【正文】 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(guò)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(guò)程演示出來(lái)。 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(shuō) 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。例如，當(dāng)輸入 E 為 NB， EC 為 NB 時(shí)，輸出 U為 PB。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(lái)實(shí)現(xiàn)雙輸入單輸出結(jié)構(gòu)如圖 32 所示。 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(shuō) 明書 25 在實(shí)際中由于上、下水箱的管道過(guò)長(zhǎng)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。 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(guò)控制流入上水箱水速的大小 ， 來(lái)控制下水箱液位的高度。 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(guò)程各是一個(gè)具有自衡能力的單容過(guò)程。運(yùn)用計(jì)算機(jī)程序來(lái)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。在這一過(guò)程中，首先要通過(guò)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。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。我們可以只對(duì)其中的 兩個(gè)比例因子尋優(yōu)，則問(wèn)題就簡(jiǎn)化為一個(gè)二維尋優(yōu)過(guò)程，大大簡(jiǎn)化了計(jì)算。 模糊控制在液位控制中的仿真應(yīng)用設(shè)計(jì) 20 在實(shí)時(shí)運(yùn)行中，對(duì)系統(tǒng)的輸出 y 進(jìn)行采樣，并以偏差 e=ry 去求給定的性能指標(biāo)值。 由于比例因子的校正較為容易，故校正比例因子是一種較簡(jiǎn)捷的自校正方法。所以，在模糊控制系統(tǒng)中，如果要校正語(yǔ)言變量的隸屬函數(shù)，關(guān)鍵在于改變范圍值?？刂葡到y(tǒng)中對(duì)性能指標(biāo)的要求如下： 第一，性能指標(biāo)必須而且只能得出一個(gè)單一的等于或大于零的正整數(shù)； 第二，性能指標(biāo)只有在偏差恒為零的情況下才等于零； 第三，性能指標(biāo)由系統(tǒng)的參數(shù)描述，并且必須有極大或極小值，故性能指標(biāo)是系統(tǒng)參數(shù)的函數(shù)，并能求極值。 (3) 自 整定 模糊 PID 控制器。在這種結(jié)構(gòu)中，模糊控制器和 PI 控制器并聯(lián)連接，共同對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行控制。為了解決這些問(wèn)題，可考慮用線性控制器和模糊控制器結(jié)合對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行控制，一般的線性控制器是 PI 控制器。式 (222)左邊三項(xiàng)分別表示比例、積分和微分作用，式 (222)也可以寫成如下形式： dtdeke d tkeky dip ? ??? （ 223） 將式 (223)中的 y、 e、 d 進(jìn)行模糊化，就得到模糊量 Y、 E、 D，則控制規(guī)律表示為： DkdtEkEkY dip ??? ? （ 224） 模糊控制在液位控制中的仿真應(yīng)用設(shè)計(jì) 18 可見(jiàn)，式 (224)是一個(gè)模糊方程，而它又反映了 PID 的特性。這種結(jié)構(gòu)是在上世紀(jì) 80 年代中期人們提出來(lái)的?？刂扑惴ǖ膶?shí)現(xiàn)相當(dāng)困難。一般情況下，一維模糊控制器用于一階被控對(duì)象。 在模糊控制器中一般最易為人所觀察到的就是被控過(guò)程的輸出變量及其變化率，因此通常把誤差 e 及其變化率 ec 作為模糊控制器的輸入語(yǔ)言變量，把控制量 U作為模糊控制器的輸出語(yǔ)言變量，從關(guān)系上看為 U=F(E,EC)，實(shí)質(zhì)上體現(xiàn)為模糊控制器是一種非線性的比例微分 (PD)控制關(guān)系。這種系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和一般的模擬或數(shù)字控制系模糊控制在液位控制中的仿真應(yīng)用設(shè)計(jì) 16 統(tǒng)并沒(méi)有太大的區(qū)別。值得注意的是，在這個(gè)階段出現(xiàn)了硬件化的模糊集成電路組成的模糊控制器，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)自學(xué)習(xí)的模糊控制器等新型產(chǎn)品 [12]。這個(gè)階段的模糊控制器的結(jié)構(gòu)較單一，自適應(yīng)能力和魯棒性都有限，控制精度也不高。在這段時(shí)間中，模糊控制已經(jīng)歷了兩個(gè)階段，即簡(jiǎn)單模糊控制階段和自我完善模糊控制階段。此部分是模糊控制器的精髓所在。其中 E、EC、 U統(tǒng)稱為模糊變量。 模糊控制實(shí)現(xiàn)了人的某些智能，是一 種典型的智能控制，在自動(dòng)控制和智能控制學(xué)科中占有相當(dāng)重要的地位，代表了新時(shí)代極有生命力的智能化發(fā)展方向。 人的經(jīng)驗(yàn)是一系列含有語(yǔ)言變量值的條件語(yǔ)句和規(guī)則，而模糊集合理論又能十分恰當(dāng)?shù)乇磉_(dá)具有模糊性的語(yǔ)言變量和條件語(yǔ)句。所以，利用傳統(tǒng)方法對(duì)這些復(fù)雜系統(tǒng)進(jìn)行有效的控制基本上是不可能的。 模糊控制 的 基礎(chǔ) 知識(shí) 把模糊數(shù)學(xué)理論用于自動(dòng)控制領(lǐng)域而產(chǎn)生的控制方式稱為模糊控制。