基于MATLAB的汽车防事故模糊控制系统的设计与仿真

２００６年６月　第２３卷第３期　沈阳航空工业学院学报　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｓｈｅｎｙａｎｇ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ　ｏｆ　Ａｅｒｏｎａｕｔｉｃａｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　Ｊｕｎ．２００６　Ｖ０１．２３　Ｎｏ．３　文章编号：１００７—１３８５（２００６）０３—００１６—０４　基于ＭＡＴＬＡＢ的汽车防事故模糊控制系统的设计与仿真　王（１．辽宁工程技术大学电气工程系，辽宁阜新雷　陈刚　１２３０００）　１２３０００；２．辽宁工程技术大学运筹学与控制论研究所，辽宁阜新摘要：文章通过事例，在简要介绍模糊逻辑控制工具箱的基础上，重点介绍如何用ＳＩＭＵＬＩＮＫ　工具箱、ＦＵＺＺＹ工具箱，实现模糊控制系统的设计与仿真。结果表明模糊控制应用于电液式节气　门执行器的控制系统，可以很好地保证执行器的快速性和平稳性，可以获得较高的位置及速度控　制精度。　关键词：ＭＡＴＬＡＢ语言；模糊控制；ＦＵＺＺＹ工具箱　中圈分类号：Ｔｉｔ２７３　．４　文献标识码：Ａ　模糊控制理论是在美国伯克莱加州大学电气　工程系Ｌ．Ａ．Ｚａｄｅｈ教授于１９６５年建立的模糊集　模糊逻辑工具箱【３　提供了两种方式来建立　模糊逻辑控制系统，即命令行方式和用户图形界　面方式（ＧＵＩ）。两种方式都可以完成同样的功　能，但后一种方式更加直观和方便，因此比较常　用。本文将重点介绍图形界面方式。在模糊逻辑　工具箱中有５个带有图形界面的基本工具，它们　分别是模糊推理系统（ＦＬＳ）编辑器、隶属度函数　编辑器、模糊规则编辑器、模糊规则观察器和曲面　观察器。这些ＧＵＩ工具之间是动态链接的，使用　它们中的任意一个对ＦＩＳ的修改将影响到任何其　它已打开的ＧＵＩ中的显示结果。　（１）模糊推理系统编辑器该编辑器用于设　合论的数学基础上发展起来的。模糊控制技术在　复杂、大滞后，难以建立精确数学模型的非线性控　制过程中表现出了优越的性能。近３Ｏ年来，因其　不依赖于控制对象的数学模型、鲁棒性好、简单实　用等优点，模糊控制已广泛地应用到图像识别、语　言处理、自动控制、故障诊断、信息检索、地震研　究、环境预测、楼宇自动化等学科和领域，并且渗　透到社会科学和自然科学许多分支中去，在理论　和实际运用上都取得了引人注目的成果。　模糊控制¨工　作为智能控制的一种，实质是对　人脑思维的一种模拟，因此，模糊控制器的设计在　很大程度上依赖于设计者的实践经验，若是用一般　的编程语言（如Ｃ语言）来实现模糊控制系统的设　计和显示模糊推理系统的一些基本信息与参数。　如图１，在窗口的上半部以图形框的形式列出了　模糊推理系统的基本组成部分，即输人模糊量、模　糊规则和输出模糊变量。　计和仿真，往往非常困难。ＭＡＴＬＡＢ是ＭａｔｈＷｏｒｋ　公司于１９８４年推出的基于矩阵运算的强大数值计　算软件，其包含的“模糊推理系统工具箱”集成度　高，内容丰富，基本包括了模糊集合理论的各个方　面，同时利用其ＳＩＭＵＬＩＮＫ工具箱可以方便地进行　仿真。本文在ＭＡＴＬＡＢ６．５．１基础上，介绍模糊控　制工具箱中的基本函数和ＳＩＭＵＬＩＮＫ工具箱的仿　真功能，以及如何利用ＳＩＭＵＬＩＮＫ和Ｆｕｚｚｙ工具箱　进行控制系统的设计和仿真。　２模糊逻辑工具箱与Ｓｉｍｕｌｉｎｋ工具　箱　收稿日期：２００５—１２—２３　作者简介：王雷（１９８１一），男，辽宁丹东人，在读硕士　圈１　ＦＩＳ编辑窗口　通过鼠标双击上述图形，能够激活隶属函数　编辑器和模糊规则编辑器等相应的编辑窗口。在　窗口的下半部分的左侧列出了模糊推理系统的名　维普资讯 http://www.cqvip.com

