【正文】 用于水箱水位系統(tǒng)控制的意義 采用傳統(tǒng)的控制方法對鍋爐實施控制時存在以下一些難以克服的困難： （１） 在一些應用中系統(tǒng)存在嚴重耦合，如在密封 容器中水與氣體的耦合。近年來，模糊控制已滲透到家用電器領域。充分顯示了其對大規(guī)模系統(tǒng)、多目標系統(tǒng)、非線性系統(tǒng)以及具有結構不確定性的系統(tǒng)進行有效控制的能力。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。特別是在日本，模糊理論的應用得到空前發(fā)展，最引人注目的是 1987 年 7 月仙臺市采用模糊邏輯進行控制的地下鐵路運輸系統(tǒng)成功地投入運行。自 1974 年英國的 E. H. Mamdani 教授成功地將模糊邏輯應用于鍋爐和蒸汽機控制以來，模糊控制已逐漸得到了廣泛的發(fā)展并在現(xiàn)實中得到成功的應用。后來，扎德又提出模糊語言變量這個重要的模糊邏輯概念。因此基于知識規(guī)則的模糊控控制理論在其應用中就有了理論和現(xiàn)實意義 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)學這門學科漸漸發(fā)展起來。 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)學模型的常規(guī)控制器難以取得理想的控制效果。而隨著我國工業(yè)自動化程度的提高，規(guī)模的擴大，在工程中液位控制的計算機控制得到越來越多的應用。 40 水箱水位模糊控制系統(tǒng)仿真建模 1 緒論 水箱水位系統(tǒng)概述 在能源、化工等多個領域中普遍存在著各類液位控制系統(tǒng)液。 40 參考文獻 37 本章小結 26 水箱水位模糊推理系統(tǒng)（ FIS）的建立 25 本章小結 24 模糊判決 24 輸入量模糊化 21 控制規(guī)則描述 15 本章小結 15 模糊控制系統(tǒng)的結構 14 模糊控制的回顧和展望 8 從經(jīng)典集合到模糊集合的轉變 6 仿真建模工具軟件 MATLAB／ SIMULINK 簡介 6 模糊控制理論運用于水箱水位系統(tǒng)控制的意義 5 模糊控制理論簡介 5 水箱水位系統(tǒng)概述 目 錄 摘要 Abstract 1 緒論 本試驗系統(tǒng)還充分利用了 MATLAB 的模糊邏輯工具箱和 SIMULINK 相結合的功能，首先在模糊邏輯工具箱中建立模糊推理系統(tǒng) FIS作為參數(shù)傳遞給模糊控制仿真模塊，然 后結合圖形化的仿真和建模工具，再通過計算機仿真模擬出實際系統(tǒng)運行情況。 近年來模糊控制在許多控制應用中都取得了成功，模糊控制應用于控制系統(tǒng)設計不需要知道被控對 象精確的數(shù)學模型，對于許多無法建立精確數(shù)學模型的復雜系統(tǒng)能獲得較好的控制效果，同時又能簡化系統(tǒng)的設計，因此，在水箱水位自動控制系統(tǒng)中，模糊控制就成為較好的選擇。 欽州學院系統(tǒng)仿真課程設計 設計 題目 水箱水位模糊控制系統(tǒng)建模仿真 水箱水位模糊控制系統(tǒng)仿真建模 摘 要 水位控制系統(tǒng)在各個領域上都有廣泛應用，雖然其結構簡單但由于控制過程具有多變量，大滯后，時變性 等 特點，且在控制過程中 系統(tǒng) 會受到各種不確定因素的影響，難于建立精確的數(shù)學模型。 雖然自適應、自校正控制理論可以對缺乏數(shù)學模型的被控對象進行識別，但這種遞推法復雜，實時性差。 本文主要論述了應用模糊控制理論控制水箱水位系統(tǒng) ，首先詳盡的介紹了模糊控制理論的相關知識，在此基礎上提出了用模糊理論實現(xiàn)對水箱水位進行控制的方案，建立了簡單的基于水箱水位的模糊控制器數(shù)學模型。通過試驗模擬，證明了其可行性。 5 模糊控制理論的產(chǎn)生、發(fā)展及現(xiàn)狀 6 本文的主要任務及內(nèi)容安排 8 2 模糊理論及模 糊控制基礎 8 模糊理論基礎 9 模糊集合的基本概念 10 模糊集合的基本運算 12 模糊控制基礎 20 3 水箱水位模糊控制器的建立 20 輸入輸出語言變量語言值的選取及其賦值 表 24 水位控制模糊關系矩陣 24 模糊推理 24 模糊推理 25 水位模糊控制查詢表 25 4 利用 MATLAB 對水箱水位系統(tǒng)進行仿真建模 26 對 SIMULINK 模型控制系統(tǒng)的構建 34 進行 Simulink 模型仿真 37 結論 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、磁電式和接近開關式。液位控制系統(tǒng)的檢測及計算機控制已成為工業(yè)生產(chǎn)自動化的一個重要方面。但是 一些熟練的操作工人、領域專家卻可以得心應手的進行手工控制。 1966 年，P. N. Marinos 發(fā)表了模糊邏輯的研究報告，這標志著模糊邏輯真正地誕生。 1974 年， 扎德又進行模糊邏輯推理的研究。從此，模糊邏輯成為專家學者、控制工程師們研究的一個熱門課題。 目前，模糊理論及其應用愈來愈受到人們的歡迎，在學術界也受到不同專業(yè)研究工作者的重視，在化工、機械、冶金、工業(yè)爐窯、水處理、食品生 產(chǎn)等多個領域中發(fā)揮著重要的作用?？刂葡到y(tǒng)的設計不要求知道被控對象的精確數(shù)學模型，只需要提供專家或現(xiàn)場操作人員的經(jīng)驗知識及操作數(shù)據(jù)，因而對于許多無法建立精確數(shù)學模型的復雜系統(tǒng)能獲得較好的控制效果，同時又能簡化系統(tǒng)硬件電路的設計。 我國模糊控制理論及其應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行理論研究，如對模糊控制系統(tǒng)的結構、模糊推理算法、模糊語言和模糊文法、自學習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 成果主要集中應用于工業(yè)爐窯、機床及造紙機等的控制。