【文章內(nèi)容簡介】 標(biāo)準(zhǔn)大氣壓。 4006402020120110456520013551093內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 8 (4)忽略流經(jīng)線性阻力板水流自身的張力和粘滯力對測量的影響。 線性阻力板的底部是一個(gè)寬為 B，高為 A 的矩形孔，上部寬為 X 隨高度 Z 增加逐漸縮小的縫隙，滿足關(guān)系式： ZABX a rc s in2?? 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 對給定最大流量為 3mh 時(shí)， A=5mm， B= 圖 25 阻力板示意圖 圖 26 線性阻力板流量特性 由伯努利理想方程得到流經(jīng)線性阻力板的流量特性如式 24 所示： zPggVHggV ????? 22221 1212 ?? 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 （ 24） 由于 21 PP? ,gV221 相對于gV222 很小，可以忽略， 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 由上式得： )(22 zHgV ?? 錯(cuò)誤 ! 未 找 到 引 用 源 。 （ 25） 取經(jīng)過線性阻力板底面的直線作為橫坐標(biāo)（ x軸），過阻力版底面中點(diǎn)豎直向上的直線為縱坐標(biāo)（ z軸）。水箱中實(shí)際的液位值為 H,把 z作為積分變量，其變化范圍是 [0 , H]。這樣一來，在液位范圍之內(nèi)的任意水箱液位高度下流經(jīng)阻力板的液體流量都可以用定積分元素法求得 。詳細(xì)過程不再贅述。 根據(jù)定積分元素法求得： )3(2)(232)(232 232323 AHgABAHgBAHgBQ ?????? 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 （ 26） 40621410020BA內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 9 由于上式前兩項(xiàng)非常小及 AH?? ,所以上式可簡化為 HgABQ 2? 。考慮到實(shí)際的液體往往具有粘性，在液體的流動(dòng)過程中必將伴隨著能 量的流失損耗，進(jìn)而導(dǎo)致實(shí)際的流量值小于理想值，將工程中修正系數(shù) 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 引入后，上式就為： HgABQ 2?? 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 （ 27） 其中，由實(shí)驗(yàn)測得 ?? 。 由式 23 和式 27，整理后得： 1121221012202QChhCgABCgABCgABdtd???????????????????????????????? 將相應(yīng)參數(shù)值代入，其中： ?? ， mmA 5? ， 22322 /,1 6 6 5 8 5,1 6 9 5 1 0,7 8 smgmmCmmCmmB ???? 。 帶入數(shù)值：162121 01060 1 6 1 6 00 1 6 Qhhhhdtd ?????? ?????????????? ????????? ? 21/2161/1 hhh Qhh ?? ???? ? 經(jīng)過拉普拉斯變換得到：??? ??? ???? ? )(0 1 6 )(0 1 6 )( )(108 9 )(0 1 6 )(2121611 sHsHssH sQsHssH 則被控對象的傳遞函數(shù)為： )161)(160( 0 0 0 3 )1)(1()( )()( 21 113 ??????? sssTsT KsQ sHsG （ 28） 其中， sTsT 61,60 21 ?? 