅猛发 展，对自动控制系统的控制精度、响应速度、系统稳定性和适应能力的要求越来越高，对于大多数复杂的被控对象，采用传统的控制方法往往难以收到满意的控制效果。但是无论是经典控制原
8、理还是现代控制原理，它们的共同特点是，控制器的设计都必须建立在被控对象的精确模型上。没有精确的数学模型，控制器的控制效果及精度将受到很大的约束。但是在实际应用中，大多数的系统具有非线性、时变、大延迟等特点，很难建立精确的数学模型。因此，用经典控制与现代控制的相关原理都很难实现有效的控制，模糊控制也就应运而产生了。模糊控制综合了专家的操作经验， 具有不依赖被控对象的精确数学模型，设计简单，便于应用，抗干扰能力强，响应速度快，易于控制和掌握，对系统参数的变化有较强的鲁棒性等特点 1，在经典控制理论和现代控制理论难以应用的场合发挥了很大的作用，已经成为智能控制的主要分支。近年来已被证明是解决许多实际
9、复杂建模和控制问题的一种有效方法。如今，模糊控制已经应用到工业，家电，国防等众领域，并取得了比较好的控制效果 2。 MATLAB是“矩阵实验室”（ MATRIX LAB-ORATORY）的缩写，由美国 MATHWORKS公司推出的一种以矩阵运算为基础的交互 式程序设计语言和科学计算软件，适用于工程应用和教学研究等领域的分析设计与复杂计算 3。 MATLAB语言以复数钜阵作为基本编程单元 ,具有强大的数值计算功能、图形表达功能及可视化的仿真环境 ,并且简单易学、具可扩展性。另外 MATLAB还提供了图形用户界面设计与开发功能。 MATLAB具有强大的矩阵运算能力、简便的绘图功能、丰富的算法工具箱
10、 ,以及高效、可视化、推理能力强等特点 ,是目前理论研究和工程应用中流行最广的科学计算语言 。 Matlab还提供了模糊逻辑工具箱 ,即 Fuzzy工具箱 。 它是运用图形用户界面 (GUI)来设 计模糊控制器的 ,可以直观的完成模糊控制器的设计 。 同时此工具箱中还提供 30多个函数 ,用户可以通过命令来调用这些函数 ,完成模糊控制器的设计。 - 2 - 1.2 所作的工作 本文 主要介绍模糊控制的相关概念，通过对概念的理解，了解模糊控制的工作特点和工作方式等。 第二章介绍了模糊控制系统的基本结构及其原理。以及模糊控制器的设计方法以及设计的基本步骤。第三章介绍全自动洗衣机的模糊控制系统。通过
11、分析洗衣机的模糊控制部分，体现模糊控制较其它控制的优势。同时，具体研究洗净度，衣质、衣量模糊控制器的设计方法。以及通过 MATLAB实现设 计和仿真 。第四章分别对洗净度模糊控制器，衣质、衣量模糊控制器，及全自动洗衣机模糊控制系统进行了仿真实验，实验结果表明，所设计的控制器基本能达到所要求的功能。 - 3 - 2 模糊控制系统 2.1 模糊控制系统的发展过程 模糊逻辑是英文“ Fuzzy Logic”的正文意译，是指模糊数学诞生之后而产生的一种新的逻辑系统。 1965 著名的美国控制理论专家 L.A.Zadeh 创立了模糊集合论，从而开创了模糊逻辑的历史。自此以后，模糊逻辑得到了迅速的发展。同
12、时 Zadeh 还提出了一个表示事物模糊性的重要概念 隶属函数。这个概 念是模糊逻辑的关键。通过隶属函数，人们才开始对所有的模糊事物和问题进行定量的表示和分析。 1974 年， Zaded 又进行了模糊逻辑推理的研究，从此，模糊逻辑就成为人们研究的热门课题。同年， 英国的 E.H.Mamdani 首先用模糊控制语句组成模糊控制器 4，并把它应用于锅炉和蒸汽机的控制，在实验室获得成功。这一开拓性的工作标志着模糊控制论的诞生 5。标志着人们采用模糊逻辑进行工业控制的开始。 此后，荷兰，丹麦，英国等国家的自动控制人员开始尝试用模糊控制方法对热交换器、炼钢转炉、化学反应器、水泥回转窑、十字路口 的交通
13、等进行控制，并且取得了令人满意的效果。 仅 20 多年来，模糊控制不论从理论上还是技术上都有了长足的进步，成为自动控制领域中一个非常活跃而又硕果累累的分支。而且被广泛的应用于生产实践中，但模糊控制仍然是一个充满争议的领域。由于它的发展历史还不是很长，理论上的系统性和完善性，技术上的成熟性和规范性都是远远不够的，尤其是模糊控制与其他智能化控制方法结合的控制方法，有待于人们在实践中得到验证和进一步的提高 6。目前在国际大趋势的推动下，模糊控制已开始向多元化和交叉学科方向发展，模糊预测控制、模糊诊断、模糊式识 别、模糊决策与规划，都属于较为前沿的研究方向。 因此模糊技术将成为 21 世纪的一项基础技
