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控制工程学院课程实验报告：智能控制 课程实验报告实验题目： 模糊控制器的设计与实现班级 姓名 学号 日期一、 实验目的及内容实验目的：1、掌握模糊控制器的设计方法；2、比较模糊控制器与常规控制器的优缺点；3、提高matlab 程序设计能力； 实验内容：1、针对一个被控对象，定义输入输出模糊变量及模糊控制规则；2、分析设计模糊控制器与常规控制器测出两种情况下系统的阶跃响应；3、比较分析实验结果。
二、 实验设备1、安装有Matlab 软件的pc 机；2、设定一被控二阶传递函数 三、 实验原理1、模糊控制原理：模糊逻辑控制又称模糊控制，是以模糊集合论，模糊语言变量和模糊逻辑推理为基础的一类计算机控制策略，模糊控制是一种非线性控制。
图一位常规的模糊控制设计模型图一 常规模糊控制系统原理图23S S 2S G 2++=）（针对模糊控制器每个输入，输出,各自定义一个语言变量。
因为对控制输出的判断，往往不仅根据误差的变化，而且还根据误差的变化率来进行综合评判。
所以在模糊控制器的设计中，通常取系统的误差值e 和误差变化率ec 为模糊控制器的两个输入，则在e 的论域上定义语言变量“误差E ” ，在ec 的论域上定义语言变量“误差变化EC ” ；在控制量u 的论域上定义语言变量“控制量U ” 。
通过检测获取被控制量的精确值，然后将此量与给定值比较得到误差信号e ，对误差取微分得到误差变化率ec ，再经过模糊化处理把分明集输入量转换为模糊集输入量，模糊输入变量根据预先设定的模糊规则，通过模糊逻辑推理获得模糊控制输出量，该模糊输出变量再经过去模糊化处理转换为分明集控制输出量。
2、PID 控制原理：在模拟控制系统中，控制器最常用的控制规律是PID 控制。
PID 控制器是一种线性控制器。
它根据给定值与实际输出值之间的偏差来控制的。
其传递函数的形式是：，PID 控制原理框图如图二所示。
式中p k ——比例系数；I T ——积分时间常数；D T ——微分时间常数。
第五章 交流伺服系统控制方式5.1 PID 控制简介PID 控制器具有通用性强与鲁棒性好的特点，所以在己有的各种控制手段中，它仍然占有重要地位。
常规 PID 控制器系统原理框图如图5－2 所示，系统主要由 PID 控制器和被控对象组成。
PID控制器原理框图PID 控制器是一种线性控制器，它根据给定值和实际输出值构成控制偏差，将偏差的比例、积分和微分通过线性组合构成控制量，对被控对象进行控制。
其控制规律为：⎰++=t D I p dtt de T dt t e T t e K t u 0])()(1)([)( 式中：e(t)=r(t)-c(t) ,p K 为比例系数，I T 为积分时间常数，D T 为微分时间常数。
由于计算机的发展，实际应用中大多数采用数字 PID 控制器，数字 PID 控制算法又分为位置式 PID 控制算法和增量式 PID 控制算法。
在这两种算法中，增量式 PID 有较大的优点：(1) 由于计算机输出增量，所以误动作时影响小。
(2) 手动/自动切换时冲击小，便于实现无扰动切换。
此外，当计算机发生故障时，由于输出通道或执行装置具有信号的锁存作用，故能仍然保持原值。
(3) 算式中不需要累加。
控制增量的确定仅与最近K 次的采样值有关。
所谓增量式PID 是指数字控制器的输出只是控制量的增量)(t u ∆。
当执行机构需要的是控制量的增量时，可由式导出提供增量的PID 控制算式。
根据递推原理可得式∑=--++=kj D j p k e k e K j e K k e K k u 0)]1()([)()()(∑-=---++-=-10)]2()1([)()1()1(k j D F p k e k e K j e K k e K k u用6.8减6.9，可得)]1()([)()()]2()1(2)([)()]1()([)(-∆-∆++∆=-+--++--=∆k e k e K k e K k e K k e k e k e K k e K k e k e K k u D I P D F p式中：)1()()(--=∆k e k e k e式6.10称为增量式PID 控制算法。
