南昌理工学院实验报告
二O二一 年 月 日
课程名称：自动控制理论 实验名称：模糊方法实现电热箱的闭环控制实验
班 级： 姓名： 同组人：
指导教师评定： 签 名：
【一、实验名称】
模糊方法实现电热箱的闭环控制实验
【二、实验目的】
1.学习由已知对象建立一个双入单出模糊控制器;
2.掌握利用模糊控制器实现温度控制的方法。
【三、实验内容和原理】
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微机数字控制。它能模拟人的思维,构成一种非线性控制,以满足复杂的、不确定的过程控制的需要,是一种典型的智能控制。模糊控制系统类似于常规的微机控制系统,如下图所示:
图1模糊控制系统的构成图
2.输入输出接口:完成A/D, D/A 转换,电平转换,信号采样与滤波。
3.广义对象:包括被控对象与执行机构,被控对象为复杂的工业过程,可以是线性的或非线性的,也可能存在各种干扰,是模糊的、不确定的、没有精确数学模型的过程。
4.测量元件传感器:它将被控对象输出信号转换为相应的电信号,测量元件的精度往往直接影响控制系统的精度。
【四、实验条件】
微型计算机一台 ，TD-ACC系列教学实验系统一套。
【五、实验过程】
模糊控制器最常用的都是二维的,其输入变量有两个(X1,X2),输出变量只有一个(Y)。在实际控制系统中,X1一般取为误差信号,X2一般取误差的变化,由于同时考虑到误差和误差变化的影响,所以才能保证系统稳定,不致于产生振荡。模糊控制系统的方框图如下图所示:
图2模糊控制系统结构框图
图中,E为实际误差,EC为实际误差变化,U为控制量。下面就以电热箱为控制对象,介绍双入单出模糊控制器的设计。
1.模糊控制器设计
(1)模糊化
误差E∈[-30°C,230°C],且L＝7,误差的比例因子α=7/230,这样就有E=α·E。采用就近取整原则,得E的论域为:X={-1,0,+1,+2,+3,+4,+5}。
而误差的语言变量在论域X中有7个语言值,即:
含义:正大大大正大大正大正中正小零负小
符号:PBBB PBB PB PM PS ZO N S
误差变化EC∈[0°C,9°C],且L＝6,误差的比例因子β=6/9,这样就有EC=β·EC。同样得到EC的论域为:EC={0,+1,+2,+3,+4,+5}。
符号:ZOPSPMPBPBPBBB
输出量U的基本论域为:U={7fH,66H,4dH,34H,19H,00H}。
符号:ZOPSPMPBPBPBBB
(2)模糊控制表
表1模糊控制系统结构框图
为便于控制,使系统在微机实时控制中在线运行,可事先对各种误差和误差变化用微机离线计算好一个控制表,如上表所示。按测量输入的误差(E)和误差变化(EC),查模糊控制表就可输出控制量(U),完成控制温度的任务。模糊控制器里的模糊控制规则表是基于手动操作经验来建立的,而另一个与模糊控制表有关的还有模糊化接口和清晰化接口,也即误差(E)、误差变化(EC)、控制量(U)三个变量的论域的设定。这些都需要通过不断的做实验,从实验中找到反馈值和控制量之间的关系和规律,才能找到比较合适的论域。
2.模糊控制器实验线路图设计
参照图2的模糊控制系统框图,设计如下图所示的实验线路图:
图3模糊控制器实验线路图
以8088控制机中的8255 PB0口输出的PWM脉冲信号为控制量,经驱动电路驱动固态继电器的吸合使电烤箱加热。温度测量使用了10K热敏电阻,经A/D转换构成反馈量,在参数给定的情况下,经双入单出模糊控制器,由误差(E)、误差变化(EC)查找模糊控制规则表得到相应的控制量,使烤箱温度稳定在给定值。其中OPKLK为1.1625MHz时钟信号,经8253的2号通道分频输出10ms的方波,一方面作为A/D的定时 启动信号,一方面接入8259产生IRQ6中断,作为系统采样时钟。
3.模糊控制器的实现下图是模糊控制器实现的参考程序流程图:
图4参考程序流程图
主程序主要完成系统初始化、查表 并输出控制量等功能;IRQ7中断子程序是为了处
理A/D转换完 后产生的中断;IRQ6中断子程序是为 了给 采样 周期 计时,并且每一次中断产生一次PWM脉冲。
【六、实验结果】
1.参考流程图编写程序,汇编、链接、装载;
2.按照图3接线,检查接线无误后,运行程序;
3.用系统提供的专用图形显示窗口观察响应曲线,记录超调和过渡时间。
【七、实验结果分析、讨论】