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 將傳遞函數(shù)分解后可得上水箱 的傳遞函數(shù)為 )(1 ?? ssG，下水箱傳遞函數(shù)為 161 1)(2 ?? ssG。 通過上述分析，得到系統(tǒng)控制方框圖如圖 27 所示。 內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 10 圖 27 雙容水箱液位控制 雙容水箱模糊控制系統(tǒng)是一個(gè)單輸入單輸出的雙回路系統(tǒng)，其控制目的是保持水箱液位維持在生產(chǎn)要求規(guī)定的范圍內(nèi)，兩個(gè)調(diào)節(jié)器串聯(lián)起來協(xié)調(diào)工作，進(jìn)而來保持 各 參數(shù)的恒定。串級調(diào)節(jié)主要是來克服副環(huán)內(nèi)的擾動(dòng)，這些擾動(dòng)能在中間變量中反應(yīng)出來，很快的 就被副調(diào)節(jié)器抵消了，與單回路系統(tǒng)相比，干擾對被調(diào)量的影響可以減少許多倍。 水箱模型的過程辨識 由上文可知，水箱模型的傳遞函數(shù)如式 22 所示，在過程輸入階躍信號 ?u 時(shí)，其階躍響應(yīng)曲線如圖 28 所示。變化量 2h? 的時(shí)間響應(yīng)曲線呈現(xiàn) S 型，而不是指數(shù)曲線。 圖 28 分離式雙容水箱液位控制過程階躍響應(yīng)曲線 內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 11 第三章 常規(guī)模糊控制器的設(shè)計(jì) 模糊控制系統(tǒng)是一種自動(dòng)控制系統(tǒng)，它以模糊數(shù)學(xué)、模糊語言形式的知識表示和模糊邏輯的規(guī)則推理為理論基礎(chǔ) ，采用計(jì)算機(jī)控制技術(shù)構(gòu)成的一種具有反饋通道的閉環(huán)結(jié)構(gòu)的數(shù)字控制系統(tǒng)。它的組成核心是具有智能性的模糊控制器，這也就是它與其它自動(dòng)控制系統(tǒng)的不同之處。因此，模糊控制系統(tǒng)無疑也是一種智能控制系統(tǒng)。模糊控制是一種適合于工業(yè)生產(chǎn)過程和大系統(tǒng)的控制方法，特別是在非線性系統(tǒng)中，經(jīng)典控制理論和現(xiàn)代控制理論的控制效果不是很理想。但采用模糊控制卻能取的比較令人滿意的效果。 模糊控制的基本思想 模糊控制的基本思想是用機(jī)器去模擬人對系統(tǒng)的控制。它是受這樣事實(shí)而啟發(fā)的：對于用傳統(tǒng)控制理論無法進(jìn)行分析和控制、復(fù)雜而無法建立數(shù)學(xué)模 型的系統(tǒng)，有經(jīng)驗(yàn)的操作者或?qū)＜覅s能取得比較好的控制效果。這是因?yàn)樗麄儜{借日積月累的豐富經(jīng)驗(yàn)。因此人們希望把這種經(jīng)驗(yàn)指導(dǎo)下的行為過程總結(jié)成一些規(guī)則，并根據(jù)這些規(guī)則設(shè)計(jì)出控制器。由于人的經(jīng)驗(yàn)一般是用自然語言來描述的，因此，基于經(jīng)驗(yàn)的規(guī)則也只能是語言化的、模糊的。運(yùn)用模糊理論、模糊語言變量和模糊邏輯推理的知識，就可以把這些模糊的語言規(guī)則上升為數(shù)值運(yùn)算，從而能夠利用計(jì)算機(jī)來完成對這些規(guī)則的具體實(shí)現(xiàn)，達(dá)到以機(jī)器代替人對某些對象進(jìn)行自動(dòng)控制的目的。其基本結(jié)構(gòu)如圖 31 所示。 內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 12 圖 31 模糊控制系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)圖 模糊控制的基本原理 模糊控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖 31 所示。