【導(dǎo)讀】在工業(yè)生產(chǎn)過程中，有很多地方需要對(duì)控制對(duì)象進(jìn)行液位控制，使液位準(zhǔn)。確的保持在給定的數(shù)值范圍之內(nèi)。在本課題中，以液位控制系統(tǒng)的水箱為研究對(duì)象，水箱的液位為被控制量。進(jìn)行控制，克服流量對(duì)液位造成的干擾?？刂?，使得當(dāng)液位控制系統(tǒng)的模型參數(shù)變化時(shí)，系統(tǒng)能具有良好的控制效果。

　　

【正文】 。 建立模糊液位控制器的模糊控制規(guī)則表 模糊控制量的選取遵循如下原則：當(dāng)誤差大或者較大時(shí)，模糊控制量的增量的選擇應(yīng)以消除誤差為主；當(dāng)誤差較小時(shí)，模糊控制量的增量的選擇應(yīng)以系統(tǒng)的穩(wěn)定性為主，防止系統(tǒng)超調(diào)。根據(jù) 工程技術(shù)人員的調(diào)節(jié)經(jīng)驗(yàn)和仿真調(diào)試，建立模糊控制器的控制規(guī)則表如表 34 示。 表 33 E、 EC、 DU 的隸書度函數(shù)表 X 6 5 4 3 2 1 0 1 2 3 4 5 6 NB 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 NM 0 1 0 0 0 0 0 0 0 NS 0 1 0 0 0 0 0 ZO 0 0 0 1 0 0 0 PS 0 0 0 0 0 1 0 PM 0 0 0 0 0 0 0 1 0 PB 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 表 34 DU 的模糊控制規(guī)則表 內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 22 EC E NB NM NS ZE PS PM PB NB NB NB NM NM NS NS ZO NM NB NM NM NM NS ZO PS NS NB NM NS NS ZO NM NM ZE NM NS NS ZO PS NM NM PS NM NS ZO PS PS PM PB PM NS ZO PM PM PM PM PB PB ZO PS PS PM PM PB PB 計(jì)算模糊液位控制器的模糊控制表 根據(jù)模糊控制規(guī)則表，應(yīng)用模糊推理合成規(guī)則，計(jì)算出模糊控制表，其中模糊推理合成采用最大 最小合成法，清晰化采用加權(quán)平均法。經(jīng)過計(jì)算得到的模糊控制決策表 。如表 35 所示。表中第一行為 EC 的模糊集合值，第一列為 E 的模糊集合值。 表 35 DU 的模糊控制決策表 EC E 6 5 4 3 2 1 0 1 2 3 4 5 6 6 0 5 4 0 3 0 2 1 0 0 0 1 0 2 3 0 4 0 5 0 6 0 第四章 水箱液位模糊控制系統(tǒng)仿真 模糊液位控制系統(tǒng)的 Simulink 仿真 將模糊控制算法應(yīng)用于水箱液位控制系統(tǒng)中，模糊控制器做為液位控制系統(tǒng)的主調(diào)節(jié)器，并對(duì)其進(jìn)行仿真研究，整個(gè)液位控制系統(tǒng)的 Simulink仿真模型如圖 41 所示。 內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 23 圖 41 液位仿真系統(tǒng)模型圖 液位控制系統(tǒng)仿真 在 Matlab 工作環(huán)境下，對(duì)水箱液位控制系統(tǒng)進(jìn)行仿真，得到液位控制系統(tǒng)響應(yīng)曲線如圖 42 及圖 43 所示。 圖 42 上水箱階躍響應(yīng)曲線圖 圖 43 下水箱階躍響應(yīng)曲線圖 由圖 42 所示，在控制系統(tǒng)的作用下，當(dāng)給定值輸入階躍信號(hào)時(shí)，系統(tǒng)能夠在 t=200s的時(shí)間內(nèi)，通過控制流入上水箱的水量，使上水箱維持恒定的輸出，并將水位維持在。根據(jù)控制要求，系統(tǒng)水位要求維持在 100+5mm的范圍內(nèi)，盡管在控制系統(tǒng)的作用下，水位很好的符合控制要求，但仍然有約 的穩(wěn)態(tài)誤差。系統(tǒng)調(diào)節(jié)時(shí)間約 200s，在實(shí)際水箱控制系統(tǒng)中，也是可以接受的。如圖所示，系統(tǒng)的超調(diào)量為零，動(dòng)態(tài)性能優(yōu)越。 內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 24 由圖 43 所示，在控制系統(tǒng)的作用下，當(dāng)給定輸入階躍信號(hào)時(shí)，系統(tǒng)能夠在 t=400s的時(shí)間內(nèi)，通過控制閥門開度進(jìn)而控制下水箱的進(jìn)水量，使下水箱維持在控制要求的合理范圍之內(nèi)。