第３期　王雷等：基于ＭＡＴＬＡＢ的汽车防事故模糊控制系统的设计与仿真　１７　称、类型和一些基本属性，包括“与”运算方法、　“或”运算方法、蕴涵运算、模糊规则的综合运算　以及去模糊化的方法等，用户只需用鼠标即可设　定相应的属性。在图ｌ中，模糊推理系统的基本　属性设定为：“与”运算采用极小运算，“或”运算　采用极大运算，模糊蕴涵采用极小运算，模糊规则　综合采用极大运算，去模糊化采用重心法。窗口　程的路径图，它是基于前面几点介绍的模糊推理　方框图。在这个图形窗口中，有三列小图形，每一　列对应一个变量。每条控制规则对应一行小图　形，图形窗顶部的３个小图形表示第一条规则的　前提和结果。前两列小图形显示了前提或每条规　则的ｉｆ部分所引用的隶属度函数。第三列小图　形显示了结果和每条规则的ｔｈｅｎ部分所引用的　下半部分的右侧，列出了当前选定的模糊语言变　量的名称及其论域范围。　（２）隶属度函数编辑器在命令窗口键人　“ｍｆｅｄｉｔ”，或在基本模糊推理系统编辑器中选择　编辑隶属函数菜单，都可以激活隶属函数编辑器。　该编辑器提供了对输入输出语言变量各语言值的　隶属度函数类型、参数进行编辑与修改的图形界　面。　在该图形界面中，窗口的上半部分是隶属度　函数的图形显示，下半部分为隶属度函数的参数　设定界面，包括语言变量的名称、论域和隶属度函　数的名称、类型和参数。编辑菜单的功能包括添　加隶属度函数、添加定制的隶属度函数以及删除　隶属度函数等。　（３）模糊规则编辑器在命令窗口输入：“ｒｕ—　ｌｅｅｄｉｔ”，或者在基本模糊推理系统编辑器中选择　编辑模糊规则菜单，均可激活模糊规则编辑器。　在模糊规则编辑器中，提供了添加、修改和删　除模糊规则的图形界面。在模糊规则编辑器中提　供了一个文本编辑窗口，用于规则的输入和修改。　模糊规则的形式有三种，即语言型（Ｖｅｒｂｏｓｅ）、符　号型（Ｓｉｍｂｏｌｉｅ）以及索引型（Ｉｎｄｅｘｅｄ）。在此界面　下编辑模糊规则是十分方便的，系统已经自动地　将在ＦＩＳＥｄｉｔ中定义的变量显示在界面的左下部。　在窗口选择相应的输入变量（以及是否加否定词　ｎｏｔ），然后选择不同变量之间的连接关系（ｏｒ或者　ａｎｄ）以及输入权重（缺省为１），然后点击Ａｄ—　ｄｒｕｌｅ，输入的规则就在编辑器的上面显示区域出　现了。　界面下部还有三个按钮，分别为删除规则　（Ｄｅｌｅｔｅｒｕｌｅ）、增加规则（Ａｄｄｒｕｌｅ）及修改规则　（Ｃｈａｎｇｅｒｕｌｅ）。要改变某一条规则，首先要单击　选中规则，然后选择相应的按钮，就可以进行修　改。　（４）模糊规则查看器　在命令窗口键人　“ｒｕｌｅｖｉｅｗ”，或从菜单Ｖｉｅｗ选择“ｒｕｌｅｓ…”，打开　规则查看窗口。规则观察器显示了全模糊推理过　隶属度函数。如果在规则号上单击一下，该号变　成高亮红色，并且相应的规则显示在图形窗口的　底部。注意到若有一个小图形是空的，则对应于　这个规则中该变量的特征值为ｎｏｎｅ。第三列的　最后一个小图形表示给定推理系统的加权合计判　定。此判定依赖于系统的输入值。　（５）曲面观察器　在命令窗口输入“ｓｕｒｆ－　ｖｉｅｗ”命令，或在各个编辑器窗口选择相应的菜　单，即可打开模糊推理的输入输出曲面视图窗口。　该窗口用于显示输入输出量对应的表面空间，并　可改变各轴对应的变量及观察视角，便于用户对　设计的模糊推理系统进行修改和优化。另外，对　于Ｓｕｇｅｎｏ型的模糊推理系统，还可以利用ＡＮＦＩＳ　（ＡｄａｐｔｉｖｅＮｅｔｗｏｒｋ—ＦｕｚｚｙＩｎｆｅｒｅｎｅｅＳｙｓｔｅｍ）编辑器，　进行自适应神经模糊推理系统的设计和仿真。　Ｓｉｍｕｌｉｎｋ工具箱主要用于动态系统的仿真，　在ＭＡＴＬＡＢ环境下，键人ｓｉｍｕｌｉｎｋ在屏幕上会出　现用于建立仿真系统所需的模型方块，用户用鼠　标选择所需模块，将其拖到模型窗口上（双击任　何模块，即可打开该模块，完成参数的设置），然　后再用鼠标将它们连接起来，构成一个系统ｓｉｍｕ・　ｌｉｎｋ描述。　建立起系统模型后，用户可通过选择仿真菜　单，设置仿真控制参数，启动仿真过程，通过输出　模块ＳＣＯＰＥ（示波器）观察系统的仿真结果，在仿　真结束时，还会自动发出一声呜叫，提示用户仿真　过程完成。　２模糊控制系统的设计　模糊控制系统设计的关键是模糊控制器的设　计，其参数主要有：各输入、输出变量模糊子集的　隶属度函数，模糊控制规则，输入、输出变量的比　例变换因子等。要依据设计者的经验和反复调试　才能设计出一个比较好的模糊控制器。预先采用　计算机仿真方法可以尽快了解模糊控制的特性，　缩短设计周期　（１）在ＭＡＴＬＡＢ环境下进人模糊逻辑工具　维普资讯 http://www.cqvip.com

