【正文】 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(xué)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(kuò)大，在工程中液位控制的計(jì)算機(jī)控制得到越來越多的應(yīng)用。 Fuzzy rules。 (3)Design of fuzzy reasoning and decision algorithms. Finally, by using the MATLAB fuzzy logic toolbox and SIMULINK bination function,Compare the simulation result of conventional PID control and fuzzy control for dualtank system. By contrast to conventional PID control and fuzzy control simulation results, we can see the fuzzy control over the conventional PID control with fast response, strong adaptability, robustness, and overshoot advantages of a small stable for a long time, showing the expected good steady performance.Key Words：Level control。 FIS I AbstractThis paper is primarily on the applied fuzzy control theory control level in the reservoir system, first introduced in detail the fuzzy control theory of knowledge, and Then put forward to realize the control of the water level in the water tank scheme using fuzzy theory,finally simulation design of mathematical model of fuzzy controller with MATLAB based on the water tank water level .Firstly, according to the system structure of double tank, transfer function is obtained through the calculation of mathematical model. Then use the Matlab toolbox to design the fuzzy controller, including the following three steps: (1)Determine the structure of fuzzy controller。通過常規(guī)PID控制與模糊控制仿真結(jié)果的對比，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。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： 09510441 學(xué)生姓名： 霍可棟 專業(yè)班級： 自動0904 指導(dǎo)教師： 呂春蘭 職 稱： 副教授 起止日期： ～ 吉 林 化 工 學(xué) 院Jilin Institute of Chemical Technology吉林化工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書摘 要本次設(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，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)行仿真設(shè)計(jì)。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：（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)；最后分別用常規(guī)PID控制與模糊控制對雙容水箱系統(tǒng)仿真。關(guān)鍵詞：水位控制；模糊控制器；模糊規(guī)則。 (2)Fuzzy input and output。 Fuzzy controller。 FIS III 目 錄摘 要 IAbstract II第一章 緒論 1 模糊控制水箱水位系統(tǒng)概述 1 模糊控制理論簡介 1 模糊控制理論的產(chǎn)生、發(fā)展及現(xiàn)狀 1 模糊控制理論運(yùn)用于水箱水位系統(tǒng)控制的意義 2 仿真建模工具軟件MATLAB／SIMULINK簡介 2 本文的主要任務(wù)及內(nèi)容安排 4第二章 模糊理論及模糊控制基礎(chǔ) 6 6 從經(jīng)典集合到模糊集合的轉(zhuǎn)變 6 模糊集合的基本概念 8 模糊集合的基本運(yùn)算 11 模糊控制的基礎(chǔ)知識 13 模糊控制的一般概念 14 模糊控制的回顧和展望 15 模糊控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu) 15 本章小結(jié) 20第三章 水箱水位模糊控制器的建立 22 雙容水箱的動態(tài)分析與建模 22 Matlab下模糊控制器的設(shè)計(jì) 24 確定模糊控制器的結(jié)構(gòu) 24 輸入輸出的模糊化 25 模糊推理決策算法設(shè)計(jì) 26 本章小結(jié) 29第四章 利用MATLAB對水箱水位系統(tǒng)進(jìn)行仿真建模 30 水箱水位模糊推理系統(tǒng)（FIS）的建立 30 模糊規(guī)則的建立 32 對SIMULINK模型控制系統(tǒng)的構(gòu)建 35 Matlab對水箱液位的仿真設(shè)計(jì) 36 常規(guī)PID對液位模型的仿真 36 模糊控制對液位模型的仿真 37 混合式模糊控制對液位的仿真 38 干擾后常規(guī)PID與模糊控制仿真對比 39 本章小結(jié) 40結(jié) 論 42參考文獻(xiàn) 43致 謝 44第一章 緒論 模糊控制水箱水位系統(tǒng)概述在能源、化工等多個領(lǐng)域中普遍存在著各類液位控制系統(tǒng)，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(guān)式。液位控制系統(tǒng)的檢測及計(jì)算機(jī)控制已成為工業(yè)生產(chǎn)自動化的一個重要方面[1]。但是一些熟練的操作工人、領(lǐng)域?qū)＜覅s可以得心應(yīng)手的進(jìn)行手工控制。 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(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。后來，扎德又提出模糊語言變量這個重要的模糊邏輯概念。自 1974年英國的 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，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。特別是在日本，模糊理論的應(yīng)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(jìn)行控制的地下鐵路運(yùn)輸系統(tǒng)成功地投入運(yùn)行。