(完整版)智能控制-考试题(附答案)

《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