【導(dǎo)讀】吉林化工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)。模糊控制在液位控制中的仿真應(yīng)用設(shè)計(jì)。專業(yè)班級(jí)：自動(dòng)0904. 本次設(shè)計(jì)主要論述了應(yīng)用模糊控制理論控制水箱液位，詳盡的介紹模糊控制理論的相。關(guān)知識(shí)，提出水箱液位模糊控制的方案，建立基于水箱水位的數(shù)學(xué)模型并用MATLAB進(jìn)行。首先根據(jù)雙容水箱的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，通過計(jì)算得到數(shù)學(xué)模型的傳遞函數(shù)；然后利用Matlab. 工具箱設(shè)計(jì)模糊控制器，具體包括以下三步：確定模糊控制器的結(jié)構(gòu)；輸入輸。出的模糊化；模糊推理決策算法設(shè)計(jì)；最后分別用常規(guī)PID控制與模糊控制對(duì)雙容水。通過常規(guī)PID控制與模糊控制仿真結(jié)果的對(duì)比，我們能看出模糊控制較傳統(tǒng)的PID控。制來講具有響應(yīng)速度快、適應(yīng)性較強(qiáng)，即魯棒性好、超調(diào)量小穩(wěn)定時(shí)間較長等優(yōu)點(diǎn)，顯示。出很強(qiáng)的抗干擾性能。

　　

【正文】 越小的方向不斷修改 Ka、 Kb 及 Ku，直到性能指標(biāo)值滿足給定的閥值為止。 圖 29 比例因子及量化因子自校正模糊控制器結(jié)構(gòu)框圖 由于比例因子及量化因子共有三個(gè)，故這是一個(gè)三維尋優(yōu)的過程。我們可以只對(duì)其中的 兩個(gè)比例因子尋優(yōu)，則問題就簡化為一個(gè)二維尋優(yōu)過程，大大簡化了計(jì)算。尋優(yōu)過程可采用線性規(guī)劃、動(dòng)態(tài)規(guī)劃、多變量搜索法等。 根據(jù)以上的學(xué)習(xí)，我們知道：在所有的模糊控制器中，毫無例外地都要完成三個(gè)功能，即把精確量轉(zhuǎn)換成模糊量（也即是模糊化）；按給定的模糊控制規(guī)則進(jìn)行模糊推理；把輸出模糊量轉(zhuǎn)換成精確量（也即是反模糊化或稱精確化 ） [13]。 本章小結(jié) 模糊控制是以模糊集合理論、模糊語言變量及模糊邏輯推理為基礎(chǔ)的一種計(jì)算機(jī)數(shù)字控制方式。模糊控制是一種基于非線性的、智能化的控制方式，并且是目前實(shí)現(xiàn)智能控制的一種重要 而有效的形式。如果將模糊控制與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、遺傳算法及混沌理論等新興學(xué)科相融合，將顯示出其巨大的應(yīng)用潛力。現(xiàn)在，已有不少的專家、學(xué)者和工程師正在進(jìn)行這方面的理論研究和實(shí)踐探索。 在自動(dòng)控制技術(shù)產(chǎn)生之前，人們?cè)谏a(chǎn)過程中只能采用手動(dòng)控制方式。在這一過程中，首先要通過觀測(cè)被控對(duì)象的輸出，然后根據(jù)觀測(cè)結(jié)果作出決策，最后手動(dòng)調(diào)整輸入。操作工人就是不斷地遵循這個(gè) “觀測(cè) —決策 —調(diào)整 ”過程，實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)過程的手動(dòng)控制。人的這種控制行為，正是遵循反饋及反饋控制的思想。 吉林化工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 說 明書 21 手動(dòng)控制決策可以用語言加以描述，總結(jié)成一系列條件語句，即控制 規(guī)則。運(yùn)用計(jì)算機(jī)程序來實(shí)現(xiàn)這些控制規(guī)則，計(jì)算機(jī)就起到了控制器的作用。描述控制規(guī)則的條件語句具有一定的模糊性，如果用模糊集合來描述這些模糊條件語句，即組成了所謂的模糊控制器。 通過這章的學(xué)習(xí)，已基本掌握了模糊理論的基本算法，及模糊控制器的基本設(shè)計(jì)方法，根據(jù)本章的討論，我們完全可以將模糊控制理論應(yīng)用于水箱水位對(duì)象，從而實(shí)現(xiàn)具有較高控制質(zhì)量的模糊自動(dòng)控制，下一章里我們將具體介紹水箱水位模糊控制器的建立方法。 模糊控制在液位控制中的仿真應(yīng)用設(shè)計(jì) 22 第三章 水箱水位模糊控制器的建立 本章利用模糊數(shù)學(xué)工具及模糊控制理論知識(shí)，建立一個(gè)水箱水位模糊控制器，水 位模糊控制器可以設(shè)計(jì)為二維控制器，即輸入量是水位誤差和誤差變化率 。 雙容水箱的動(dòng)態(tài)分析與建模 如圖 31 雙容水箱系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖所示，系統(tǒng)中上水箱和下水箱液位變化過程各是一個(gè)具有自衡能力的單容過程。水箱的流入量為 Q1，流出量為 Q2，通過改變閥 1 的開度改變Q1值，改變閥 2 的開度可以改變 Q2值，改變閥 3 的開度可以改變 Q3值。液位 h越高，水箱內(nèi)的靜壓力增大 ,Q2也越大。液位的變化反映了 Q1和 Q2不等而導(dǎo)致水箱蓄水或?yàn)a水的過程。 C 1R 2C 2R 3R 1P 6Q 1Q 2Q 3液 位 檢 測(cè)調(diào) 節(jié) 器 圖 31 雙容水箱系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 串聯(lián)雙容水箱液位控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖 31 所示 ； 其工 作原理是通過控制流入上水箱水速的大小 ， 來控制下水箱液位的高度。圖中 Q1， Q2， Q3 為流過 閥 R閥 R閥 R3的流量； R R R3 為流過閥 R閥 R閥 R3的液阻 ； C C2為槽 槽 2 的液容系數(shù)； h h2 為槽 槽 2 的液位。 根據(jù)動(dòng)態(tài)物料平衡關(guān)系，可得到如下增量式方程 : 吉林化工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 說 明書 23 dthdC 1121 ????? （ 31） t 2232 d hdC ????? （ 32） 可以近似認(rèn)為 Q2與 R2成反比 , 與 h1 成正比 ； Q3與 R3成反比 ， 與 h2 成正比 。 故 ： 212 RhQ ??? （ 33） 323 RhQ ??? （ 34） 整理可得 : ? ? 1022212 2221 QKhdtdhTTdt hdTT ??????? （ 35） 相應(yīng)的傳遞函數(shù)為： ? ? ? ?? ? ? ? 121221 012 ????? sTTsTT KsQ sHsG （ 36） 式中 :T1 為槽 1 的時(shí)間常數(shù) , T1 =R2C1； T2 為槽 2 的時(shí)間常數(shù) ,T2=R3C2； K0為過程放大系數(shù) , K0=R3。 現(xiàn)在對(duì)一個(gè)參數(shù) T1 =10， T2 =12， K0 =20， 即傳遞函數(shù)為 ： 模糊控制在液位控制中的仿真應(yīng)用設(shè)計(jì) 24 ? ? ? ?? ? 122120 20212 ???? sssQ sHsG （ 37） 吉林化工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 說 明書 25 在實(shí)際中由于上、下水箱的管道過長時(shí)存在延時(shí)，則此時(shí)傳遞 函數(shù)多一個(gè)滯后環(huán)節(jié)，為： ? ? ? ?? ? s212 12212 0 20 ?????? esssQ sHsG (38) Matlab 下模糊控制器的設(shè)計(jì) 根據(jù)模糊控制器設(shè)計(jì)步驟，一步步利用 Matlab 工具箱設(shè)計(jì)模糊控制器。 Matlab 模糊控制工具箱為模糊控制器的設(shè)計(jì)提供了一種非常簡便的途徑，通過它我們不需要進(jìn)行復(fù)雜的模糊化、模糊推理及反模糊化運(yùn)算，只需要設(shè)定相應(yīng)參數(shù)，就可以很快得到我們想要的控制器，而且修改也很方便。具體 包括以下幾步：（ 1）確定模糊控制器的結(jié)構(gòu) :；（ 2）輸入輸出的模糊化；（ 3）模糊推理決策算法設(shè)計(jì)。 確定模糊控制器的結(jié)構(gòu) 確定模糊控制器的結(jié)構(gòu)：即根據(jù)具體的系統(tǒng)確定輸入、輸出量。我們選取標(biāo) 準(zhǔn) 的二維控制結(jié)構(gòu)，即輸入為誤差 E 和誤差變化 EC，輸出為控制量 U 并選擇增加輸入（ Add Variable）來實(shí)現(xiàn)雙輸入單輸出結(jié)構(gòu)如圖 32 所示。 圖 32 模糊控制器的結(jié)構(gòu) 模糊控制在液位控制中的仿真應(yīng)用設(shè)計(jì) 26 輸入輸出的模糊化 首先 我們 要確定描述輸入輸出變量語言值的模糊子集，即確 定 誤差 E,誤差變化 EC及控制量 U語言變量的語言值 的模糊子集及其論域定義如下： EC 和 U的模糊集均為 {NB， NM， NS， O， PS， PM， PB} E 的模糊集為 {NB， NM， NS， NO， PO， PS， PM， PB} 其中： NB 表示負(fù)大； NM表示負(fù)中； NS 表示負(fù)小； NO 表示負(fù)零； O 表示零； PO表示正零； PS 表示正小； PM表示正中； PB 表示正大。上面的誤差模糊集選取了 8 個(gè)元素，區(qū)分了 NO 和 PO，主要是著眼于提高穩(wěn)態(tài)精度。 E 和 EC 的論域均為 {6， 5， 4， 3， 2， 1,0,1,2,3,4,5,6} U的論域?yàn)? {7， 6， 5， 4， 3， 2， 1,0,1,2,3,4,5,6,7} E,EC 和 U的隸屬函數(shù)分別如下圖 33,34,35 所示 : 圖 33 E的隸屬函數(shù) 吉林化工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 說 明書 27 圖 34 EC的隸屬函數(shù) 圖 35 U的隸屬函數(shù) 模糊推理決策算法設(shè)計(jì) 首先 根據(jù) 控制工程知識(shí)和成熟的控制經(jīng)驗(yàn)為基礎(chǔ) 確定模糊控制規(guī)則如下表 31，其 表示建立的 56 條模糊控制規(guī)則。例如，當(dāng)輸入 E 為 NB， EC 為 NB 時(shí)，輸出 U為 PB。 