下水箱液位最終維持在 ，仍然有約 的穩(wěn)態(tài)誤差，調(diào)節(jié)時(shí)間為 400s，超調(diào)量仍然為零，這些參數(shù)都在正常工作允許的范圍之內(nèi)，可以達(dá)到控制要求。 控制系統(tǒng)在各擾動(dòng)下的仿真 擾動(dòng)環(huán)節(jié)下的仿真 系統(tǒng)加入 Ramp 擾動(dòng)環(huán)節(jié)后的 simulink圖如圖 44 所示。 圖 44 Ramp 擾動(dòng)環(huán)節(jié)下的 simulink 圖 在 t=600s 時(shí)加入階躍擾動(dòng)， Ramp 擾動(dòng)環(huán)節(jié)的參數(shù)設(shè)置如下： slope=10， Start=600，Initial Output=0；其響應(yīng)曲線如下圖 45 所示。 圖 45 Ramp 擾動(dòng)環(huán)節(jié)下系統(tǒng)的響應(yīng)曲線圖 由圖 45 可知，原系統(tǒng)在 400s 后，已進(jìn)入穩(wěn)態(tài)，穩(wěn)定輸出值為 。當(dāng)系統(tǒng)在t=600s 時(shí)加入 Ramp 擾動(dòng)環(huán)節(jié)后，約經(jīng)過 400s 的調(diào)節(jié)時(shí)間，系統(tǒng)再次穩(wěn)定輸出，期間沒有超調(diào)量，所有水位值均在控制要求的 100+5mm的范圍之內(nèi)，穩(wěn)定后的輸出值為，存在 的穩(wěn)態(tài)誤差。經(jīng)多次試驗(yàn)知， Ramp 參數(shù)中， slope 的數(shù)值可以任意取值，其結(jié)果對(duì)控制系統(tǒng)都無重大影響。選取最合適的比例下，圖 45 即為下圖 46所示。 內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 25 圖 46 Ramp 擾動(dòng)環(huán)節(jié)下系統(tǒng)的響應(yīng)曲線圖（合適比例度下） Number 擾動(dòng)環(huán)節(jié)下的仿真 系統(tǒng)加入 Random Number 擾動(dòng)環(huán)節(jié)后系統(tǒng)的 simulink圖如下圖 47 所示。 圖 47 Random Number 擾動(dòng) 環(huán)節(jié)下的 simulink 圖 如圖 47 所示，其中新加入的 Random Number 擾動(dòng)環(huán)節(jié)的參數(shù)設(shè)置如下：Mean=,Variance=1,Initial seed=0,Sample Time=5。其響應(yīng)曲線圖如圖 48 所示。穩(wěn)定時(shí)值 。 圖 48 Random Number 擾動(dòng)環(huán)節(jié)下的系統(tǒng)響應(yīng)曲線圖 如圖 48 所示，系統(tǒng)在加入 Random Number 擾動(dòng)環(huán)節(jié)后，峰值輸出為 100mm，調(diào)節(jié)時(shí)間為 500s，超調(diào)量幾乎為零，穩(wěn)態(tài)輸出后的值為 ，存在 的穩(wěn)態(tài)誤差，符合控制要求。 Random Number 擾動(dòng)環(huán)節(jié)下的仿真 內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 26 系統(tǒng)加入 Uniform Random Number 擾動(dòng)環(huán)節(jié)后的 simulink圖如圖 49 所示。 圖 49 Uniform Random Number 擾動(dòng)環(huán)節(jié)下的 simulink 圖 如圖 49 所示，其中擾動(dòng)環(huán)節(jié) Uniform Random Number 的參數(shù)設(shè)置如下：Minimum=10， Maximum=10。 ,Initial seed=0,Sample Time=0。其響應(yīng)曲線圖如圖 410所示。 圖 410Uniform Random Number 擾動(dòng)環(huán)節(jié)下的系統(tǒng)響應(yīng)曲線圖 如圖 410所示，系統(tǒng)加入 Uniform Random Number 擾動(dòng)環(huán)節(jié)后，調(diào)節(jié)時(shí)間仍為 400s，系統(tǒng)依然無超調(diào)，在此范圍內(nèi)系統(tǒng)的輸出范圍為 [ ],平均值為 ，符合控制要求，系統(tǒng)存在約 的穩(wěn)態(tài)誤差，且水箱液位有微小的波動(dòng)，但所有輸出液位值均在控制要求的范圍之內(nèi)。 