【正文】 .................................... 42 結(jié) 論 ............................................................................................................................... 43 參考文獻(xiàn) .............................................................................................................................. 44 致 謝 ............................................................................................................................... 45 吉林化工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 說 明書 1 第一章 緒論 模糊控制 水箱水位系統(tǒng)概述 在能源、化工等多個(gè)領(lǐng)域中普遍存在著各類液位控制系統(tǒng) ， 各種控制方式在液位控制系統(tǒng)中也層出不窮，如較常用的浮子式、磁電式和接近開關(guān)式。而隨著我國工業(yè)自動化程度的提高，規(guī)模的擴(kuò)大，在工程中液位控制的計(jì)算機(jī)控制得到越來越多的應(yīng)用。液位控制系統(tǒng)的檢測及計(jì)算機(jī)控制已成為工業(yè)生產(chǎn)自動化的一個(gè)重要方面 [1]。 經(jīng)典控制理論和現(xiàn)代控制理論的控制效果很大一部分取決于描述被控過 程精確模型的好壞，這使得基于精確數(shù)學(xué)模型的常規(guī)控制器難以取得理想的控制效果。但是一些熟練的操作工人、領(lǐng)域?qū)＜覅s可以得心應(yīng)手的進(jìn)行手工控制。因此基于知識規(guī)則的模糊控控制理論在其應(yīng)用中就有了理論和現(xiàn)實(shí)意義 [2]。 模糊控制理論簡介 模糊控制理論的產(chǎn)生、發(fā)展及現(xiàn)狀 美國加利福尼亞大學(xué)教授扎德（ . Zadeh）在 1965 年撰寫的論文《 Fuzzy Set》開創(chuàng)了模糊邏輯的歷史，從此，模糊數(shù)學(xué)這門學(xué)科漸漸發(fā)展起來。 1966 年， P. N. Marinos發(fā)表了模糊邏輯的研究報(bào)告，這 標(biāo)志著模糊邏輯真正地誕生。后來，扎德又提出模糊語言變量這個(gè)重要的模糊邏輯概念。 1974 年，扎德又進(jìn)行模糊邏輯推理的研究。自 1974年英國的 E. H. Mamdani 教授成功地將模糊邏輯應(yīng)用于鍋爐和蒸汽機(jī)控制以來，模糊控制已逐漸得到了廣泛的發(fā)展并在現(xiàn)實(shí)中得到成功的應(yīng)用。從此，模糊邏輯成為專家學(xué)者、控制工程師們研究的一個(gè)熱門課題。特別是在日本，模糊理論的應(yīng)用得到空前發(fā)展，最引人注目的是 1987年 7月仙臺市采用模糊邏輯進(jìn)行控制的地下鐵路運(yùn)輸系統(tǒng)成功地投入運(yùn)行。 目前，模糊理論及其應(yīng)用愈來愈受到人們的歡迎， 在學(xué)術(shù)界也受到不同專業(yè)研究工作者的重視，在化工、機(jī)械、冶金、工業(yè)爐窯、水處理、食品生產(chǎn)等多個(gè)領(lǐng)域中發(fā)揮著重要的作用。究其原因，主要在于模糊邏輯本身提供了一種基于專家知識（或稱為規(guī)則）甚至語義描述的不確定性推理方法?？刂葡到y(tǒng)的設(shè)計(jì)不要求知道被控對象的精確數(shù)學(xué)模型，只需要提供專家或現(xiàn)場操作人員的經(jīng)驗(yàn)知識及操作數(shù)據(jù)，因而對于許多無法建立精確數(shù)學(xué)模型的復(fù)雜系統(tǒng)能獲得較好的控制效果，同時(shí)又能簡化系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計(jì) 。 