模糊控制在液位控制中的仿真應(yīng)用設(shè)計(jì) 28 表 31 模糊控制規(guī)則表 EC U E NB NM NS ZO PS PM PB NB PB PB PB PB PM ZO ZO NM PB PB PB PB PM ZO ZO NS PM PM PM PM ZO NS NS NO PM PM PS ZO NS NM NM PO PS PS ZO NM NM NM NM PS PS PS ZO NM NM NM NM PM ZO ZO NM NB NB NB NB PB ZO ZO NM NB NB NB NB 其次 根據(jù)隸屬函數(shù) 確定模糊變量的賦值表，模糊變量 E、 EC 及 U 的賦值分別如表32， 33， 34 所示。它們是根據(jù)不同對(duì)象的實(shí)際情況具體確定。 例如表 2 表示 E 的隸屬函數(shù)為 PB，當(dāng) E=3 時(shí)輸入賦值為 。 表 32 模糊變量 E的賦值表 E U E 6 5 4 3 2 1 0 0 1 2 3 4 5 6 PB 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 PM 0 0 0 0 0 0 0 0 0 PS 0 0 0 0 0 0 0 0 0 PO 0 0 0 0 0 0 0 0 0 NO 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 NS 0 0 0 0 0 0 0 0 0 NM 0 0 0 0 0 0 0 0 0 NB 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 吉林化工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 說 明書 29 表 33模糊變量 EC的 賦值 表 EC EC U 6 5 4 3 2 1 0 1 2 3 4 5 6 PB 0 0 0 0 0 0 0 0 0 PM 0 0 0 0 0 0 0 0 PS 0 0 0 0 0 0 0 0 0 ZO 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 NS 0 0 0 0 0 0 0 0 0 NM 0 0 0 0 0 0 0 0 NB 0 0 0 0 0 0 0 0 0 表 34 模糊變量 U的賦值表 U U U 7 6 5 4 3 2 1 0 1 2 3 4 5 6 7 PB 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 PM 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 PS 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 ZO 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 NS 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 NM 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 NB 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 最終得到模糊控制器的輸出觀測(cè)器如圖 37 和 38。 圖 37 規(guī)則觀測(cè)器 圖 38 曲面觀測(cè)器 模糊控制在液位控制中的仿真應(yīng)用設(shè)計(jì) 30 本章小結(jié) 以上 便是二 維水位模糊控制器設(shè)計(jì)整個(gè)設(shè)計(jì)流程，應(yīng)用的時(shí)候?qū)⒉樵儽淼臄?shù)據(jù)輸入負(fù)責(zé)控制的計(jì)算機(jī)或單片機(jī)的 rom 中即可 。我們發(fā)現(xiàn) 二維控制器 的控制精度高 ， 但是 描述整個(gè)控制系統(tǒng)的模糊關(guān)系矩陣及模糊控制查詢表將變得更加復(fù)雜，單靠人工計(jì)算有很大困難，因此我們要借助計(jì) 算機(jī)的計(jì)算能力來解決這個(gè)問題， MATLAB 軟件是專門用來求解矩陣相關(guān)問題的軟件，近幾年來更是有各個(gè)領(lǐng)域的眾多專家為其編寫了大量的工具包，模糊控制領(lǐng)域當(dāng)然不落其后，在下一章中將主要討論利用 MATLAB 來建立水箱水位的模糊推理系統(tǒng)，并利用 smulink 工具箱對(duì)其進(jìn)行仿真建模 。 吉林化工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 說 明書 31 第四章 利用 MATLAB 對(duì)水箱水位系統(tǒng)進(jìn)行仿真建模 仿真的基本思想是利用物理或數(shù)學(xué)的模型來類比模仿現(xiàn)實(shí)過程，尋求規(guī)律。計(jì)算機(jī)仿真也稱為計(jì)算機(jī)模擬，就是利用計(jì)算機(jī)對(duì)所研究的結(jié)構(gòu)、功能和行為以及參與控制系統(tǒng)的主控者 —人的思維過程和行 為，進(jìn)行動(dòng)態(tài)的比較和模仿，利用建立的仿真模型對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行研究和分析，并可將系統(tǒng)過程演示出來。 在這章里我們要用 MALAB