一種模糊-PI雙模控制系統(tǒng)的仿真與設計

    其工作原理是當系統(tǒng)偏差較大，落在某個閾值A以外時，就采用模糊控制以獲得良好的動態(tài)性能；當系統(tǒng)偏差較小，落在閾值以內時，就采用PI控制以獲得較好的穩(wěn)態(tài)性能。
    控制開關的控制規(guī)則可以描述為：
   

2 模糊-PI雙?？刂葡到y(tǒng)的設計
2．1 被控對象的選取
    在控制工程實踐中，典型的二階系統(tǒng)很常見，即便對于許多高階系統(tǒng)，在一定條件下也可近似作為二階系統(tǒng)來研究。廣義對象系統(tǒng)的傳遞函數(shù)可近似看為：
   
    其中K1、K2是根據(jù)控制對象的變化可以取不同的數(shù)值來模擬系統(tǒng)的非線性特征。
2．2 PI控制器設計
    為獲得較好的穩(wěn)態(tài)控制效果，普遍采用PI控制，也就是在系統(tǒng)中加入1個比例放大器和1個積分器。通過參數(shù)整定得到PI控制器的參數(shù)為Kp=0．5，Ki=8，單位階躍響應曲線如圖2所示。

2．3 模糊控制器設計
2．3．1 確定輸入、輸出隸數(shù)度函數(shù)
    模糊控制器采用二維結構，以偏差e和偏差變化率ec作為模糊控制器的輸入信號，將模糊控制器進行模糊化、模糊邏輯推理、解模糊化等一系列操作，最后得到模糊控制器輸出控制量信號u。模糊推理輸入的語言變量為E和EC，模糊論域為[-6，6]，輸出模糊論域變量為U，模糊論域為[0，10]。實際偏差e的變化范圍是[-0.5，0.5]，實際偏差變化率ec的變化范圍是[-1，1]，實際輸出控制量u的變化范圍是[0，10]。因此可確定偏差e的量化因子Ke=12，偏差變化率ec的量化因子Kec=6，控制量u的量化因子Ku=1。變量E的語言值設定為6個，即{負大(NB)、負中(NM)、負小(NS)、正小(PS)、正中(PM)、正大(PB)}；將變量EC的語言值設定為5個，即{負大(NB)、負小(NS)、零(Z)、正小(PS)、正大(PB)}；輸出變量U的語言值設定為5個，即{負大(NB)、負小(NS)、零(Z)、正小(PS)、正大(PB)}，并設定好隸屬函數(shù)，如圖3、圖4和圖5所示。

2．3．2 模糊規(guī)則設計
    模糊-PI雙?？刂浦械哪：刂破髦饕ぷ髟谶^渡過程，希望模糊控制能加快系統(tǒng)響應速度，根據(jù)偏差和偏差變化率的不同狀態(tài)、工程設計人員的技術知識和實際操作經驗，建立合適的模糊規(guī)則表，得到模糊控制規(guī)則如表1所示。

3 模糊-PI雙?？刂葡到y(tǒng)的仿真
3．1 建立模糊推理系統(tǒng)結構
    在MATLAB命令窗口鍵入fuzzy研命令進入模糊邏輯工具箱，在FISEditor窗口的Edit菜單下確定輸入、輸出變量的論域范圍和各個語言變量的隸屬函數(shù)形狀等參數(shù)，雙擊每個圖標就可以進行編輯，得到模糊控制器的文件。
3．2 建立模糊控制規(guī)則
    用Edit菜單下的rules打開模糊規(guī)則編輯器確定“IF…THEN”形式的模糊控制規(guī)則。u共有控制規(guī)則30條，每條規(guī)則的加權值都缺省為1，推理算法為max-min合成法，解模糊方法采用取中位數(shù)法。將設計好的模糊控制器保存在一個用戶自己定義的文件，后綴為fis。
3．3 創(chuàng)建仿真框圖
    在Simulink環(huán)境下，建立模糊-PI雙?？刂破鞣抡嫦到y(tǒng)結構，如圖6所示，仿真結果如圖7所示。

    雙模系統(tǒng)穩(wěn)定且消差的關鍵在Kp、Ki兩個參數(shù)的選擇上，A的主要作用是用來改善仿真曲線前端的形態(tài)，即調節(jié)超調量和上升時間的。從仿真結果可以看出，模糊-PI雙?？刂葡到y(tǒng)的上升時間和最大超調量都有所減少，系統(tǒng)性能更好。

4 結束語
    本文提出的模糊-PI雙?？刂?/strong>器，當系統(tǒng)偏差較大，采用模糊控制以獲得良好的動態(tài)性能；當系統(tǒng)偏差較小，采用PI控制以獲得較好的穩(wěn)態(tài)性能。通過在Matlab／Simulink環(huán)境下的仿真研究，從仿真結果可以看出，與典型PI控制器相比，模糊-PI雙棋控制器能很好地解決前者上升時間長、超調量大缺點。模糊-Pl雙模控制系統(tǒng)在快速性、穩(wěn)定性及準確性方面都有較大的改善。