基于Matlab的房间温度模糊控制系统仿真技术研究[毕业论文]

机电设计毕业论文:模糊控制系统仿真技术研究含毕业论文

基于Matlab的房间温度模糊控制系统仿真技术研究[毕业论文]

摘 要

自动控制理论经历了经典和现代控制理论两个阶段后，模糊控制作为一种新颖的智能控制方式，它是从人类智能活动的角度和基础上去考虑实施控制的，可以实现对那些难以建立精确数学模型的控制系统进行有效的控制，经过半个多世纪的发展，现在已广泛应用于社会生活的各个领域。本论文的主要工作就是对模糊控制系统的设计及仿真进行研究，本文对模糊控制及仿真技术的概念、特点、发展及应用进行了论述，简述了模糊控制的基本理论。在此基础上，详细介绍了模糊控制系统的系统组成和基本工作原理。同时，阐述了模糊控制器的结构和基本设计方法。进而利用模糊控制实现对房间温度控制的系统设计和MATLAB仿真。最后，通过仿真结果进而对模糊控制系统进行改进。

关键词 模糊控制 隶属函数 模糊控制算法 系统仿真 MATLAB

Title the reasearch of the fuzzy control system’ technique of emulation

Abstract

After Automatic control theory experienced two phases of classic and modern theories，fuzzy control, as a novelty intelligent control way，considers the practice of control from the angle and foundation of human intelligent activities, It can realize the efficient control of some control system which are hard to form the specific mathmatic model，with a development period of more than a half century，it is widely used in various social lives. The thesis' main job namely is to do reasearch in fuzzy control system’ designation and emulation, It also illustrates fuzzy control and techniques of emulation’s notion, point, development and application , giving a brief introduction of fuzzy control’ elementary theories, on the foundation of which it introduces fuzzy control system’s elements and basic working principles in details. Meanwhile, it illustrates fuzzy control engine’s construction and its basic designing methods . To be futher, utilizing the fuzzy control to realize the system design of the room temperature control and the emulation of MATLAB. At last, improving fuzzy control system through the medium of emulation with the result.

Keyword: fuzzy control subjection function fuzzy control arithmetic System simulation MATLAB

目 次

1 引言………………………………………………………………………………1
1.1 模糊控制系统的发展史………………………………………………………1
1.2 国内外研究现状及其发展趋势………………………………………………2
2 模糊控制系统的基本理论………………………………………………………3
2.1 模糊控制的概念和特点………………………………………………………3
2.2 模糊控制的数学基础…………………………………………………………4
2.3 模糊控制系统的基本原理……………………………………………………6
3 模糊控制系统的设计……………………………………………………………11
3.1 模糊控制器的结构分析………………………………………………………12
3.2 常规模糊控制器的设计………………………………………………………13
3.3 房间温度控制系统的模糊控制器设计………………………………………15
4 模糊控制系统的仿真……………………………………………………………17
4.1 控制系统仿真概述……………………………………………………………17
4.2 房间温度控制系统的MATLAB仿真及性能的改善……………………………18
结论 …………………………………………………………………………………25
致谢 …………………………………………………………………………………26
参考文献 ……………………………………………………………………………2

1 引言

自动控制理论至今已有将近一个世纪的发展历史，经历了经典和现代控制理论两个阶段发展后，正促使人们致力于20世纪70年代开始的智能控制理论研究。它是在人工智能学科基础上，对控制理论研究在深度和广度上的开拓。实现智能控制的主要方法有:模糊控制、专家系统控制、神经网络控制和以上三种控制以及其它控制方法的集成控制。

20世纪 90年代以后，智能控制的研究势头异常迅猛，智能控制的应用研究领域由工业过程控制扩展到军事、航天等高科技领域和日用家电领域。日前，人工智能控制技术已经广泛地应用在模式识别、系统控制、专家系统、信号处理等方面。

