基于MATLAB的模糊邏輯控制系統(tǒng)設(shè)計

摘要：詳細闡述了模糊邏輯控制系統(tǒng)中隸屬度函數(shù)與模糊規(guī)則的建立以及MATLAB模糊控制器的建模與仿真方法。另外，通過洗衣機控制實例介紹了MATLAB模糊控制器的實現(xiàn)方法與進行可視化操作和模糊控制器設(shè)計的流程。

關(guān)鍵詞：MATLAB;模糊控制;仿真

0? ? 引言

MATLAB軟件是一款廣泛應(yīng)用于工程設(shè)計、自動化控制、信號與圖像處理、金融財務(wù)分析建模等領(lǐng)域的數(shù)學計算建模軟件，使用更加貼近目前電腦用戶熟悉的Windows的標準界面與視窗環(huán)境，來實現(xiàn)函數(shù)運算數(shù)值分析、數(shù)據(jù)信號的界面可視化、非線性動態(tài)系統(tǒng)的建模仿真及其他編程軟件的接口等專業(yè)功能，為眾多的專業(yè)領(lǐng)域提供強大的工具箱與模塊集。

1? ? 模糊邏輯控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

模糊控制系統(tǒng)是一種在模糊或非模糊推理規(guī)則中處理模糊信息的工具，其關(guān)鍵部分是“行為規(guī)則集”及“模糊推理算法”[1]。性能評價指標是用來衡量控制系統(tǒng)算法的好壞，因此，選擇一個客觀合理的系統(tǒng)性能評價指標對于判斷控制算法的效果比較重要。本文將利用洗衣機的模糊控制設(shè)計，進行模糊邏輯控制系統(tǒng)的整體研究。如圖1所示，在影響洗衣機性能的系統(tǒng)指標中，選取兩個基本參數(shù)“污泥含量”和“油脂含量”作為二維模糊控制器的輸入?yún)?shù)，洗滌時間為輸出參數(shù)。

2? ? 模糊控制器設(shè)計

在MATLAB模糊邏輯工具箱中包含trapmf型、gaussmf型、trimf型等11種隸屬度函數(shù)類型，在工具箱給出的函數(shù)類型之外也可以自行設(shè)計能夠滿足用戶不同需求的函數(shù)類型。

2.1? ? 隸屬度函數(shù)建立

本文根據(jù)建立的洗衣機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)定義相應(yīng)的控制器輸入/輸出參數(shù)模糊集和隸屬度函數(shù)。隸屬度函數(shù)的取值范圍必須滿足[0，1]的區(qū)間，函數(shù)方式可分為數(shù)值描述方式（論域為離散型）和函數(shù)描述方式（論域為連續(xù)型）。

（1）根據(jù)洗衣機洗滌衣物的輸入變量污泥x[0，100]，將污泥模糊集細分為少、中、多三種類型，分別用SD、MD、LD表示。

U污泥=USD（x）=（50-x）/50? ? ? ?0≤x≤50UMD（x）=x/50? ? ? ? ? ? ? ? ?0≤x≤50UMD（x）=（100-x）/50? ? 50

（2）根據(jù)洗衣機洗滌衣物的輸入變量油脂y[0，100]，將油脂模糊集細分為無、中、多三種類型，分別用NG、MG、LG表示。

U油脂=UNG（y）=（50-y）/50? ? ? ?0≤y≤50UMG（y）=y/50? ? ? ? ? ? ? ? ?0≤y≤50UMG（y）=（100-y）/50? ? 50

（3）根據(jù)洗衣機洗滌不同衣服所使用的輸出變量洗滌時間z[0，60]，將變量z細分為時間很短、短、中、長、很長五種類型，分別用VS、S、M、L、VL表示。

U洗滌時間=UVS（z）=（10-z）/10? ? ?0≤z≤10US（z）=z/10? ? ? ? ? ? ? ? ?0≤z≤10US（z）=（25-z）/15? ? ? 10

2.2? ? 模糊控制規(guī)則建立

在MATLAB模糊邏輯工具箱中，模糊控制規(guī)則用if-then的形式來表示，比如為“if x is A then y is B”，這里A和B是模糊集合分別定義在某一范圍內(nèi)的語言值。

洗衣機洗滌衣服所使用的時間長短可以根據(jù)人們的生活常識與實際經(jīng)驗得出基本規(guī)律，我們可以總結(jié)出洗滌不同衣物時應(yīng)滿足的要求：污泥和油脂含量越多，洗滌時間越長;污泥和油脂含量適中，洗滌時間適中;污泥和油脂含量越少，洗滌時間越短[2]。根據(jù)這個規(guī)律，建立如表1所示模糊集的模糊控制規(guī)則。

2.3? ? 模糊控制器仿真

我們根據(jù)洗衣機的控制規(guī)則，在MATLAB中建立一個2Input-1Output類型的fuzzy模糊控制結(jié)構(gòu)，其輸入、輸出變量分別為污泥x、油脂y、洗滌時間z。模糊控制器的輸出量洗滌時間z是根據(jù)我們設(shè)定的模糊控制規(guī)則得出的模糊集合，利用對洗滌時間z的反模糊化的重心法求出一個z變量的固定數(shù)值。

輸入/輸出采用trimf三角形隸屬度函數(shù)模糊化及推論規(guī)則輸入至MATLAB，并使用可視化仿真工具（Simulink）建立模糊控制仿真模型，根據(jù)不同情況生成仿真結(jié)果。以污泥和油脂為（50，50）為例，洗衣機的洗滌時間仿真結(jié)果輸出為25.2，我們也可以輸入不同的污泥與油脂含量進行驗證。

3? ? 結(jié)語

本文在MATLAB函數(shù)仿真中，針對影響洗衣機洗滌時間的兩個模糊輸入量污泥和油脂，選用模糊描述和模糊規(guī)則推理的方法建立了洗滌時間的模糊控制系統(tǒng)，仿真求出的洗滌時間z數(shù)值基本吻合了人們的日常經(jīng)驗和習慣。這種模糊控制算法與傳統(tǒng)控制方法比較更具智能化和節(jié)能性的優(yōu)勢，表明模糊控制能夠使家用電器更加高效與節(jié)能。

[參考文獻]

[1] 章衛(wèi)國，楊向忠.模糊控制理論與應(yīng)用[M].西安：西北工業(yè)大學出版社，2009.

[2] 王學智.模糊控制在全自動洗衣機中的應(yīng)用[J].科技廣場，2017（2）：68-70.

收稿日期：2020-01-09

作者簡介：李根（1990—），男，山東德州人，碩士，研究方向：電氣測量與控制。