计算机控制课程设计一、课程目标知识目标：1. 让学生掌握计算机控制系统的基础理论知识，包括控制系统的组成、工作原理和性能指标；2. 使学生了解常见传感器的工作原理，并能运用所学知识分析传感器的选用原则；3. 让学生掌握计算机控制算法的基本原理，如PID控制、模糊控制等。
技能目标：1. 培养学生运用计算机编程软件（如MATLAB）进行控制系统仿真的能力；2. 培养学生设计简单的计算机控制系统硬件电路，并进行调试的能力；3. 提高学生运用所学知识解决实际计算机控制问题的能力。
情感态度价值观目标：1. 培养学生对计算机控制技术产生浓厚的兴趣，激发学生的学习热情；2. 培养学生具备团队协作精神，学会与他人共同探讨、分析和解决问题；3. 增强学生的创新意识，培养学生在面对实际问题时敢于尝试、勇于突破的精神。
分析课程性质、学生特点和教学要求：本课程为计算机控制技术的实践性课程，旨在培养学生的实际操作能力和创新能力。
学生处于高年级阶段，已具备一定的专业基础知识和实践能力。
教学要求注重理论与实践相结合，强调学生的动手实践能力和解决实际问题的能力。
二、教学内容1. 计算机控制系统概述- 控制系统基本概念- 控制系统发展历程- 计算机控制系统的优势与应用2. 控制系统硬件组成- 控制器硬件结构- 传感器及其接口技术- 执行器及其接口技术3. 计算机控制算法- PID控制算法原理- 模糊控制算法原理- 其他先进控制算法介绍4. 控制系统仿真与设计- MATLAB/Simulink软件介绍- 控制系统仿真模型搭建- 控制系统硬件设计及调试5. 实际案例分析与讨论- 典型计算机控制系统案例分析- 学生分组讨论实际控制问题- 创新性控制系统设计实践教学内容安排与进度：第一周：计算机控制系统概述第二周：控制系统硬件组成第三周：计算机控制算法第四周：控制系统仿真与设计第五周：实际案例分析与讨论教材章节及内容列举：第一章：计算机控制系统概述（涵盖教学内容1）第二章：控制系统的硬件与接口技术（涵盖教学内容2）第三章：计算机控制算法（涵盖教学内容3）第四章：控制系统的仿真与设计（涵盖教学内容4）第五章：计算机控制系统应用案例（涵盖教学内容5）三、教学方法本课程采用以下多样化的教学方法，以充分激发学生的学习兴趣和主动性：1. 讲授法：用于讲解计算机控制系统的基本概念、原理和算法等理论知识。
计算机控制技术课程设计一、教学目标本课程旨在让学生了解和掌握计算机控制技术的基本原理和应用方法。
通过本课程的学习，学生将能够：1.知识目标：理解计算机控制技术的基本概念、原理和特点；熟悉计算机控制系统的组成和分类；掌握常见的计算机控制算法和应用。
2.技能目标：能够运用计算机控制技术解决实际问题；具备分析和设计简单计算机控制系统的的能力。
3.情感态度价值观目标：培养学生对计算机控制技术的兴趣和好奇心，提高学生运用科学技术解决实际问题的意识。
二、教学内容本课程的教学内容主要包括以下几个部分：1.计算机控制技术概述：计算机控制技术的起源、发展及其在各个领域的应用。
2.计算机控制系统的基本原理：模拟计算机控制系统、数字计算机控制系统、混合计算机控制系统。
3.计算机控制系统的组成：控制器、执行器、传感器、反馈元件等。
4.计算机控制算法：PID控制算法、模糊控制算法、神经网络控制算法等。
5.计算机控制技术的应用：工业自动化、交通运输、楼宇自动化等。
三、教学方法为了提高教学效果，本课程将采用多种教学方法相结合的方式进行教学：1.讲授法：通过讲解计算机控制技术的基本概念、原理和特点，使学生掌握相关知识。
2.案例分析法：分析实际案例，使学生更好地理解计算机控制技术的应用。
3.实验法：让学生动手进行实验，培养学生的实际操作能力和解决问题的能力。
4.讨论法：学生进行课堂讨论，激发学生的思考，提高学生的表达能力。
四、教学资源为了支持本课程的教学，我们将准备以下教学资源：1.教材：选用国内权威出版社出版的计算机控制技术教材。
2.参考书：提供相关的计算机控制技术参考书籍，供学生自主学习。
3.多媒体资料：制作课件、教学视频等，丰富教学手段，提高教学效果。