Sequence 擾動(dòng)環(huán)節(jié)下的仿真 系統(tǒng)加入 Repeating Sequence 擾動(dòng)環(huán)節(jié)后的 simulink圖如圖 411 所示。其中擾動(dòng)環(huán)節(jié) Repeating Sequence 的參數(shù)設(shè)置如下： Time Values=[0 10],Output Values=[0 2]。其響應(yīng)曲線如圖 412 所示。 內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 27 圖 411 Repeating Sequence 擾動(dòng)環(huán)節(jié)下的 simulink 圖 圖 412 Repeating Sequence 擾動(dòng)環(huán)節(jié)下系統(tǒng)的響應(yīng)曲線圖 如圖 412 所示，系統(tǒng)在加入 Repeating Sequence 擾動(dòng)環(huán)節(jié)后，系統(tǒng)的調(diào)節(jié)時(shí)間較原系統(tǒng)變慢，調(diào)節(jié)時(shí)間約為 800s，且有一定的超調(diào)，經(jīng)計(jì)算超調(diào)量約為 %，液位輸出存在微小波 動(dòng)。在此參數(shù)下系統(tǒng)的輸出范圍為 [ ]，輸出平均值為 ，符合系統(tǒng)控制要求。若 Output Values 最大值設(shè)定為 10，則系統(tǒng)最終輸出穩(wěn)定在 94mm，不再符合控制要求。在最合適的比例度下，圖 412 即為圖 413 所示。 圖 413 Repeating Sequence 擾動(dòng)環(huán)節(jié)下系統(tǒng)的響應(yīng)曲線圖（合適比例度下） 擾動(dòng)環(huán)節(jié)下的仿真 系統(tǒng)加入 Step 擾動(dòng)環(huán)節(jié)后的 simiulink圖如圖 414 所示。 內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 28 圖 414 Step 擾動(dòng)環(huán)節(jié)下的 simulink 圖 如圖 414 所示，其中 Step 環(huán)節(jié)參數(shù)設(shè)定， Step time=700,Initial value=0,final value=3,Sample time=3。其響應(yīng)曲線如圖 415 所示。 圖 415 Step 擾動(dòng)環(huán)節(jié)下系統(tǒng)的響應(yīng)曲線圖 如圖 415 所示，在此參數(shù)下，系統(tǒng)調(diào)節(jié)時(shí)間仍為 400s，當(dāng) t=700s 時(shí)刻加入階躍信號(hào)后，系統(tǒng)的輸出為 ，存在很小的超調(diào)，可以忽略。系統(tǒng)穩(wěn)定后的輸出值為 ，符合控制要求。在合適的比例度下圖 415 即圖 416 所示。經(jīng)多次試驗(yàn)知，若將 Step 環(huán)節(jié)的 Final value 值設(shè)定為 5，則最終輸出值為 ，開始不符合控制要求。 圖 416 Step 擾動(dòng)環(huán)節(jié)下系統(tǒng)的響應(yīng)曲線圖（合適比例度） Generator 擾動(dòng)環(huán)節(jié)下的仿真 系統(tǒng)加入 Pulse Generator 擾動(dòng)環(huán)節(jié)后的 simulink圖如圖 417 所示。 內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 29 圖 417 Pulse Generator 擾動(dòng)環(huán)節(jié)下的 simulink 圖 如圖 417 所示，其中擾動(dòng)環(huán)節(jié) Pulse Generator 的參數(shù)設(shè)置如下： Pulse type 設(shè)為 Time based， Amplitude=5， Period（ secs） =2， Pulse Width（ % of period） =50， Phase delay（ secs） =0。其響應(yīng)曲線圖如圖 418 所示。 