充 分 顯示了其對大規(guī)模系統(tǒng)、多目標(biāo)系統(tǒng)、非線性系統(tǒng)以及具有結(jié)構(gòu)不確定性的系統(tǒng)進(jìn)行有效控制的能力 [3]。 模糊控制在液位控制中的仿真應(yīng)用設(shè)計(jì) 2 我國模糊控制理論及其應(yīng)用方面的研究工作是從 1979 年李寶綬，劉志俊等對模糊控制器性能的連續(xù)數(shù)字仿真研究開始的，大多數(shù)是在著名的高等院校和研究所中進(jìn)行理論研究，如對模糊控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、模糊推理算法、模糊語言和模糊文法、自學(xué)習(xí)或自組織模糊控制器，以及模糊控制穩(wěn)定性問題等的研究，而其成果主要集中應(yīng)用于工業(yè)爐窯、機(jī)床及造紙機(jī)等的控制。近年來，模糊控制已滲透到家用電器領(lǐng)域。國內(nèi)外現(xiàn)在已有模糊電飯煲、模糊洗衣機(jī)、模糊微波爐、模糊空調(diào)機(jī)等在市場上出現(xiàn) [4]。 模糊控制理論運(yùn)用于水箱水位系統(tǒng)控制的意義 采用傳統(tǒng)的控制方法對 水箱 實(shí)施控制時(shí)存在以下一些難以克服的困難： （１） 在一些應(yīng)用中系統(tǒng)存在嚴(yán)重耦合，如在密封容器中水與氣體的耦合。 （２） 由環(huán)境溫度的不斷變化給系統(tǒng)帶來的不確定性。 （３） 對于多級復(fù)雜的水箱水位控制系統(tǒng)存在時(shí)間滯后，包括測量帶滯后、過程延遲和傳輸時(shí)滯等。 （４） 在一些工作環(huán)境惡劣的條件下，在測量信號中存在大量噪聲。 （５） 一些工作環(huán)境經(jīng)常變化和應(yīng)用廣泛的設(shè)備的水位控制系統(tǒng)其運(yùn)行參數(shù)的設(shè)定值需要經(jīng)常變化 。 模糊控制理論以其非線性控制、高穩(wěn)定性、較好的 “ 魯棒性 ” 、對過程參數(shù)改變不靈敏 、 參數(shù)自調(diào)整功能等眾多經(jīng)典 PID 控制所不具 備的特點(diǎn)能很好的克服以上所列的困難。 仿真建模工具軟件 MATLAB／ SIMULINK 簡介 MATLAB 軟件 (又稱為 MATLAB 語言 )，是由美國 New Mexico 大學(xué)的 CleveMoler 于 1980 年開始開發(fā)的，是一個(gè)包含數(shù)值計(jì)算、高級圖形與可視化、高級編程語言的集成化科學(xué)計(jì)算環(huán)境。開發(fā)該語言的最初目的是為線性代數(shù)等課程提供一種方便可行的實(shí)驗(yàn)手段，該軟件出現(xiàn)以后一直在美國 New Mexico 等大學(xué)作為教學(xué)輔助軟件使用，同時(shí)作為面向公眾的免費(fèi)軟件廣為流傳。 1984 年由 CleveMoler 等人創(chuàng)立的 Mathworks 公司推出了 MATLAB 的第一個(gè)商業(yè)版本。由于該軟件的使用極其容易，且提供了豐富的矩陣處理功能，所以很快就吸引了控制領(lǐng)域研究人員的注意力，并在它的基礎(chǔ)上開發(fā)了專門的控制理論 CAD 應(yīng)用程序集（又稱為工具箱），使之很快地在國際控制界流行起來，目前它已經(jīng)成為國際控制界最流行的語言。除了流行于控制界，MATLAB 還在圖象信號處理、生物醫(yī)學(xué)工程、通訊工程等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用。 MATLAB 當(dāng)前的功能包括可靠的數(shù)值運(yùn)算 (不局限于矩陣運(yùn)算 )、圖形繪制、數(shù)據(jù)處理、圖象處理 、方便的 GUI（ GraphicUser Interface,圖形用戶界面）編程，同時(shí)有大量配套的工具箱，如吉林化工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 說 明書 3 控制界最流行的 控 制 系 統(tǒng) 工 具 箱 (Control systems toolbox) ， 系 統(tǒng) 辨 識 工 具 箱 (Systemidentification toolbox)，魯棒控制工具箱 (Robust control toolbox)，多變量頻域設(shè)計(jì)工具箱 (multivariable frequency design toolbox)， μ 分析與校正 (μanalysis andsynthesis toolbox)，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)工具箱 (neural work toolbox)，最優(yōu)化工具箱 (optimization toolbox)，信號處理工具箱 (signal processing toolbox)以及集成仿真環(huán)境 SIMULINK。