１８　沈阳航空工业学院学报　第２３卷　箱，通过模糊推理编辑器（如图１）和隶属度函数　编辑器（如图２）设计输人、输出变量的论域，各语　言变量的隶属度函数形状等参数。本例中车速和　车距的隶属度函数为高斯型（Ｇａｕｓｓ），并分别为　慢、适中、快和很近、近、适中、远、很远等语言变　量。控制的隶属度函数同样为高斯型（Ｇａｕｓｓ），并　均分为ｚ１、ｚ２、　、　、ｚ５等五个语言变量。　图２隶属度函数观察器　（２）通过模糊规则编辑器确定：“ＩＦ…　ＴＨＥＮ”形式的模糊控制规则。本例中共有１５条　控制规则，推理算法为ＭＡＸ—ＭＩＮ合成法。解模　糊方法采用重心法。　（３）利用规则查看器和表面查看器（如图３）　显示所设计模糊控制器的输人、输出量对应关系，　由此进行修改和优化。最后将设计好的模糊控制　器保存在一个后缀名ａｃｃｉｄｅｎｔ．ｆｉｓ的数据文件中，　以供仿真运行时调用。　图３曲面观测器　（４）在ｓｉｍｕｌｉｎｋ环境下，根据系统提供的其他　功能块设计完成模糊控制系统。进行仿真前，用　鼠标双击图中Ｆｕｚｚｙ　Ｌｏｇｉｃ　Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ模块，打开　它，将ａｃｃｉｄｅｎｔ．ｆｉｓ文件加载到模糊控制器模块　中，然后设定好仿真时间、步长等参数，即可启动　仿真，通过Ｓｃｏｐｅ观察系统的仿真输出情况。　图４各种阶跃变化给定下的响应　３仿真结果与分析　由图４可知，节气门打开（全开）的调节时间　不超过２００ｍｓ，节气门关闭（全关）的调节时间不　超过３００ｍｓ，动态响应过程超调量很小，定位精度　达到满量程的±０．５％，即位移±０．０２２ｃｍ，能够　满足车辆上节气门响应加速踏板的跟踪速度和控　制精度要求。　图５至图６分别是对电液式节气门执行器采　用基于模糊控制进行模拟试验时测取的进程阶跃　响应和回程阶跃响应试验曲线。　＾　２Ｏ　ｏＤ　蚰　∞　Ｃ　４０　２Ｏ　虹　Ｏ　０　５ｏ　ｔ００　１５０　２０ｏ　２暑０　３∞　ｔｔｍｓ　图５节气门进程阶跃响应　＾　１２０　１００　ｌ——　气门　世　８０　ｌ＼　ｌ——脚脯量　６０　Ｉ　＼　ｒ－－　・＾一４０　ｒ　２０　７＼＼　０　｜　、～　０　１０Ｇ　２∞　３００　４ｏ０　ｆ／ｍｓ　图６节气门回程阶跃响应　通过多次试验测试数据计算可知：　①可以得到极小的超调量，最大超调量小于　０．４ｍｍ；　②定位精度可达±０．１ｍｌｎ；　③响应的时滞不超过２０ｍｓ；　③调整时间不超过４００ｍｓ。　模糊控制应用于电液式节气门执行器的控制　系统，可以很好地保证执行器的快速性和平稳性，　可以获得较高的位置及速度控制精度。　维普资讯 http://www.cqvip.com

第３期　王雷等：基于ＭＡＴＬＡＢ的汽车防事故模糊控制系统的设计与仿真　１９　５　结束语　进一步研究。　本文主要介绍如何在ＭＡＴＬＡＢ环境下，利用　参考文献：　Ｓｉｍｕｌｉｎｋ工具箱和Ｆｕｚｚｙ工具箱完成模糊控制系　［１］郭嗣琮，陈刚．信息科学中的软计算方法［Ｍ］．沈阳：东北大学　统的设计与仿真，该方法形象直观、参数修改方　出版社，２００２　便，若需要研究某一参数变化对系统的影响时，还　［２］万沛霖．摩托车防事故模糊控制系统方案的研究［Ｍ］．兵工自　动化。１９９６（１）：１３—１５　可利用ｐｌｏｔ（）函数实现多条仿真曲线的拟合。　［３］楼顺天．基于ＭＡＴＬＡＢ的系统分析与设计一模糊系统［Ｍ］．　模糊控制系统设计过程中，可变因素较多。　西安：西安电子科技大学出版社，２００１　如控制器输入输出变量的论域大小，隶属度函数　［４］Ｓ１ＭＵＬＩＮＫ—Ｄｙｎａｍｉｃ　Ｓｙｓｔｅｍ　Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｆｏｒ　ＭＡＴＬＡＢ［ｚ］．　形式，控制规则的内容、数量，以及模糊推理策略　ＭａｔｈＷｏｒｋｓ，１９９８　和解模糊方法，尤其在解模糊方法的选择上并无　［５］徐昕，李涛，伯晓晨，等．ＭＡＴＬＡＢ工具箱应用指南—控制工程　固定规律可循，增加了系统设计的复杂程度，有待　篇［Ｍ］．