14、术。一个普遍应用模糊技术的时代不久就会到来。 - 4 - 2.2 模糊控制系统的基本概念 模糊控制是以模糊集合论、模糊语言变量及模糊逻辑推理为基础的计算机智能控制。从线性控制系统与非线性控制系统的角度分类，模糊控制系统是一种非线性控制；从控制器的智能性看，模糊控制属于智能控制的范畴 7。 2.2.1 模糊控制特点 模糊控制在很短的时间里取得了令人瞩目的成果。这主要在于它有一些十分明显的特点： (1)不依赖于对象的数学模型， 设计简 单，便于应用 8。 对无法建模或很难建模的复杂对象，可以利用人的经验知识来设计模糊控制器，从而完成控制任务，而传统的控制方法都要在已知被控对象的数学模型的情况下才能
15、设计控制器。 (2)是一种反应人类的智慧思维的智能控制。这有利于模拟人工控制的过程和方法，增强系统的自适应能力，使之具有一定的智能水平。以为人们所接受。 (3)是一种非线性控制方法，工作范围广，特别适合于非线性系统的控制 。这样 就使得模糊控制系统的结构变得简单。 (4)具有内在的并行处理机制，能表现出极强的鲁棒性，对被控对象的特性变化不敏感，模糊控 制器的设计参数容易选择调整；算法简单、执行快、容易实现，不需要很多的控制理论知识 2。 2.2.2 模糊控制系统的组成 模糊控制属于计数机数字控制的一种形式，因此，模糊控制系统的组成类似一般的数字控制系统 9。其系统框图如图 2-1 所示： 给
16、定 值A / D模 糊 控 制 器D / A执 行 机 构 被 控 对 象传 感 器+-图 2-1 基本模糊控制系统结构图 - 5 - 模糊控制系统一般可分为以下五个组成部分： （ 1）模糊控制器。 模糊控制系统与通常的计算机数字控制系统的主要差别是采用了模糊控制器。而模糊控制器是模糊控制系统的核心，也就是说， 模糊控制的机理是通过模糊控制来体现的。用模糊集合理论对语言变量定量化，再用模糊推理对系统的实时输入状态进行处理，形成相应的控制决策。这样一来就产生了模糊控制器 10。模糊控制系统的设计主要就是模糊控制器的设计。 （ 2）输入 /输出接口。模糊控制器通过输入 /输出接口从被控对象获取数字
17、信号量，并将模糊控制器的决策的输出数字信号经过数模转换，将其转变为模拟信号，然后送给被控对象。 （ 3）执行机构。需要通过控制器的输出信号来驱动的机构。主要由各类电动机构成。 （ 4）被控对象。可以是确定的或模糊的等等 （ 5）传感器。 将被控对象或各种过程的被控制量转换为电信号（模拟或数字）的一类装置。 2.2.3 模糊控制系统的基本原理 给 定 值A / DD / A执 行 机 构被 控 对 象传 感 器+-计 算控 制变 量模 糊量 化处 理解 模糊 化处 理模 糊控 制规 则模 糊 推 理（ 决 策 ）模 糊 控 制 器图 2-2 模糊控制原理框图 模糊控制是以专家的经验为基础实施的一
18、种智能控制，它并不需要精确的数学模型去描述系统的动态过程。一般的控制过程如下： 第一，先通过传感器把要检测的物理量变成电量，再通过模数转换成模糊集合的隶属函数，即把精确量模糊化。从而把传感器的输入量转换成知识库可以读取的变量形式。 第二，根据有经验的专家经验制定出相应的模糊控制规 则，并进行模糊推理，- 6 - 已得到一个模糊输出集合。使得输入量与输出量之间建立了对应的函数关系。每个输入量对应到控制规则，最后通过计算合并那些规则的输出。 第三，根据模糊逻辑推理得到的输出模糊隶属函数，用不同的方法找一个符合实际的精确值作为控制量。把模糊范围概括合并成单点的输出量，加到执行器上实现控制。 2.3
19、模糊控制器的设计方法 2.3.1 模糊控制器的基本概念 模糊控制器（ Fuzzy Controller FC）也称为模糊逻辑控制器（ Fuzzy Logic Contraller, FLC），由于所采用的模 糊控制规则是由模糊理论中模糊条件语句描述的，因此模糊控制器是一种语言型控制器，故也称为模糊语言控制器（ Fuzzy language Contraller FLC）。 模糊控制器的组成框图如图 2-3 所示： 模 糊 化 推 理 机规 则 库数 据 库解 模 糊 化输 入输 出知识库图 2-3 模糊控制器的组成框图 从图中我们知道模糊控制器主要由模糊化接口、知识库、推理机、解模糊接口 4 部分组成 11。 2.3.2 模糊控制器的设计 从模糊控制的基本结构出发，了解设计的基本流程。再根据模糊控制器的工作原理，完成具体的设计步骤。 一般模糊控制器的设计流程如下 12： 模糊化