參與編寫這些工具箱的設(shè)計(jì)者很多是國際控制界的名流，包括 Alan Laub， MichaelSofanov， Leonard Ljung， Jan Maciejowski 等這些在相應(yīng)領(lǐng)域的著名專家，所有這些當(dāng)然的提高了 MATLAB 的聲譽(yù)與可信度，使得 MATLAB 風(fēng)靡國際控制界，成為最重要的 CACSD 工具。 Simulink 是一個(gè)基于 MATLAB 平臺用來對動態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行建模、仿真和分析的面向結(jié)構(gòu)圖方式的仿真環(huán)境，是 MathWorks 公司在 1990 年為 版本推出的新的圖形輸入與仿真工具，起初定名為 SIMULAB，但因其與著名的 SIMULA 軟件名類似，故在 1992 年正式更名為 Simulink，它是動態(tài)系統(tǒng)仿真領(lǐng)域中最為著名的集成仿真環(huán)境之一。在那以前控制界很多學(xué)者使用 ACSL（高級連續(xù)仿真語言）作為系統(tǒng)仿真的語言，而方便、圖形化的 Simulink 一出現(xiàn)，就迅速地取代了 ACSL 語言，成為研究者首選的仿真工具。 Simulink 環(huán)境包含功能齊全的子模型庫： Source(信號源庫 )、 Sinks（輸出方式庫）、 Discrete（離散模型庫）、 Linear（線性環(huán)節(jié)庫）、 Nonlinear（非線性環(huán)節(jié)庫）、Connection（連接及接口庫）、 Blocksets and toolboxs（模塊建立和工具箱庫）以及 Demos（實(shí)例庫）。它們能夠幫助用戶迅速建立自己的動態(tài)系統(tǒng)模型，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行仿真分析；通過對仿真結(jié)果 的分析修正系統(tǒng)設(shè)計(jì)，從而快速完成系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。 Simulink 支持線性和非線性系統(tǒng)，能夠在連續(xù)時(shí)間域、離散時(shí)間域或兩者的混合時(shí)間域里進(jìn)行建模仿真，它同樣支持具有多種采樣速率的系統(tǒng)；與傳統(tǒng)的仿真軟件包用微分方程和差分方程建模相比， Simulink 提供了一種圖形化的交互環(huán)境，只需用鼠標(biāo)拖動便可迅速建立系統(tǒng)框圖模型，甚至不需要編寫一行代碼；它和 MATLAB 無縫結(jié)合，使其能夠直接利用 Matlab 豐富的資源和強(qiáng)大的科學(xué)計(jì)算功能；另外， Simulink 在系統(tǒng)仿真領(lǐng)域已得到廣泛的承認(rèn)和應(yīng)用，許多專用的仿真系統(tǒng) 都支持 Simulink 模型，這非常有利于代碼的重用和移植。 當(dāng)前的 強(qiáng)大的高級圖形、可視化數(shù)據(jù)處理能力，圖 11 和圖 13 給出了 和 版本的用戶界面。圖 12 則形象的給出了 Simulink 與 MATLAB 之間的層次關(guān)系，由圖 12 可以看出 Simulink 是建立在 MATLAB 的基礎(chǔ)之上的，它是 MATLAB 環(huán)境中的一個(gè)模塊， Simulink Blockset 提供豐富的模塊庫，廣泛的用于控制、模糊控制在液位控制中的仿真應(yīng)用設(shè)計(jì) 4 DSP、通訊等領(lǐng)域； Stateflow 是一種利用有限狀態(tài)機(jī)理論建模和仿真事件驅(qū)動系統(tǒng)的可視化設(shè)計(jì)工具，適合于描述復(fù)雜的開關(guān)控制邏輯、狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖以及流程圖等； RealTime Workshop 能夠從 Simulink 模型中生成可定制的代碼及獨(dú)立的可執(zhí)行程序； Stateflow Coder 能夠自動生成狀態(tài)圖的代碼，并且能夠自動地結(jié)合到 RTW 生成碼中 [5]。 