Разработка виртуальной модели управления в среде MATLAB: Методические указания к выполнению лабораторной работы

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ТОМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

УТВЕРЖДАЮ Декан АВТФ _______Ю.С.Мельников “__”____2002 г.

ВИРТУЛЬНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ В СРЕДЕ MATLAB

Методические указания к выполнению лабораторной работы по курсу “Компьютерные системы ввода\вывода и отображения информации” для студентов специальности “Механотроника и международный инженеринг”

Томск-2002

УДК Разработка виртуальной модели управления в среде MATLAB Методические указания к выполнению лабораторной работы по курсу“Компьютерные системы ввода\вывода и отображения информации” для студентов специальности - “Механотроника и международный инженеринг”

Составители Е.Ю.Бевзюк, В.А.Чиркова Рецензент к.т.н., доцент Е.И.Громаков

Методические указания рассмотрены и рекомендованы методическим семинаром кафедры интегрированных систем управления “__”____2002г. Зав. кафедрой А.М.Малышенко

Лабораторная работа №7 Исследование САР электропривода с фаззи регулятором Цель: целью работы является настройка фаззи регулятора электропривода ПИД типа и сравнительный анализ его качественных показателей с САР на основе традиционного ПИД регулятора. Ознакомительный пример. Запустить MatlabR12. Дождаться загрузки всех библиотек. Запустить Simulink кнопкой запуска. Вызвать демонстрационный пример Sltankrule. Для этого открыть опцию File\ Open. Затем MatlabR12/toolbox\fuzzy\fuzdemos\Sltankrule. На рабочем поле должна появиться структурная схема модели. Запустить модель кнопкой пуск и через несколько секунд остановить модель. Уяснить назначение модели и объяснить преподавателю работу модели. Уяснить для себя фаззи правила, установленные в модели. Для этого воспользоваться описанием приведенным в окне Rule Viewer: Tank, выбрав опцию View\Edit rules. Освоить запись правил в окнах level is rate is Then valve is. Вновь вернуться к основной структуре модели и запустить ее. Наблюдать за последовательностью выполнения фаззи правил модели. Вызвать функции принадлежности для входных переменных level и rate (Fis Editor: tank\View\Edit Fis properties). Определить области принадлежности отдельных термов входных и выходной переменных. Демонстрационный пример. Структурная схема традиционной модели представленной на рисунке 1.

Рис.1. Структурная схема САР традиционного исполнения.

После того, как были соединены и настроены блоки традиционной схемы, были получены следующие результаты.

Графики для САР традиционной модели.

Рис.2. График ошибки для САР ТМ.

Рис.3. График изменения ошибки.

Рис. 4. График выходного сигнала.

Структурная схема фаззи модели представленной на рисунке 5.

Рис.5. Структурная схема САР Фаззи исполнения.

Рис.6. Настройка FIS EDITOR.

Рис.7. Настройка термов.

Рис.8. Настройка RULE Editor.

Рис.9. Окно Rule Viewer.

Полученные результаты в виде графиков представлены ниже (рис. 10-11).

Рис.10. График ошибки для САР ФМ.

Рис.11. График изменения ошибки.

Порядок выполнения лабораторной работы. 1. Получить у преподавателя 2 структурные схемы САР (традиционного исполнения и фаззи исполнения)