4.实验设备：准备计算机控制系统实验装置，让学生能够实际操作，加深对知识的理解。
五、教学评估为了全面、客观地评估学生的学习成果，本课程将采用以下评估方式：1.平时表现：通过课堂参与、提问、讨论等方式，评估学生的学习态度和积极性。
目录摘要........................................................................ (1)1模糊控制简介................................................................................ .. (1)模糊控制方法的研究现状 (2)模糊控制的特色...........................................................................2模糊控制的研究对象 (3)模糊控制的展望............................................................................32模糊控制器的结构与工作原理 (4)根本结构与构成............................................................................4一般模糊控制器各主要环节的功能 (4)隶属函数的确定原那么和根本确立方法 (5)模糊条件语句与模糊控制规那么 (6)模糊量的裁决方法 (6)模糊控制规那么的设计和模糊化方法 (8)解模糊化.......................................................................... (8)3模糊控制器的设计................................................................................94对于模糊(及智能)控制理论与技术展开的思虑 (11)参照文件.................................................................................. (12)摘要纲要：本文主要介绍了模糊控制系统的研究现状、特色，以及模糊控制器的结构与工作原理。
基于模糊控制理论的变步长MPPT 分析摘要：光电转换效率低是光伏发电的一个突出问题，为提高光伏电池转换效率国内外学者提出了多种最大功率点跟踪方法，归纳起来有：非自寻优和自寻优两大类型。
其中非自寻优类型主要有功率数学模型法，自寻优方法主要有恒压法，扰动观察法，电导增量法等。
然而这些方法存在以下不足：功率数学模型法的跟踪精确度主要取决于采样点的分布算法复杂；恒压法的控制精度低只适于温度变化较小的环境；扰动观察法在稳态时有波动无法兼顾跟踪速度与精度；电导增量法对传感器的要求较高，在工程上不易实现。
模糊控制是一种典型的智能控制技术，它把专家经验和知识表示为语言规则来用于控制"不依赖于被控对象精确的数学模型"能够克服非线性的影响，本文基于电导增量法原理和模糊控制技术提出了一种基于变结构模糊控制的最大功率点跟踪方法。
关键词：最大功率点跟踪 ；变结构模糊控制 ；隶属度函数； 稳态误差1引言MPPT 控制的原理实质上是一个动态自寻优过程，通过对光伏电池当前输出电压与电流的检测，得到当前电池输出功率，将其与前一时刻功率相比较，然后根据功率与占空比的关系，改变占空比，使其向最大功率点不断靠近，如此反复，直至达到最大点附近的一个极小区域内。
当外界光照强度与温度发生明显改变时，系统会进行再次寻优。
从上图中可知，改变脉宽调制信号(Pulse Width Modulation ,PWM)的占空比D ，实质上是改变了光伏电池的负载。
也即使光伏电池的输出功率点发生改变，从而达到寻找最大功率点的目的。
光伏电池的负载R 。
与负载R 和占空比D 的关系式为:D R R l /MPPT 控制器通过调整PWM 信号的占空比D 来改变光伏电池的负载，从而实现阻抗匹配的功能。
因占空比D 的大小决定了光伏电池输出功率P 的大小，一般光伏逆变器的P- D 关系如图3所示。
