信息与通信]基于matlab的洗衣机模糊控制设计

信息与通信]基于matlab的洗衣机模糊控制设计内容摘要：

（ NS），零（ ZO），正小 (PS)，正大（ PB）。 将偏差 e 的变化分为 7 个等级： 3， 2， 1,0， +1， +2， +3，从而得到水位变化模糊表，见表 21。 表 21 水位变化 e划分表 隶 属 度 变 化 等 级 3 2 1 0 1 2 3 模 糊 集 PB 0 0 0 0 0 1 PS 0 0 0 0 1 0 ZO 0 0 1 0 0 NS 0 1 0 0 0 0 NB 1 0 0 0 0 0 控制量 u 为调节阀门开度的变化。 将其分为 5 个模 糊集：负大（ NB），负小（ NS），零（ ZO） ,正小（ PS） ,正大（ PB）。 将 u 的变化分为 9 个等级： 4， 3，2， 1， 0， +1， +2， +3， +4。 得到控制量模糊划分表。 模糊控制规则描述 根据日常的经验，设计以下模糊规则： （ 1）若 e 负大，则 u 负大 （ 2）若 e 负小，则 u 负小 （ 3）若 e 为零，则 u 为零 （ 4）若 e 正小，则 u 正小 （ 5）若 e 正大，则 u 正大 其中，排水时 u 为负，注水时 u 为正。 将上述规则采用 ―IF A THEN B‖的形式来描述，则模糊规范表示为 （ 1） if e = NB then u = NB （ 2） if e = NS then u = NS （ 3） if e = ZO then u= ZO （ 4） if e = PS then u = PS （ 5） if e = PB then u = PB 根据上述经验规则，可得到模糊控制表，见表 22。 东北石油大学本科生毕业设计（论文） 12 表 22 模糊控制规则表 若（ IF） NBe NSe ZOe PSe PBe 则（ THEN） NBe NSu ZOu PSu PBu 求模糊关系 模糊控制规则是一个多条语句 ，它可以表示为 UV 上的模糊子集，即模糊关系 R 为 R=(NBeNBu)∪ (NSeNSu)∪ (ZOeZOu)∪ (PSePSu)∪ (PBePBu) 其中规则内的模糊集运算取交集，规则间的模糊集运算取并集即 NBeNBu =000001  =000000000000000000000000000000000000000000000 NSeNSu =000010  东北石油大学本科生毕业设计（论文） 13 =000000000000000000000000000000000000000000000 ZOeZOu =0000  =000000000000000000000000000000000000 PSePSu =00000  东北石油大学本科生毕业设计（论文） 14 = 000000000000000000000000000000000000000000000 PBePBu = 00000  = 000000000000000000000000000000000000000000000 由以上 5 个模糊矩阵求并集，得 R =  模糊决策 模糊控制器的输出为误差向量和模糊关系的合成，即 Reu  当误差 e 为 NB 时， e =   ,控制器输出为 东北石油大学本科生毕业设计（论文） 15 Reu  =    =  控制量的反模糊化 由模糊决策可知，当误差为负大时，实际液位远高于理想液位， e = NB，控制器的输出为一模糊矢量，可表示为 u =  如果按照 ―隶属度最大原则 ‖进行反模糊化，选择控制量为 u= 4,即阀门的开度应关大一些，减少进水量，加大排水量。 按照上述步骤，设计水箱液位模糊控制的 Matlab 仿真程序，取 flag = 1，可得到模糊系统的规则库并可实现模糊控制的动态仿真。 模糊控制响应表见表 23。 取偏差 e=3，得 u=。 表 23 模糊控 制响应表 e 3 2 1 0 1 2 3 u 3 2 1 0 1 2 3 模糊控制器的结构 在确定性控制系统中，根据输入变量和输出变量的个数，可分为单变量控制系统和多变量控制系统。 在模糊控制系统中，也可类似地划分为单变量模糊控制和多变量模糊控制。 变量模糊控制器 在单变量模糊控制器（ Single Variable Fuzzy Controller,SVFC）中，将其输入变量的个数定义为模糊控制的维数，如图 25 所示。 东北石油大学本科生毕业设计（论文） 16 图 25 单变量模糊控制器 （ 1）一维模糊控制器 如图 25（ a）所示，一维模糊控制器的输入变量往往选择为受控变量和输入给定值的偏差 e。 由于仅仅采用偏差值，很难反映过程的动态特性性质，因此，所能获得的系统动态性能是不能令人满意的。 这种一维模糊控制器往往被用于一阶被控对象。 （ 2）二维模糊控制器 如图 25（ b）所示，二维模糊控制器的两个输入变量基本上都是选用受控变量值和输入给定的值的偏差 e 和偏差变化 ec，由于它们能够较严格地反映受控过程中输出量的动态特性，因此，在控制效果上要比一维控制器好得 多，多是目前采用较广泛的一类模糊控制器。 （ 3）三维模糊控制器 如图 25（ c）所示，三维模糊控制器的 3 个输入变量分别为系统偏差量 e、偏差变量 ec 和偏差变化的变化率 ecc。 由于这种模糊控制器结构较复杂，推理运算时间长，因此，除对动态特性的要求特别高的场合之外，一般较少选用三维模糊控制器。 上述 3 类模糊控制器的输出变量，均选择了受控变量的变化值。 从理论上讲，模糊控制系统所选用的模糊控制器维数越高，系统的控制精度也就越高。 但是，维数选择太高，模糊控制律就过于复杂，基于模糊合成推理的控制算法的计算机二维 模糊 控制器 一维 模糊 空制器 d/dt 三维 模糊 控制器 d/dt d/dt e u e e e ec e ecc ec u (a)一维模糊控制器 (b)二维模糊控制器 (c)三维模糊控制器 u 东北石油大学本科生毕业设计（论文） 17 实现也就更困难 ，这是人们在设计模糊控制系统时多数采用二维控制器的原因。 在需要时，为了获较好的上升段特性和改善控制器的动态品质，也可以对模糊控制器的输出量进行分段选择，即在偏差 e―大 ‖时，以控制量的值为输出；而当偏差 e―小 ‖或 ―中等 ‖时，则以控制量的增量为输出。 多变量模糊控制器 一个多变量模糊控制器所采用的模糊控制器具有多变量结构。 要直接设计一个多变量模糊控制器是相当困难的，可利用模糊控制器本身的解耦特点，通过模糊关系方程求解，在控制器结构上实现解耦，即将一个多输入、多输出的模糊控制器，分解成若干个多输入 ，单输出的模糊控制器，这样可采用单变量模糊控制方法进行设计。 模糊控制系统的分类 按信号的时变特性分类 （ 1）恒值模糊控制系统 系统的指令信号为恒定值，通过模糊控制器消除外界对系统的扰动作用，使系统的输出跟踪输入的恒定值。 也称为 ―自镇定模糊控制系统 ‖，如水位控制系统。 （ 2）随动模糊控制系统 系统的指令信号为时间函数，要求系统的输出高精度、快速地跟踪系统输入。 也称为 ―模糊控制跟踪系统 ‖或 ―模糊控制伺服系统 ‖。 按模糊控制的线性特性分类 对开环模糊控制系统 S，设输入变量为 u，输 出变量为 v。 对任意输入偏差 Δu输出偏差 Δv ，满足 kΔuΔv ， u∈ U,v∈ V。 定义线性度 δ ，用于衡量模糊控制系统的线性化程度，即 mu2 Δvδ maxmax  式中， m inm axm ax vvv  ， m inm axm ax uuu  ， ξ 为线性化因子， m 为模糊 子集 V的个数。 设 0k 为一经验值，则定义模糊系统的线性特性为： ① 当 δkk 0  时，系统S 为线性模糊系统。 ② 当 δkk 0  时，系统 S 为非线性模糊系统。 东北石油大学本科生毕业设计（论文） 18 按静态误差是否存在分类 （ 1）有差模糊控制系统 将偏差的大小及其偏差变化率作为系统的输入，为有差模糊控制系统。 （ 2）无差模糊控制系统 在有差模糊控制系统基础上，引入积分作用，使系统的静差降至最小，为无差模糊控制系统。 按系统 输入变量分类 控制输入个数为 1 的系统为单变量模糊控制系统，控制输入个数大于 1 的系统为多变量模糊控制系统。 模糊控制器的设计 模糊控制器最简单的实现方法是将一系列模糊控制规则离线转化为一个查询表，存储在计算机中供在线控制时使用。 这种模糊控制器结构简单，使用方便，是最基本的一种形式。 本节以单变量二维模糊控制器为例，介绍这种形式模糊控制器的设计步骤，其设计思想是设计其他模糊控制器的基础 [5]。 模糊控制器的设计步骤如下： (1) 模糊控制器的结构 单变量二维模糊控制器是常见的结构形式。 (2) 定义输入输出模糊集 对误差 e、误差变化 ec 及控制量 u 的模糊集及其论域定义如下： e， ec 的论域均为： {3， 2， 1， 0， 1， 2， 3} e， ec 和 u 的模糊集均为： {NB， NM， NS， ZO， PS， PM， PB} u 的论域为： {， 3， ， 0， 1， 3， } (3) 定义输入输出隶属函数 误差 e、误差变化 ec 及控制量 u 模糊集和论域确定后，需要对模糊变量确定隶属函数，即对模糊变量赋值，确定论域内元素对模糊变量的隶属度。 (4) 建立模糊控制规则 根据人的直觉思维推理，由系统输出误差及误差的变化趋势来设计消除系统误差的模糊控制规则。 模糊控制规则语句构成了描述众多被控过程的模糊模型。 在条件语句中，误差 e、误差变化 ec 及控制量 u 对于不同的被控对象有着不同的意义。 (5) 建立模糊控制表 上述描写的模糊控制规则可采用模糊规则表 24 来描述，表中共 49 跳模糊东北石油大学本科生毕业设计（论文） 19 规则，各个模糊语句之间是 ―或 ‖的关系，由第一条语句所确定的控制规则可以计算出 1u。 同理，可以由其余各条语句分别求出控制量 2u ， ， 49u ，则控制量为模糊集合 U,可表示为 49321 uuuuU   表 24 模糊控制规则表 u e NB NM NS ZO PS PM PB ec NB NM NS ZO PS PM PB PB PB PM PM PS PS ZO。