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。 充分顯示了其對大規(guī)模系統(tǒng)、多目標(biāo)系統(tǒng)、非線性系統(tǒng)以及具有結(jié)構(gòu)不確定性的系統(tǒng)進(jìn)行有效控制的能力[3]。近年來，模糊控制已滲透到家用電器領(lǐng)域。 模糊控制理論運(yùn)用于水箱水位系統(tǒng)控制的意義采用傳統(tǒng)的控制方法對水箱實(shí)施控制時(shí)存在以下一些難以克服的困難：（１） 在一些應(yīng)用中系統(tǒng)存在嚴(yán)重耦合，如在密封容器中水與氣體的耦合。（３） 對于多級復(fù)雜的水箱水位控制系統(tǒng)存在時(shí)間滯后，包括測量帶滯后、過程延遲和傳輸時(shí)滯等。（５） 一些工作環(huán)境經(jīng)常變化和應(yīng)用廣泛的設(shè)備的水位控制系統(tǒng)其運(yùn)行參數(shù)的設(shè)定值需要經(jīng)常變化。 仿真建模工具軟件MATLAB／SIMULINK簡介MATLAB 軟件(又稱為 MATLAB 語言)，是由美國 New Mexico 大學(xué)的 CleveMoler 于 1980 年開始開發(fā)的，是一個包含數(shù)值計(jì)算、高級圖形與可視化、高級編程語言的集成化科學(xué)計(jì)算環(huán)境。1984 年由 CleveMoler 等人創(chuàng)立的 Mathworks 公司推出了 MATLAB 的第一個商業(yè)版本。除了流行于控制界，MATLAB 還在圖象信號處理、生物醫(yī)學(xué)工程、通訊工程等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用。參與編寫這些工具箱的設(shè)計(jì)者很多是國際控制界的名流，包括Alan Laub，MichaelSofanov，Leonard Ljung，Jan Maciejowski 等這些在相應(yīng)領(lǐng)域的著名專家，所有這些當(dāng)然的提高了 MATLAB 的聲譽(yù)與可信度，使得 MATLAB風(fēng)靡國際控制界，成為最重要的 CACSD 工具。在那以前控制界很多學(xué)者使用 ACSL（高級連續(xù)仿真語言）作為系統(tǒng)仿真的語言，而方便、圖形化的 Simulink 一出現(xiàn)，就迅速地取代了 ACSL 語言，成為研究者首選的仿真工具。它們能夠幫助用戶迅速建立自己的動態(tài)系統(tǒng)模型，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行仿真分析；通過對仿真結(jié)果的分析修正系統(tǒng)設(shè)計(jì)，從而快速完成系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。當(dāng)前的 、可視化數(shù)據(jù)處理能力，圖 11 和圖 13 和 版本的用戶界面。 圖11 MATLAB 圖 12 Simulink 與 MATLAB 之間的層次關(guān)系圖 13 Simulink 的圖形用戶界面 本文的主要任務(wù)及內(nèi)容安排本文以簡單的雙容水箱水位控制系統(tǒng)為研究對象，來嘗試模糊控制理論在自動控制中的應(yīng)用，模糊控制系統(tǒng)實(shí)質(zhì)上是計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，它的硬件部分和一般的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)相同，一般由單片機(jī)或微機(jī)及相關(guān)的外圍電路、板卡或工控模塊等組成，所不同的只是在軟件設(shè)計(jì)上。根據(jù)這些任務(wù)，本文主要進(jìn)行了以下幾個方面的工作：（１） 對模糊理論相關(guān)知識進(jìn)行理論學(xué)習(xí)。（３） 利用MATLAB/SIMULINK軟件對水箱水位系統(tǒng)進(jìn)行仿真建模，進(jìn)行調(diào)試。 3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，從而使得其應(yīng)用越來越廣泛，也越來越受到科學(xué)家和工程師的青睞。鑒于此，我們有必要了解相關(guān)的模糊理論和模糊控制的知識，為模糊控制器的設(shè)計(jì)打下一定的理論基礎(chǔ)[7]。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)。當(dāng)人對事物進(jìn)行研究時(shí)，事物在人腦中的反映也具有模糊性。事物的復(fù)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(fù)雜性與精確性的對立關(guān)系。這個原理說明：人們不應(yīng)該也不可能對系統(tǒng)的準(zhǔn)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(fù)雜性而又不會使其過于簡單。實(shí)踐也證明，對任何一個物理系統(tǒng)進(jìn)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[8]。每個數(shù)學(xué)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： （21）集合等價(jià)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“經(jīng)典集合”，為與模糊集合區(qū)別，也可稱之為“清晰集合”。在研究的過程中，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“矮個子”、“中等個子”、“高個子”等，這些概念之間同樣沒有明確的界限，用經(jīng)典集合論對這些概念進(jìn)行定義就顯得無能為力了。為了克服經(jīng)典集合理論的這種局限性，一種新的理論——模糊集合理論便應(yīng)運(yùn)而生。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漸進(jìn)的過程。模糊集合正好能描述這種漸變過程。定義 論域 U 上的模糊集合 A 用隸屬度函數(shù)μA(x)來表示，其取值范圍為[0,1]。隸屬度也可記為 A(x)。 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。從上述定義可以看出，模糊集合并不模糊，它只是一個帶有連續(xù)隸屬度函數(shù)的集合。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)語言描述事物。當(dāng) U 取離散值時(shí)，A 一般可以表示為 （25）同樣，這里的求和符號也只是表示 U 上隸屬度函數(shù)為μA(x)的所有點(diǎn)的集合。然而，有些概念是模糊集合體系所特有的，不能通過經(jīng)典集合推廣。如果一個模糊集的支撐集是空的，則稱該模糊集為空模糊集；如果模糊集的支撐集僅包含 U 中的一個點(diǎn)，則稱該模糊集為模糊單值。模糊集的高度，是指任意點(diǎn)所達(dá)到的最大隸屬度值。圖 2—3列出了一些常見的標(biāo)準(zhǔn)模糊集，其高度均為 1。即：對于任意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。定義 A 在 H 上的投影為在 Rn1上的模糊集合 AH，其隸屬度函數(shù)為