2扰动控制方法在光伏发电系统中，扰动观察法是一种经常被使用的MPPT控制方法。
扰动观察法是通过检测太阳能电池板输出功率的变化方向，来确定减少还是增加太阳能电池板的输出电压，进而确定下一时刻的控制信号。
扰动观察法的算法采用的是反馈方式，由电流和电压传感器来检测太阳能电池板的输出电流和输出电压，通过计算得出电池板的输出功率，这种方法算法简单且易于实现，通常情况下采用扰动观察法的光伏发电系统，电池板的输出功率将会在最大功率点附近工作。
传统的扰动观察法的具体工作原理如下:光伏发电系统的控制器通过各个时刻对太阳能电池板的输出电压进行调整，其电压调整值(步长)是一定的，电压调整可以是减小也可以是增加，这种调整过程通常称之为“干扰”;对输出电压进行调整后，通过电压和电流传感器对电池板的输出功率进行检侧，如果功率的增量>0，则表明电压调整方向是正确的，可继续按照原来的方向“干扰”电压;如果功率的增量<0，则表明电压调整方向是错误的，此时应改变原来的方向继续“干扰”电压。
下图为扰动观察法原理示意图，当电池板的输出电压增大时，若电池板的输出功率也增大，则电池板的实际工作点位于最大功率输出点Pmax的左侧，这时需要继续增大电池板输出电压;若电池板的输出功率减小，则电池板的实际工作点位于最大功率输出点Pmax的右侧，这时需要减小电池板输出电压。
反之，当电池板的输出电压减小时，若电池板的输出功率增大，则电池板的实际工作点位于最大功率输出点Pmax的右侧，这时需要继续减小电池板输出电压;若电池板的输出功率减小，则电池板的实际工作点位于最大功率输出点Pmax、的左侧，这时需要增大输出电压。
通过以这种条件选择方式的调整，光伏电池板的输出功率就会朝着最大功率点方向移动，并最终在最大功率点附近来回振荡。
3变步长扰动观察法由扰动观察法的控制原理可知其控制流程下图所示。
在扰动观察法中，“干扰”的步长决定着MPPT的快速性和准确性，因此只有选用合适的步长，才能达到较好的跟效果。
本文在扰动观察法的基础上，采用变步长方式在不同的采样点改变不同大小的占空比变化量D，通过方便调节新型交错反激逆变电路DC/DC 环节功率管的占空比，提高MPPT 的快速性和稳定性。
由太阳能电池板的P-V 特性曲线可知:011>∆∆∙∆∆--k k k k U P U P 工作点在最大功率点两侧; 011<∆∆∙∆∆--k k k k U P U P 工作点在最大功率点附近。
当外部环境发生微小变化时，功率的变化量DP 也比较小，即使扰动量D 较小，仍能使输出功率稳定到MPP 附近;当外部环境发生较大变化时，功率的变化量DP 较大，导致系统的输出功率离MPP 较远，这时小的扰动量△几不能满足系统快速跟踪的要求，应采用较大的扰动量D ，以使系统快速跟踪到MPP 由此可得MPPT 控制流程图，如图所示。
4基于模糊控制的变步长MPPT 法在第2部分中对扰动观察方法的原理进行了分析和阐述，第3部分对变步长扰动观察法的判定规则进行了说明，参考两者进行的扰动观察法的原理，取目标函数为光伏电池的输出功率，控制量为用来控制开关管的 PWM 信号的占空D 。
模糊自寻优控制器的第 n 时刻的输入量为第 n 时刻的功率变化量和第 n-1 时刻的占空比步长值，第 n 时刻的输出量为第 n 时刻的占空比步长值。
下图为控制原理框图。
具体设计流程如下:由于光伏电池输出具有高度的非线性性，选用Mamdani型模糊系统，选择“交”方法为min;“并”方法为max;推理方法为min;聚类方法为max;解模糊的方法采用重心法.将语言变量dP/dU和△dP/dU分别定义为5个模糊子集，DD Cn一1)定义为3个模糊子集，即dP/dU={NB，NS，Z，PS，PB};△dP /dU ={NB，NS，Z，PS，PB};DD (n一1)={N，Z，P}。
其中NB ,NS ,Z ,PS }PB ,N ,P分别表示负大、负小、零、正小、正大、负、正等模糊概念.并将它们的论域规定为:[-6 6]光伏电池在最大功率点两侧的特性是不对称的，根据这种特性，考虑将隶属函数相应地改为不对称型的，距离最大功率点远的地方选择梯形作为隶属函数的形状，距离最大功率点近的地方选择三角形作为隶属度函数的形状.模糊规则建立依据是光伏电池的输出功率能否快速达到给定的要求范围.应用IF A AND B AND C THEN D模糊规则.通过对光伏电池输出P-U特性曲线分析，并且考虑到温度、光照等环境因素对光伏电池输出功率的影响，模糊规则的制订必须满足以下原则:1)据dP/du及△dP/du的大小和方向调节D。