圖 11 MATLAB 圖 12 Simulink 與 MATLAB 之間的層次關(guān)系 圖 13 Simulink 的圖形用戶界面 本文的主要任務(wù)及內(nèi)容安排 本文以簡單的 雙容 水箱水位控制系統(tǒng)為研究對象，來嘗試模糊控制理論在自動控制中的應(yīng)用，模糊控制系統(tǒng)實(shí)質(zhì)上是計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，它的硬件部分和一般的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)相同，一般由單片機(jī)或微機(jī)及相關(guān)的外圍電路、板卡或工控模塊等組成，所不同的只是在軟件設(shè)計(jì)上。本文主要是探討模糊控制理論的一種典型應(yīng)用，利用了當(dāng)前流行的吉林化工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 說 明書 5 仿真軟件 MATLAB/SIMULINK，進(jìn)行仿真建 模生成軟件模型進(jìn)行仿真調(diào)試，以期達(dá)到掌握參數(shù)，控制精度，動態(tài)特性等指標(biāo)的比較結(jié)果的目的。根據(jù)這些任務(wù)，本文主要進(jìn)行了以下幾個(gè)方面的工作： （１） 對模糊理論相關(guān)知識進(jìn)行理論學(xué)習(xí)。 （２） 結(jié)合 雙容 水箱水位系統(tǒng)進(jìn)行模糊控制器的設(shè)計(jì) 。 （３） 利用 MATLAB/SIMULINK 軟件對水箱水位系統(tǒng)進(jìn)行仿真建模 ， 進(jìn)行調(diào)試 。 （４） 對本文的工作進(jìn)行總結(jié)，得出結(jié)論并對本文涉及的內(nèi)容作出進(jìn)一步的展望。 模糊控制在液位控制中的仿真應(yīng)用設(shè)計(jì) 6 第二章 模糊理論及模糊控制基礎(chǔ) 模糊理論的產(chǎn)生和實(shí)際應(yīng)用的雖然只有短短幾十年的時(shí)間，但由于其在工程應(yīng)用中具有得天獨(dú)厚的優(yōu)勢，從而 使得其應(yīng)用越來越廣泛，也越來越受到科學(xué)家和工程師的青睞。在緒論中，我們對模糊理論作了簡單的了解。鑒于此，我們有必要了解相關(guān)的模糊理論和模糊控制的知識，為模糊控制器的設(shè)計(jì)打下一定的理論基礎(chǔ) [7]。 模糊理論基礎(chǔ) 美國加利福尼亞大學(xué)著名控制論專家扎德（ . Zadeh）在其于 1965 年發(fā)表的論文《 Fuzzy Sets》中首先提出了模糊集合的概念，之后許多學(xué)者對模糊語言變量及其在控制中的應(yīng)用進(jìn)行了探索和研究。 1973 年， Zadeh 又給出了模糊邏輯控制的定義和定理，為模糊控制奠定了基礎(chǔ)。 世界上的 任何事物都具有模糊性。當(dāng)人對事物進(jìn)行研究時(shí)，事物在人腦中的反映也具有模糊性?？梢?，模糊性是一種客觀存在的特性，因此，用模糊理論去研究客觀事物是合理而可行的。 事物的復(fù)雜性使人們不可能精確地去了解它。事物越復(fù)雜，人們對事物的了解就越不可能完善，從而人們對事物的感知就越模糊，也就無法用精確數(shù)學(xué)去描述這些事物、解決相關(guān)問題。 Zadeh 提出的 “大系統(tǒng)不相容原理 ”清楚地指出了復(fù)雜性與精確性的對立關(guān)系。即：當(dāng)系統(tǒng)的復(fù)雜性增加時(shí)，對其精確化的能力將會降低，當(dāng)達(dá)到一定的閥值后，復(fù)雜性和精確性將互相排斥。這個(gè)原理說明：人們 不應(yīng)該也不可能對系統(tǒng)的準(zhǔn)確性作過分的追求，只能對系統(tǒng)采用取其主要特征而舍棄其次要特征的辦法來描述，從而盡量降低其復(fù)雜性而又不會使其過于簡單。顯然，這種描述實(shí)際上就是一種模糊描述。實(shí)踐也