本次实验是在室温环 境下进行的,其中电 烤箱预设温度为100ºC(64H),起始 温度为 室温。根据实验现象可以看出,模糊控制在控制大滞后系统时比常规PID控制的效果要好。一个方面是被控对象是一个大滞后 系统,所以在控制量发生改变时,被控对象不能立即表现出来,它要经过一段时间才能对上一个控制量作出反应;另一个方面常规PID的控制是一种线性控制,在PID算法中,它的 积分项是一个误差累加 值,当系统误差为零或为负值时,虽然积 分项的值开始 下降,但在误差为正值时,积分项可能已经累加 到了一个 很大的值,这使得 积分项的值不能 很快地减下来,因而在控制上就出现了惯 性,因此当 误差为零或为负值时,控制量不可能很快为零或为负值,系统则出现了超调和调整时间过长。当积分项累加值大过一定值时,系统则还会出现积分饱和现象,系统将振荡下去而不稳定。
【八、实验结论】
模糊控制是模拟人的思维,是一种非线性控制,它的输出量是阶跃 的,因而在控制方面不存在惯性和滞后问题。因为没有误差的累加,模糊控制系统也就不会出现积分饱和现象。
南昌理工学院实验报告
二O二一 年 月 日
课程名称：自动控制理论 实验名称：单神经元自适应闭环控制实验
班 级： 姓名： 同组人：
指导教师评定： 签 名：
【一、实验名称】
单神经元自适应闭环控制实验
【二、实验目的】
1.掌握单神经元控制器的设计方法;
2.观测单神经元控制器对时变对象系统的自适应控制能力。
【三、实验内容和原理】
单神经元的数学模型由三部分组成:加权加法器、线性动态系统和非线性函数,如下图所示。Xi是神经元的输入,Wi是加权系数(或连接强度),Vi是加权加法器的输出,U是单神经元的输出。
图1单神经元的数学模型
神经元的学习过程就是为了获得期望的输出而不断地调整权值,权值的修正采用学习规则。
【四、实验条件】
PC机一台,TD-ACC系列教学实验系统一套。
【五、实验过程】
修改除法错中断的中断服务程序，当发生除法错时，在屏幕的中间显示1.单神经元控制器设计
图2是一个典型的单神经元控制器方框图:
图2单神经元控制器结构图
2.实验线路图设计根据图2所示的单神经元控制器方框图,实验电路原理图及接线图可设计为:
图3单神经元实验线路图
这里,系统误差信号E通过A/D转换单元IN7端输入,计算机用8253定时器2来作为基准时钟(初始化为10ms),定时采集IN7端的信号,并通过8259的IRQ7中断8088控制机的运行,从8255A口读入信号E的数字量,并将采样值进行计算,分别求得X1、X2、X3并进行自适应算法学习,把得到的控制量直接送到D/A转换单元,在OUT端输出相应的模拟信号,控制对象系统。
3.参考流程图设计
参照单神经元控制器线路原理图(图3),程序的参考流程图如下:
图4单神经元程序参考流程图
参考程序中规定采样周期T及学习速率P1,P2,P3的取值范围为:
控制器中的参数可遵循如下的调节规律:
(1)初始加权系数W1(0)、W2(0)、W3(0)可以任意选取,参考程序中全部取为0100H;
(2)一般K值偏大将使系统响应超调过大,K值偏小使过渡过程时间加长,参考程序中K值取为1;
(3)学习速率的选择:由于采用了规范化学习算法,学习速率可以取得较大,同时此神经元控制器具有PID特性,学习速率的选择和PID参数的选择相似。若过渡过程时间太长,可增加η1和η3,若响应曲线下降低于给定值后又缓慢上升到稳态的时间太长,则减小η1。
【六、实验结果】
1.单神经元闭环控制器实验
(1).参考流程图编写单神经元控制器程序,汇编、链接、装载到控制机中;
(2).按照实验线路图接线,调节信号源使其输出幅值为2V,周期6S的方波;
(3).检查无误后运行程序,用示波器观察输入端R和输出端C。若系统性能不太好,根据实验现象改变相应的学习速率直到满意为止,并记下此时的响应曲线;(4).当响应曲线稳定后,断开“ST”和“S”端,使被控对象处于不锁零 的状态;此时 去掉被控对象中的10μF的电容(改变对象的时间常数),观察并记录此时的响应曲线。
2.常规数字PID闭环控制器实验
(1).编写数字PID控制器程序,汇编、链接、装载到控制机中;
(2).按照单神经元闭环控制器实验步骤2～4进行操作。
参考程序中部分参数取值范围:
【七、实验结果分析、讨论】
【八、实验结论】
从实验结果可以看出:
在系统开始阶段,数字PID控制的响应曲线超调和调节时间较小,这是由于数字PID控制器的参数是经过反复 实验调 试的结 果,而单神经元控制器的参数需要一定的时间进行自学习。当对象时间常数发生变化后,尤其是较大的时常改变(例如实验中去掉10μF的电容),数字PID控制器的参数已经不能适应对象的改变,此时出现了系统不稳定现象。单神经元控制器实质上是一个变系数的PID复合控制器,而且学习算法是自适应的,所以本质上是非线性的;当被控对象由于外部条件而发生变化时,单神经元控制器可以通过自适应学习算法来改变当前的参数,因此它比常规PID控制器具有更好的鲁棒性、自适应性。