1.1 模糊控制理论的发展史

以往各种传统控制方法均是建立在被控对象的精确数学模型之上的， 随着科学技术的迅猛发展，各个领域对自动控制系统精度、响应速度、系统稳定性、自适应能力的要求越来越主高，所研究的系统也日益复杂多变。然而，在许多情况下被控对象的精确数学模型很难建立。人们期望探索出一种简便灵活手段和处理方法，并为此进行了种种尝试。结果发现一个复杂的传统控制理论似乎难以实现的控制系统，却可以由一个操作人员凭借丰富的实践经验得到满意的控制结果。例如，任何一个经过训练的人都可以骑车自如地穿过人群，却难以对这中极为复杂的动力学问题使用精确的数学模型进行控制。因为人脑的重要特点之一就是有能力对模糊事物进行识别与判决，看起来似乎不确切的模糊手段常常可以达到精确控制的目的。操作人员是通过不断学习、积累操作经验来实现对被对象进行控制的，这些经验包括对被控对象的特征的了解、在各种情况下相应的控制策略以及性能指标判据。这个例子给我们带来启示，吸收人脑的这种特点，模拟人的思维方法，把自然语言植入计算机内核，使计算机具有活性和智能。模糊逻辑控制就是使计算机具有活性和智能的一种新颖的智能控制方法。

美国控制理论专家扎德(L.A.Zadeh)教授于 1965年首先提出了模糊集合的概念，开创了模糊数学及其应用的新纪元。1973年，扎德继续丰富和发展了模糊集合论，提出了一种把逻辑规则的语言转化成相关控制量的思想。从而为模糊控制的形成奠定了理论基础。模糊集合理论的诞生，为处理客观世界中存在的模糊性问题，提供了有力的工具。同时，也适应了自适用科学发展的迫切需要。正是在这种背景下，作为模糊数学的一个重要分支的模糊控制理论便应运而生了。

模糊理论在控制领域的运用开始于1974年，英国科学家曼丹尼（E.H.Mamdani）首次将模糊数学理论进行蒸汽机和锅炉控制中，开辟了模糊理论运用的新领域。这一开拓性的工作，标志着模糊控制论的诞生。1975年以后，产生了许多模糊理论运用的例子。其中比较典型的有：热交换过程的控制、暖水工厂的控制、污水处理过程的控制、交通路口的控制、水泥窑的控制、飞船飞行的控制、汽车速度的控制、机器人的控制、电梯控制及家电产品的控制，并且生产出了专用的模糊芯片和模糊计算机。从1979年，我国也开展了模糊控制理论及其应用方面的研究工作。

1979年至今，是发展高性能模糊控制的阶段，研究范围从单纯的模糊数学到模糊理论应用，模糊系统及其硬件集成。与知识工程和控制有关的研究有：模糊建模理论、模糊系列、模糊识别、模糊知识库、模糊语言规则、模糊近似推理等。

最近几年，对于经典模糊控制系统稳态性能的改善，模糊集成控制、模糊自适应控制、专家模糊控制与多变量模糊控制的研究，特别是针对复杂系统的自学习与参数或规则自调整模糊系统方面的研究，尤其受到各国学者的重视。目前，将神经网络和模糊控制技术相互结合，取长补短，形成一种模糊神经网络技术，由此可以组成一组更接近人脑的智能信息处理系统，其发展前景十分诱人。

1.2 国内外研究现状及其发展趋势

自20世纪80年代后期开始，模糊控制进入了实用化阶段，并且其应用技术逐渐趋向成熟，运用面也逐渐扩展，国外以日本、美国等国尤为突出。主要反映在：

1）模糊控制应用技术已扩展到大众化机电产品，如以电视摄像机自动聚焦等家用电器的应用为对象。据日本电气公司（NEC）在20世纪末统计，松下、三菱、东芝等公司在空调机、全自动洗衣机、吸尘器等高档电器上普遍应用了模糊控制技术，其普及率超过50%，有的已高达80%。