若dP/du较大且为正值，odP/du也为较大正值，说明当前功率点离最大功率点较远，且正以较大速率向最大功率点靠近，则将步长调整为较大的正值，否则取相反方向。
2)考虑△D (n一1)的方向变化.当△D(n一1)为正值，dP/dU较大正值，而△dP/dU为较大负值，说明温度、日照强度等因素发生剧烈变化，导致光伏电池作出远离最大功率点的错误反应，应继续维持原扰动方向，避免误判的发生。
5MATLAB的模型建立基于Matlab/Simulink平台，建立了定步长扰动观察法和变步长扰动观察法的模型，如图所示。
模型的1输入端口为设定的占空比，2和3输入端口分为电池板输出的输出电压与电流，输出为调节后的占空比。
对步长的大小进行不同的设定，该模型可以实现定步长扰动观察法和变步长扰动观察法的控制。
首先我们建立一个光伏电池的模型结构，这里我们将这个模块设计成子模块的形式，下面的图形的子模块的打开情况。
这里光伏电池的模块输入我们设计为两个参数的输入，一个温度输入和一个光照强度输入，这里温度输入的输入模块选择使用的事一个随机数发生器，但是这里需要对数据的输入大小做一些修改，这里首先使用的是一个加和模块，将我们常用的摄氏温度改变为热力学温度，温度之间的变化差值为275，这里使用一个常数模块就可以达到这个单位换算的要求，然后我们要对随机数发生器模块做一些上下限的限制，这里使用的是Saturation 模块，这个模块可以设置输入数值的上限和下限约束，是一个非常优化的离散函数设计。
我们这里假设的日常温度数据就是0-40，所以这里可以设计上下限的275-315。
光照强度按照同样的思路来设计，这里常用的光照强度范围为：1000-1500。
所以这里实际上可以这样认为这个设计方式，随机函数只是产生一个变量的大小，实际输出值是按照变量的大小添加基础标准量来完成设计的。
这个子模块建立完成以后，我们来设计后续的直流变压模块。
这里选择的直流变压模块为BOOST电路，其基本的模型是从原来设计的电池模块上取出输出的两个端口，进行升压变换。
起对应的设计模型如下。
这里的两个模块中MOSFET 管和二极管都可以在M接口处设计一个测量单元用于测量流过的电流的大小，但是这里没有这个要求，所以这个地方没有添加对应的测量期间。
这里还没有引入逻辑控制单元的输入条件，这里的两个条件是电流和电压条件，所以这里需要用到子模块的一个输出问题，这个地方不再使用新的子模块的形式。
这个地方的电压环节比较好取出，但是电流环节就需要使用新的模块期间来取出。
这里设计一个模糊控制器，对其输入关系量做一个调整和界定，而后我们在后续的模型设计环节中才能借助模糊控制单元的名称使用上这个模糊控制块。
模糊判决的基本原理有二条，一是最大隶属原则，二是择近原则，这两条基本原理把模糊判决的方法分为直接方法和间接方法两种，最大隶属原则是模糊判决直接方法的基础，而择近原则是模糊判决间接方法的基础。
当等级值E取论域中的任一值，并与等级值EC取相应论域中的任一值相组合时，就得到一种判决结果，将所有的判决结果汇总就构成模糊控制总控制表。
模糊控制器的调用和普通模块的调用感觉流程上是不同的，模糊控制器必须要进行模糊文件的建立，在你的模型中线加入模糊控制器，在模糊控制器的选项中输入你想要调用的模糊控制器的文件，所以建立文件时第一要做的。
输入的2组变量都分成5个区段，每个区段按照间隔1来进行区分，有一个输出量，将这个输出量的变动时间给于到上一级回路的MOSFET管上来控制对应的变压时间。
在完成这个fuzzy的文件编写后，选择export file来保存文件，之后再模型中进行调用。
结论基于光伏电池的最大功率点跟踪的电导增量法和模糊控制技术提出了一种新的最大功率点跟踪方法，该方法采用了非对称的输出隶属度函数和具有PID功能的变结构模糊控制"有效地减小了在最大功率点处的输出波动。