它的核心部分為模糊控制器。通常模糊控制器包括四個(gè)部分：模糊化接口、知識庫、推理機(jī)和精確化 (既反模糊化 )。它們的作用說明如下： ：測量輸入變量 (設(shè)定輸入 )和受控系統(tǒng)的輸出變量，并把它們映射到一個(gè)合適的響應(yīng)論域的量程，然后，精確的輸入數(shù)據(jù)被變成為適當(dāng)?shù)恼Z言值或模糊集合的標(biāo)識符，本部分可視為模糊集合的標(biāo)記。 ：涉及應(yīng)用領(lǐng)域和控制日標(biāo)的相關(guān)知識，它由數(shù)據(jù)庫和語言控制規(guī)則庫組成，數(shù)據(jù)庫為語言控制規(guī)則的論域離散化和隸屬函數(shù)提供必要 的定義，語言控制規(guī)則標(biāo)記控制目標(biāo)和領(lǐng)域?qū)＜业目刂撇呗浴? ：是模期控制系統(tǒng)的核心，以模糊概念為基礎(chǔ)，模糊控制信息可通過模糊蘊(yùn)涵和模糊邏輯的推理規(guī)則來獲取，并可實(shí)現(xiàn)擬人決策過程，根據(jù)模糊輸入和模糊控制規(guī)則，模糊推理求解模糊關(guān)系方程，獲得模糊輸出。 ：起到模糊控制的推斷作用，并產(chǎn)生一個(gè)精確的或非模糊的控制作用，此精確控制作用必須進(jìn)行逆定標(biāo) (輸出定標(biāo) )，這個(gè)作用是在對受控過程進(jìn)行控制之前通過量程變換來實(shí)現(xiàn)的。 在整個(gè)模糊控制系統(tǒng)中，其控制步驟為：計(jì)算機(jī)中斷采樣獲取被控制量的精確值 ，然后將此量與給定值比較得到誤差信號 e。一般選取誤差 e 作為模糊控制器得一個(gè)輸入量。把誤差信號 e 的 精確量進(jìn)行模糊化得到模糊量，誤差 的 模糊量可用相應(yīng)得模糊語言來表示。至此，得到了誤差 e 的 模糊語言集合 的 一個(gè)子集 E，再由 E 和模糊控制規(guī)則 R(模糊關(guān)系 )，根據(jù)推理的合成規(guī)則進(jìn)行模糊決策，得到模糊控制量 U 為 : U=E*R (31) 內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 13 式中 U 為一個(gè)模糊量。為了對被控對象施加精確的控制，還需將模糊 量 U 轉(zhuǎn)化為精確量，這一步在圖 31 中稱為非模糊化處理。得到了精確的數(shù)字控制量后，經(jīng)數(shù)模轉(zhuǎn)換為精確的模擬量送給執(zhí)行機(jī)構(gòu)，對被控對象進(jìn)行控制。然后，不斷中斷對被控量進(jìn)行采集和控制，就實(shí)現(xiàn)了對被控對象的模糊控制。 模糊控制器的設(shè)計(jì)步驟 對于基本模糊控制器的設(shè)計(jì)與構(gòu)造，并沒有固定的方法，但一般來說基本模糊邏輯控制器的設(shè)計(jì)過程可分為四個(gè)步驟： ，根據(jù)采樣得到的系統(tǒng)輸出值，計(jì)算所選擇的系統(tǒng)的輸入變量。該步驟所完成的工作就是確定模糊控制器的輸入量和輸出量。 2.“模糊化 ”，即實(shí)現(xiàn)輸入量或輸出量精確量的模糊化，通過量化因子和比例因子將精確量變化的范圍 (基本論域 )模糊化成在模糊集論域范圍內(nèi)。我們可以把精確量用 “正大 ”、 “正中 ”、 …“ 負(fù)中 ”、 “負(fù)大 ”等模糊語言來分成幾個(gè)檔。我們將這些檔的大小關(guān)系用模糊論域上的模糊子集來表示。而模糊子集的大小和隸屬函數(shù)有關(guān)。 ，有了前兩個(gè)步驟的工作，我們得到輸入量和輸出量的模糊數(shù)，結(jié)合操作經(jīng)驗(yàn)或數(shù)據(jù)，我們就可以將輸入量和控制量的模糊數(shù)安排到由一系列的“IFTHEN”控制規(guī)則組成的集合中，利用這些規(guī)則信息，采用極大極小值合成法或其他合成算法，我們就可以合成得到控制表。該控制表儲存于計(jì)算機(jī)中，供程序查詢輸出。 ，計(jì)算機(jī)控制程序通過查詢該控制表，即可以找到對應(yīng)于某模糊數(shù)輸入量的控制量模糊數(shù)，再通過輸出量比例因子將模糊輸出控制量轉(zhuǎn)換成進(jìn)行控制量的精確化輸出，這實(shí)際上是在在輸出范圍內(nèi)，找到一個(gè)被認(rèn)為最具有代表性的、可直接驅(qū)動(dòng)控制裝置的確切的輸出控制值。 模糊控制器結(jié)構(gòu) 由于模糊控制器是模仿熟練操作人員的控制決策．對工業(yè)過程 進(jìn)行控制，而操作工人一般是靠觀測被控對象的輸出和輸出變化率或輸出變量和輸出變量的總和來設(shè)定控制量的大小的。因此，模糊控制器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)就是確定哪些變量作為模糊控制器的輸入和輸出，在單輸入單輸出系統(tǒng)中，受人類控制過程的啟發(fā)。一般可以設(shè)計(jì)成一維或二維模糊控制器，在極少的情況下才會設(shè)計(jì)成三維模糊控制器。 這是一種最為簡單的模糊控制器，輸入量和輸出量都只有一個(gè)。以模糊 E 為模糊控制器的輸入，而以控制量 u或控制量的變化 △ u作為模糊控制器的輸出。如圖 32 所示： 內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 14 圖 32 模糊控制結(jié)構(gòu) 這是最簡單的一類模糊控制器，其控制規(guī)則也很簡單，可用如下模糊條件語： 1R ： if E is 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 then U is 1B (或者 U? is 1B ) nR ： if E is nA then U is nB (或者 U? is 1B ) 這里， 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 ， … ， nA 和 1B ， … ， nB 均為輸入輸出論域上的模糊子集 。這類模糊規(guī)則的模糊關(guān)系為 : ( , ) nx y i iiR A B?? 這里的二維是指模糊控制器的輸入變量有兩個(gè)，控制器的輸出只有一個(gè)。這種控制器的模糊控制規(guī)則為 : 1R : if 1X is 11A and 2X is 21A then Y is 1B … nR : if 1X is 1nA and 2X is 2nA then Y is nB 這里， 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 ， … ， nA 和 1B ， … ， nB 均為輸入輸出論域上的模糊子集。這類模糊控制規(guī)則的模糊關(guān)系為 : ini iiyx BAAR ??? ??121),( )( 由于模糊控制器的控制規(guī)則是根據(jù)工程人員的操作經(jīng)驗(yàn)而制定的，一般人對誤差最敏感，其次是誤差的變化率。所以模糊控制器的輸入變量也可以有兩個(gè)，即誤差 E，誤差的變化率 EC，輸出量一般選取控制量的變化。從理論上講，模糊控制器的維數(shù)越高，控制越精細(xì)。但是維數(shù)過高，模糊控制規(guī)則變得過于復(fù)雜，控制算法的實(shí)現(xiàn)相當(dāng)困難。在一般的模糊控制系統(tǒng)中，考慮到模糊控制器實(shí)現(xiàn)的簡易性和快速性，通常采用二維模糊控制器結(jié)構(gòu)形式，這種控制器以誤差和誤差的變化率為輸入量，以控制量的變化為輸出變量。 內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 15 模糊化 語言變量的選取 根據(jù)人們的習(xí)慣，常將相比的同類事物分為 “大 ”、 “中 ”、 “小 ”或 “高 ”、 “中 ”、 “低 ”3個(gè)等級，故操作者對誤差及其變化率以及控制量的變化，也常采用類似概念?？紤]變量的正負(fù)性，一般在設(shè)計(jì)模糊控制器時(shí)，人們對于誤差及其變化率以及控制量的變化等語言變量，常用 “正大 ”(PB)、 “正中