圖 418 Pulse Generator 擾動(dòng)環(huán)節(jié)下系統(tǒng)的響應(yīng)曲線圖 如圖 418 所示，在加入 Pulse Generator 擾動(dòng)環(huán)節(jié)后，沒有影響系統(tǒng)的調(diào)節(jié)時(shí)間，調(diào)節(jié)時(shí)間仍然為 400s，系統(tǒng)的輸出存在一定的波動(dòng)，波動(dòng)范圍較小，控制過程沒有超調(diào)量。穩(wěn)定后的輸出值約為 ，存在約 的穩(wěn)態(tài)誤差，符合系統(tǒng)控制要求。在合適的比例度下，圖 418 即 為圖 419 所示。 圖 417 Pulse Generator 擾動(dòng)環(huán)節(jié)下系統(tǒng)的響應(yīng)曲線圖（合適比例度） 系統(tǒng)模型發(fā)生改變的仿真 本文所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)中，被控對(duì)象的模型發(fā)生改變時(shí)即等同于為被控對(duì)象傳遞函數(shù)發(fā)生變化。模型發(fā)生變化后的 simulink圖如圖 420 所示。 內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 30 圖 420 系統(tǒng)模型發(fā)生改變后的 simulink 圖 如圖 420 所示，我們將上下水箱傳遞函數(shù)中的 1T 、 2T 分別變?yōu)?80 和 82。這種情況下對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行仿真，得到系統(tǒng)響應(yīng)曲線圖如圖 421 所示。 圖 421 系統(tǒng)模型改變后的響應(yīng)曲線圖 由圖 421 可以看出，當(dāng)系統(tǒng)模型改變不大時(shí)對(duì)系統(tǒng)的影響很小，只是略微的延長(zhǎng)了一點(diǎn)調(diào)節(jié)時(shí)間。 當(dāng)系統(tǒng)模型有較大變化時(shí)，將 1T 、 2T 做較大改動(dòng)以反映系統(tǒng)模型的大變化。如將1T 、 2T 分別變?yōu)?180 和 185，系統(tǒng)的響應(yīng)曲線則如圖 422 所示。 圖 422 系統(tǒng)模型發(fā)生較大改變后的響應(yīng)曲線圖 由圖 422 可知，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生如上變化時(shí)，系統(tǒng)的調(diào)節(jié)時(shí)間變?yōu)?600s，較原系統(tǒng)有所增大。進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后，依然存在一定量的穩(wěn)態(tài)誤差，但并不影響穩(wěn)態(tài)值。 內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 31 模糊液位控制系統(tǒng)的性能分析 通過 節(jié)的系統(tǒng)的 控制性能仿真以及 節(jié)中眾多干擾環(huán)節(jié)下對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行的大量仿真和試驗(yàn)，經(jīng)分析后得知模糊控制系統(tǒng)的特點(diǎn)如下。 (1)控制系統(tǒng)過程響應(yīng)時(shí)間較快。 (2)控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)時(shí)間快。本系統(tǒng)中，在各擾動(dòng)下水位的調(diào)節(jié)時(shí)間均在 400s 左右，符合設(shè)計(jì)要求。 (3)控制系統(tǒng)過程無超調(diào)。這一優(yōu)點(diǎn)在控制中十分顯著，沒有太大的超調(diào)量，系統(tǒng)即可大量縮短調(diào)節(jié)時(shí)間，進(jìn)而迅速進(jìn)入穩(wěn)態(tài)。 (4)控制系統(tǒng) 動(dòng)態(tài)性能優(yōu)越 。水箱液位控制系統(tǒng)本為大時(shí)變、非線性的系統(tǒng)，控制系統(tǒng)中模糊控制理念的引入與應(yīng)用很好的克服了這一問題，得到了很好的動(dòng)態(tài)控制效果。 (5)控制系統(tǒng)有較強(qiáng)的適應(yīng)性。如在章節(jié) 中各試驗(yàn)可知，當(dāng)系統(tǒng)模型發(fā)生改變后，控制系統(tǒng)仍然能夠進(jìn)行控制調(diào)節(jié)，只是在調(diào)節(jié)時(shí)間上有所增大，但是被控量仍能夠符合控制要求。 如上所述，系統(tǒng)的的控制性能十分優(yōu)越，但是有一缺點(diǎn)確實(shí)難以克服