基于ＭＡＴＬＡＢ的控制器仿真

[摘要] MATLAB是國際上最優秀的科技應用軟件之一，它集數值分析、矩陣運算、信號處理和圖形顯示于一體，構成了一個方便的、界面友好的用戶環境，其強大的科學計算與可視化功能，簡單易用的開放式可擴展環境，使得MATLAB成為控制領域進行計算機輔助分析與設計的一種非常好的工具和首選平臺。本文對模糊控制器的工作原理做了簡要介紹，結合典型的二階系統。設計了一個模糊控制器，用MATLAB對所設計的控制器進行了仿真。

[關鍵詞] 模糊控制器MATLAB仿真

MATLAB是集數值計算、符號運算及圖形處理等強大功能于一體的科學計算語言。作為強大的科學計算平臺，它幾乎能夠滿足所有的計算需求。MATLAB對許多專門的領域都開發了功能強大的模塊集或工具箱。一般來說，它們都是由特定領域的專家開發的，用戶可以直接是用工具箱學習、應用和評估不同的方法而不需要自己編寫代碼。目前，MATLAB已經把工具箱延伸到了科學研究和工程應用的諸多領域，諸如數據采集、數據庫接口、概率統計、樣條擬合、控制系統設計、LMI控制、魯棒控制等。由于MATLAB語言在各方面的強大功能，目前它已作為工程和科學教育界的一種行業標準。

一、基于MATLAB的模糊控制器的設計

采用MATLAB的模糊邏輯工具箱的GUI(Graph User Interface)工具設計模糊控制器。具體操作：進入MATLAB編輯環境后，鍵入fuzzy即可進入FIS編輯器。在FIS編輯器中設置模糊控制器的模糊算子(max，min等)、輸入輸出變量個數、名稱、解模糊化的方法(加權平均法、中位數法、最大隸屬度法等)。模糊控制器的整體結構確定后，雙擊FIS編輯器中的輸入、輸出變量方框，便進入隸屬函數界面，在這里定義輸入、輸出變量的論域(根據實際要求確定)，各變量模糊子集的個數，隸屬函數的類型。其中，模糊子集的個數，要從實際出發，不要盲目追求數量，以縮短調試的優化時間。三角形隸屬函數性能較好，計算量小，較多采用。

下面應定義模糊控制規則，這是模糊系統的核心，集中體現了人的操作經驗。選擇FIS編輯器或隸屬函數編輯器中View菜單下的Edit Rule子菜單，或雙擊FIS編輯器中流程圖中的規則方框即可進入模糊規則編輯器主界面。以常用的二維模糊控制器為例，用戶可按照規定的書寫格式編寫模糊規則。見圖1。必須注意，在語言變量級數相同的情況下，規則的質量對控制品質起著關鍵作用。在許多情況下，雖然規則條數不多，但其質量較高，也可達到相當好的控制效果。

至此，一個模糊控制器已設計完畢。可以選擇FIS編輯器窗體主菜單中的View surface查看經模糊矩陣運算并解模糊化后的三維坐標圖;選擇主菜單中的view rules還可以對所設計的模糊控制系統進行仿真檢驗。用戶可將設計好的模糊控制器模型存盤，文件后綴為.fis。

二、基于MATLAB的模糊控制器的仿真

使用SIMULINK建立模糊控制器仿真模型。SIMULINK是MATLAB基于模型化圖形組態的控制系統仿真軟件，它使得一個復雜控制系統的數學仿真問題變得十分直觀而且相當容易，圖2是某型位置控制系統PID模糊控制器的SIMULINK仿真模型。

該模型通過三個模糊邏輯控制功能模塊調用上述FIS編輯器建立的控制規則進行運算仿真，輸入的量化因子及輸出的比例因子由各功能模塊前后的放大模塊仿真，這樣的模型，為湊試參數提供了方便。

在MATLAB命令窗口鍵入SIMULINK，即進入了SIMULINK環境。此時，系統提供給用戶兩個主界面:SIMULINK結構圖編輯界面和模塊庫。用戶拷貝模塊庫中的模塊到結構圖編輯器中，再將它們適當連接便構成自己的控制系統結構圖，然后即可用SIMULINK進行仿真，并可通過示波器模塊(Scope)觀察仿真曲線。

圖2中的FLC(Fuzzy Logic Controller)就是前面所設計的模糊控制器，此模塊可從模糊邏輯工具箱(Fuzzy Logic Toolbox)的模塊庫中“抓取”(即用鼠標右鍵拖動)。注意，仿真開始前必須將模糊控制器的．fis文件用“Save to workspace” 子菜單存入內存緩沖區， 然后將該文件名賦予FLC。這樣，設計好的模糊控制器以矩陣變量形式存入內存，供SIMULINK調用，以參與仿真。

從仿真結果看，模糊控制器不僅對被控對象參數變化適應能力強，而且在對象模型結構發生較大改變的情況下，也能獲得較好的控制效果。

三、結論

從實踐中體會到，利用MATLAB 設計模糊控制器并進行仿真，簡單快速， 直觀高效。MATLAB的功能強大，其工具箱已涵蓋控制系統、信號處理、神經網絡、小波分析、模糊系統、通信系統等各個領域，值得進一步推廣應用。利用MATLAB中的模糊控制邏輯工具箱設計模糊控制器靈活、方便、可視性強，并可在SIMULINK環境中非常直觀地構建各種復雜的模糊PID控制系統，觀察其控制效果。這樣就克服了工程實踐中的盲目性，為實際控制系統的設計與調試提供了理論參考依據。

參考文獻:

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注：本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內容請以PDF格式閱讀原文。