北京：电子工业出版社，２０００　Ａ　ｄｅｓｉｇｎ　ａｎｄ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｆｕｚｚｙ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｓｙｓｔｅｍ　ｉｎ　ａｕｔｏｍｏｂｉｌｅ　ｄｅｆｅｎｄ　ｔｈｅ　ａｃｃｉｄｅｎｔ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ＭＡＴＬＡＢ　ＷＡＮＧ　Ｌｅｉ　ＣＨＥＮ　Ｇａｎｇ２　（１．Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ　ｏｆ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃａｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｌｉａｏｎｉｎｇ　Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｌｉａｏｎｉｎｇ　Ｆｕｘｉｎ　１２３０００；２．Ｒｅ—　ｓｅａｒｃｈ　ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ　ｏｆ　ｏｐｅｒａｔｉｏｎｓ　ｒｅｓｅａｒｃｈ　ａｎｄ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｔｈｅｏｒｙ，Ｌｉａｏｎｉｎｇ　Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｙｔ，Ｌｉａｏｎｉｎｇ　Ｆｕｘｉｎ　１２３０００）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ　ａｒｔｉｃｌｅ　ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓ　ｔｈｅ　ｆｕｚｚｙ　ｌｏｇｉｃａｌ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｔｏｏｌｂｏｘ　ａｎｄ　ｈｏｗ　ｔｏ　ｕｓｅ　ＳＩＭＵＬＩＮＫ　ｔｏｏｌｂｏｘ　ａｎｄ　ＦＵＺＺＹ　ｔｏｌｂｏｘ，ａｎｄ　ｈｔｅｎ　ｒｅａｌｉｚｅ　ｔｈｅ　ｄｅｓｉｇｎ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｆｕｚｚｙ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｓｙｓｔｅｍ　ｗｉｈｔ　ｉｎｓｔａｎｃｅ．Ｔｈｅ　ｒｅｓｕｌｔ　ｅｘｐｒｅｓｓｅｓ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ｆｕｚｚｙ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ａｐｐｌｉｅｓ　ｉｎ　ｔｈｒｏｔｌｔｅ　ａｃｔｕａｔｏｒ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｓｙｓｔｅｍ　Ｃａｎ　ｎｉｃｅｌｙ　ｇｕａｒａｎｔｅｅ　ｔｈｅ　ｆａｓｔ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｐｅａｃｅｆｕｌ　ｓｔｅａｄｙ　ｏｆ　ａｃｔｕａｔｏｒ，ａｌｓｏ　Ｃａｎ　ａｃｑｕｉｒｅ　ｔｈｅ　ｈｉｇｈｅｒ　ｐｏｓｉｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｓｐｅｅｄ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ａｃｃｕｒａｃｉｅｓ　ｏｆ　ｉｔ．　Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ｔｈｅ　ＭＡＴＬＡＢ　ｌｎａｇｕａｇｅ；ＦＵＺＺＹ　ｃｏｎｔｒｏｌ；Ｔｈｅ　ＦＵＺＺＹ　ｔｏｌｂｏｘ