2. Для модели традиционного исполнения открыть опцию File\ New. Затем последовательно из группы блоков Sources перенести на рабочее поле командный генератор синсоидального сигнала из группы Math, сумматор Sum, усилитель Gain; из гуппы Continius блоки Integrator, Transfer fcn, Derivate из группы Simulink Extras\Additional Linear Zero- Pole передаточные функции Sink блок Scope. Щелкнув по полю блоков произвести настройку их коэффициентов. Соединить блоки согласно полученной структуной схемы. произвести запуск модели. 3. Снять показания зависимостей установившихся значений амплитуд переменных - сигналов ошибки и скорости изменения ошибки (интеграла ошибки) от величины командного сигнала. Произвести изменение амлитудуды командного сигнала от 0.2 до 1 с шагом 0.2. На основе этих измерений установить области изменения переменных. Подготовить для функций принадлежности входных и выходных переменных по 5 термов треугольной LR форм фаззи регулятора 4. Для модели САР фаззи исполнения проделать ту же последовательность операций, добавив блоки Mux из группы Signals&Systems и Fuzzy Logic Controller (with rullerviewer) из группы Fuzzy Logic ToolBox. Произвести их настройку (Mux: [2, signals]) и Fuzzy Logic Controller. 5. Настройка Fuzzy Logic Controller. Войти в окно Matlab\ Fuzzy Logic Toolbox\ Fis Editor Viewer\ New Mamdani Fis\Edit\add input. Щелкнуть по полю Input1. Настроить And method, Defuzzification [centroid]. Повторить для Input2 и Output (рис.6). Войти в View \Edit membership function. Вызвать Edit\Add Mfs и установить [trimf,5], OK. Щелкнуть по крайнему слева терму и произвести настройку его функции принадлежности (область должна покрывать область изменения переменной расчитанной в п.3, вариантом может быть Range [-1,1]). Щелкнуть по полю Display Range. Перейти на левую половину рабочего окна. Установить: название mf1,trimf,параметры функции принадлежности Params- [-1.5 –1 -0.5]. Повторить это для всех термов: mf2,trimf,параметры функции принадлежности Params- [-0.4 –0.2 0] mf3,trimf,параметры функции принадлежности Params- [-0.2 0 0.2] mf4,trimf,параметры функции принадлежности Params- [0 0.2 0.4] Для Input 2 и Output1 изменить только область определения: установить Range [-1,1] Настройка правил (рис.8). Открыть окно View\ Edit rules. В трех окошках Input1, Input2, Output1 If input1 is mf1 and input2 is mf1 Then output1 is mf1, add rule. Повторить это для других термов: If input1 is mf2 and input2 is mf2 Then output1 is mf2, If input1 is mf3 and input2 is mf3 Then output1 is mf3, If input1 is mf4 and input2 is mf4 Then output1 is mf4.

Установить область определения и выйти для установки следующей входной и выходной переменной. Войти в Membership Function Editor (рис.7), выбрать последовательно входы и выход фаззи регулятора и настроить их. Войти в View\Edit membership function\Edit ruler и описать здесь правила построения термов (рис.8). Вызвать View\View Surface и убедиться, что поверхность переключения соответствует выбранным правилам. Для просмотра полученных термов необходимо войти в опцию Fis Editor\View\View rules. Сохранить выполненную работу в File\Save to disc as… Вызвать View\View Surface и убедиться, что поверхность переключения соответствует выбранным правилам. Войти в File\Save to workspace as. Назвать файл фаззи регулятора, например, gr11, OK. 6. Настройка модели фаззи регулятора в Simulink. Перейти в систему моделирования Simulink (вернуться к модели САР с фаззи регулятором). Щелкнуть по полю фаззи блока. Указать в открывшемся окне fis gr11(имя файла сохраненного ранее), apply, ok. Программа работы: 1. Осуществить настройку фаззи регулятора в соответствии с индивидуальным заданием на правила. (Получить вариант САР, таблицу правил) 2. Наблюдать динамику работы САР при нескольких вариантах области определения термов: - все переменные описываются одинаковыми функциями принадлежности с одинаковыми областями определения [-1 1]. Все остальное по умолчанию. - все переменные описываются одинаковыми функциями принадлежности с одинаковыми областями определения [-1 1] и mf2,trimf,параметры функции принадлежности Params- [-0.4 –0.2 0] mf3,trimf,параметры функции принадлежности Params- [-0.2 0 0.2] mf4,trimf,параметры функции принадлежности Params- [0 0.2 0.4] . Контрольные вопросы: 1. Перечислить правила которые используются для настройки фаззи регулятора. 2. Что из себя представляют области определения терма, и переменной. 3. Объяснить выбор стратегии сдвига области определения термов в область малых значений переменных. Содержание отчета: 1. Привести расчет области определения переменных. 2. Привести графики изменения переменных регулятора. 3. Дать сравнительный анализ регуляторов. 4. Ответить на контрольные вопросы.

Правила дефазификации:

Правила вывода фаззи регулятора. ce\e mf1 mf2 mf1 vnb nb mf2 nb nm mf3 nm ns mf4 ns z mf5 z ps

mf3 nm ns z ps pm

mf4 ns z ps pm pb

ps

pm

z- ноль ns- отр.малое ps- пол. большое nm- отр.среднее pm- пол.среднее nb- отр большое pb- пол большое vnb- очень отр большое vnb- очень пол. большое Регулирующее воздействие: nm

ns

z

mf5 z ps pm pb vpb

Функци принадлежности: