(完整版)智能控制-考试题(附答案)
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《智能控制》考试试题
试题1:
针对某工业过程被控对象:0.520()(101)(21)
s G s e s s -=++,试分别设计常规PID 算法控制器、模糊控制器、模糊自适应PID 控制器,计算模糊控制的决策表,并进行如下仿真研究及分析:
1. 比较当被控对象参数变化、结构变化时,四者的性能;
2. 研究改善Fuzzy 控制器动、静态性能的方法。
解:
常规PID 、模糊控制、Fuzzy 自适应PID 控制、混合型FuzzyPID 控制器设计 错误!未找到引用源。. 常规PID 调节器
PID 控制器也就是比例、积分、微分控制器,是一种最基本的控制方式。它是根据给定值()r t 与实际输出值()y t 构成控制偏差()e t ,从而针对控制偏差进行比例、积分、微分调节的一种方法,其连续形式为:
01()()[()()]t p d i de t u t K e t e t dt T T dt
=++⎰ (1.1) 式中,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。
PID 控制器三个校正环节中p K ,i T 和d T 这三个参数直接影响控制效果的好坏,所以要取得较好的控制效果,就必须合理地选择控制器的参数。
Ziegler 和Nichols 提出的临界比例度法是一种非常著名的工程整定方法。通过实验由经验公式得到控制器的近似最优整定参数,用来确定被控对象的动态特性的两个参数:临界增益u K 和临界振荡周期u T 。
用临界比例度法整定PID 参数如下:
表1.1 临界比例度法参数整定公式
5101520
2530354000.2
0.4
0.60.8
1
1.21.4
1.6
1.8Time(s)y (t )
05101520
25303540
00.5
1
1.5
Time(s)y (t )PID 0.6u K 0.5u T 0.125u T
据以上分析,通过多次整定,当 1.168p K =时系统出现等幅振荡,从而临界增益 1.168u K =,再从等幅振荡曲线中近似的测量出临界振荡周期 5.384u T =,最后再根据表1.1中的PID 参数整定公式求出:0.701, 2.692,0.673p i d K T T ===,从而求得:比例系数0.701p K =,积分系数/0.260i p i K K T ==,微分系数0.472d p d K K T ==。基此,可搭建如图1.1所示的PID 控制系统Simulink 仿真模型,仿真得到系统阶跃响应曲线如图1.2(a )所示。
图1.1 PID 控制系统Simulink 仿真模型
图1.2(a )(b) 临界比例度法整定的系统阶跃响应曲线
错误!未找到引用源。. 模糊控制器
由于模糊控制采用了模糊似人推理机制,所以其控制机理较传统的PID 控制更加接近于人工智能。一般地,一个完整的模糊控制系统结构如图1.3所示。下面基于MATLAB 模糊逻辑工具箱设计模糊控制器。
图1.3 模糊控制器的基本结构
1)论域及隶属度函数的建立
若取E 、EC 、U 的论域均为{}6,5,4,3,2,1,0,1,2,3,4,5,6------,其模糊子集都为{NB ,NM ,NS ,ZO ,PS ,PM ,PB}。
在MATLAB 中键入命令FUZZY ,进入模糊逻辑编辑窗口FIS Editor 。建立E 、EC 、U 的隶属度函数,有三角形、高斯形、梯形等11种可供选择,在此选常用的三角形(trimf )隶属度函数。图1.4为E 、EC 、U 的隶属度函数。
图1.4 E 、EC 、U 的隶属度函数
2)模糊控制规则及决策方法
控制规则是对专家理论知识与实践经验的总结,共有49条模糊控制规则,如表1.2所示。在Rules Editor 窗口中输入这49条控制规则,例如:if E is NB and EC is NS then U is NB 。
表1.2 模糊控制规则表 U
E
NB NM NS
ZO PS PM PB EC
NB NB NB
NB NB NM NS ZO
NM NB NB NM NM NS ZO ZO
NS NB NM NM NS ZO ZO ZO
ZO NM NS NS ZO PS PS PM
PS ZO ZO ZO PS PM PM PB
PM ZO ZO PS PM PM PB PB
PB ZO PS PM PB PB PB PB
模糊决策一般采用Mamdani(min-max)决策法。解模糊有重心法、等分法、最大隶属度平均法等5种可供选择,在此采用重心法(centroid)。根据以上规则和方法,设计出模糊控制器的输出与输入的关系曲面图,即得出模糊规则是一种非线性控制。
基此,可搭建如图1.5所示的模糊控制系统Simulink仿真模型,通过模糊控制器模块,可以和包含模糊控制器的fis文件联系起来,还可以随时改变输入输出论域,隶属度函数以及模糊规则,方便仿真和调试。经过多次整定,选取误差
E、误差变化率EC的量化因子及控制量U的比例因子分别为:
0.5,0.1,0.6
e ec u
k k k
===,仿真得到系统阶跃响应曲线如图1.6所示。
图1.5 模糊控制系统Simulink仿真模型
0510152025303540
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
1.4
T ime(s)
y
(
t
)
图1.6 模糊控制系统阶跃响应曲线
从图1.6可以看出,单纯的模糊控制器相当于非线性的PD控制,无积分作