設(shè) U、 V、 W 為三個(gè)論域， R 為 U 到 V 的一個(gè)模糊關(guān) 系， S 為 V 到 W 的一個(gè)模糊關(guān)系，則模糊關(guān)系 R(U,V)和 S(V,W) 的合成SR? 是 U W 中的一個(gè)模糊關(guān)系，其隸屬度函數(shù)為： 吉林化工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 說(shuō) 明書 13 )]w,v(),v,u( t [ma x)w,u(sRVvSR ??? ??? （ 219） 其中， (u,w)?U W， t 表示任一 t范數(shù)。對(duì)任意 Ux? ，當(dāng)且僅當(dāng) μA(x)≤μB(x)時(shí)，稱 B 包含 A，記為 BA? 。若將論域 U 看作一個(gè)模糊全集，則 F(U)表示 U 中的所有模糊子集 A 的全體，即 ?? UAA)U(F ?? （ 29） 模糊集合的基本運(yùn)算 單一模糊集合只能表示單個(gè)事物的特征。即：對(duì)于任意 α，當(dāng)且僅當(dāng)模糊集 A 在區(qū)間 (0,1]上的 α截集 Aα為凸集時(shí)，模糊集 A 是凸模糊集。 模糊集的高度，是指任意點(diǎn)所達(dá)到的最大隸屬度值。然而，有些概念是模糊集合體系所特有的，不能通過(guò)經(jīng)典集合推廣。模糊集合及其隸屬度函數(shù)的出現(xiàn)，使人們更客觀、更準(zhǔn)確地利用數(shù)學(xué)語(yǔ)言描述事物。 由定義 和 可知， 模糊集合是經(jīng)典集合的一種推廣，它允許隸屬度函數(shù)在區(qū)間 [0,1]內(nèi)任意取值。 定義 論域 U 上的模糊集合 A 用隸屬度函數(shù) μA(x)來(lái)表示，其取值范圍為[0,1]。而客觀事物只有少數(shù)符合這種 “ 跳變 ” 的性質(zhì)，絕大多數(shù)事物屬性的變化都是一個(gè)漸進(jìn)的過(guò)程。在研究的過(guò)程中，人們發(fā)現(xiàn)大多數(shù)客觀事物并不具有這種清晰性，比如，根據(jù)人的年齡，可以把人分為“少年”、“青年”、“中年”、“老年”等，而這些概念之間的界限是非常不清晰的；同樣，根據(jù)人的身高可以將人分為“矮個(gè)子”、“中等個(gè)子”、“高個(gè)子 ”等，這些概念之間同樣沒(méi)有明確的界限，用經(jīng)典集合論對(duì)這些概念進(jìn)行定義就顯得無(wú)能為力了。對(duì)于這種集合的概念，可用特征函數(shù)（或稱為隸屬函數(shù)）描述如下： ??? ??? A x0 A x1)x(A? （ 21） 集合等價(jià)于其特征函數(shù) μA(x)。每個(gè)數(shù)學(xué)分支都可以 看作研究某類對(duì)象的集合，因此，集合的理論統(tǒng)一了許多似乎沒(méi)有聯(lián)系的概念 。這個(gè)原理說(shuō)明：人們 不應(yīng)該也不可能對(duì)系統(tǒng)的準(zhǔn)確性作過(guò)分的追求，只能對(duì)系統(tǒng)采用取其主要特征而舍棄其次要特征的辦法來(lái)描述，從而盡量降低其復(fù)雜性而又不會(huì)使其過(guò)于簡(jiǎn)單。 事物的復(fù)雜性使人們不可能精確地去了解它。 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)。 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(shì)，從而 使得其應(yīng)用越來(lái)越廣泛，也越來(lái)越受到科學(xué)家和工程師的青睞。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(duì)模糊理論相關(guān)知識(shí)進(jìn)行理論學(xué)習(xí)。 當(dāng)前的 強(qiáng)大的高級(jí)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。在那以前控制界很多學(xué)者使用 ACSL（高級(jí)連續(xù)仿真語(yǔ)言）作為系統(tǒng)仿真的語(yǔ)言，而方便、圖形化的 Simulink 一出現(xiàn)，就迅速地取代了 ACSL 語(yǔ)言，成為研究者首選的仿真工具。除了流行于控制界，MATLAB 還在圖象信號(hào)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。 仿真建模工具軟件 MATLAB／ SIMULINK 簡(jiǎn)介 MATLAB 軟件 (又稱為 MATLAB 語(yǔ)言 )，是由美國(guó) 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(jí)圖形與可視化、高級(jí)編程語(yǔ)言的集成化科學(xué)計(jì)算環(huán)境。 （３） 對(duì)于多級(jí)復(fù)雜的水箱水位控制系統(tǒng)存在時(shí)間滯后，包括測(cè)量帶滯后、過(guò)程延遲和傳輸時(shí)滯等。近年來(lái)，模糊控制已滲透到家用電器領(lǐng)域。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(shí)（或稱為規(guī)則）甚至語(yǔ)義描述的不確定性推理方法。自 1974年英國(guó)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(lái)，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。 模糊控制理論簡(jiǎn)介 模糊控制理論的產(chǎn)生、發(fā)展及現(xiàn)狀 美國(guó)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(lái)。液位控制系統(tǒng)的檢測(cè)及計(jì)算機(jī)控制已成為工業(yè)生產(chǎn)自動(dòng)化的一個(gè)重要方面 [1]。 Fuzzy controller。 關(guān)鍵詞： 水位控制；模糊控制 器 ； 模糊規(guī)則 。 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) Simulation Design Based on Fuzzy Controller in Liquid Level Control 學(xué)生學(xué)號(hào)： 09510441