國內(nèi)外現(xiàn)在已有模糊電飯煲、模糊洗衣機、模糊微波爐、模糊空調機等在市場上出現(xiàn)。 （２） 由環(huán)境溫度的不斷變化給系統(tǒng)帶來的不確定性。 （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。 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)自調整功能等眾多經(jīng)典ＰＩＤ控制所不具備的特點能很好的克服以上所列的困難。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驗手段，該軟件出現(xiàn)以后一直在美國 New Mexico 等大學作為教學輔助軟件使用，同時作為面向公眾的免費軟件廣為流傳。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域研究人員的注意力，并在它的基礎上開發(fā)了專門的控制理論 CAD 應用程序集（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。 MATLAB 當前的功能包括可靠的數(shù)值運算 (不局限于矩陣運算 )、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，同時有大量配套 的工具箱，如控制界最流行的 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)，多變量頻域設計工具箱 (multivariable frequency design toolbox)， μ 分析與校正 (μanalysis andsynthesis toolbox)，神經(jīng)網(wǎng)絡工具箱 (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。 Simulink 是一個基于 MATLAB 平臺用來對動態(tài)系統(tǒng)進行建模、仿真和分析的面向結構圖方式的仿真環(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)仿真領域中最為著名的集成仿真環(huán)境之一。 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（實例庫）。Simulink 支持線性和非線性系統(tǒng)，能夠在連 續(xù)時間域、離散時間域或兩者的混合時間域里進行建模仿真，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 無縫結合，使其能夠直接利用 Matlab 豐富的資源和強大的科學計算功能；另外， Simulink 在系統(tǒng)仿真領域已得到廣泛的承認和應用，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。圖 1— 2 則形象的給出了 Simulink 與 MATLAB 之間的層次關系，由圖 1— 2 可以看出 Simulink 是建立在 MATLAB 的基礎之上的，它是 MATLAB 環(huán)境中的一個模塊， Simulink Blockset 提供豐富的模塊庫，廣泛的用于控制、 DSP、通訊等領域； Stateflow 是一種利 用有限狀態(tài)機理論建模和仿真事件驅動系統(tǒng)的可視化設計工具，適合于描述復雜的開關控制邏輯、狀態(tài)轉移圖以及流程圖等； 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，并且能夠自動地結合到 RTW 生成碼中。本文主要是探討模糊控制理論的一種典型應用，其生成的實物并沒有直接的應用的價值，因此不值得浪費經(jīng)費去形成成品，而利用了當前流行的仿真軟件 MATLAB/SIMULINK，進行仿真建模生成軟件模型進行仿真調試，以期達到掌握參數(shù)，控制精度，動態(tài)特性等指標的比 較結果的目的。 （２） 結合一級水箱水位系統(tǒng)進行模糊控制器的設計 （３） 利用 MATLAB/SIMULINK 軟件對水箱水位系統(tǒng)進行仿真建模。 2 模糊理論及模糊控制基礎 模糊理論的產(chǎn)生和實際應用的雖然只有短短幾十年的時間，但由于其在工程應用中具有得天獨厚的優(yōu)勢，從而使得其應用越來越廣泛，也越來越受到科學家和工程師的青睞。鑒于此，我們有必要了解相關的模糊理論和模糊控制的知識，為模糊控制器的設計打下一定的理論基礎。 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。當人對事物進行研究時，事物在人腦中的反映也具有模糊性。 事物的復雜性使人們不可能精確地去了解它。 Zadeh 提出的 “大系統(tǒng)不相容原理 ”清楚地指出了復雜性與精確性的對立關系。這個原理說明：人們不應該也不可能對系統(tǒng)的準確性作過分的追求，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，從而盡量降低其復雜性而又不會使其過于簡單。實踐也證明，對任何一個物理系統(tǒng)進行確切描述是不可能的，然而模糊描述則有利于提高解決問題的效率。每個數(shù)學分支都可以看作研究某類對象的集合，因此，集合的理論統(tǒng)一了許多似乎沒有聯(lián)系的概念。即：集合一般指具有某種屬性的、確定的、彼此間可以區(qū)別的事物的全體。對于這種集合的概念，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? （ ） 集合等價于其特征函數(shù) μA(x)。這就是我們使用最為普遍并被大多 數(shù)人所接受的