【正文】 ：（1）以前，模糊控制規(guī)則完全是憑操作者的經(jīng)驗(yàn)或?qū)＜抑R(shí)獲取的，這并不能保證規(guī)則的最優(yōu)或次最優(yōu)，達(dá)到最佳控制的目的；（2）規(guī)則的獲取沒有系統(tǒng)的步驟可以遵循；（3）在控制過程中，外界突加干擾，參數(shù)大幅度變化，原來(lái)總結(jié)的經(jīng)驗(yàn)和規(guī)則不夠等因素，都會(huì)嚴(yán)重影響控制質(zhì)量。每一個(gè)先進(jìn)、實(shí)用控制算法和監(jiān)測(cè)算法的出現(xiàn)都對(duì)工業(yè)生產(chǎn)具有積極有效的推動(dòng)作用。這是目前控制領(lǐng)域所面臨的最大問題，究其根源主要在于理論研究尚缺乏實(shí)際背景的支持，一旦應(yīng)用于現(xiàn)場(chǎng)就會(huì)遇到各種各樣的實(shí)際問題，制約了其應(yīng)用。多容器流程系統(tǒng)是具有純滯后的非線性耦合系統(tǒng)，是過程控制中的一種典型的控制對(duì)象，在實(shí)際生產(chǎn)中有著非常廣泛的應(yīng)用背景。即系統(tǒng)的某一個(gè)輸入影響到系統(tǒng)的多個(gè)輸出，或者系統(tǒng)的某一個(gè)輸出受到多個(gè)系統(tǒng)輸入的影響。液位控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)裝置模擬了工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)多種典型的非線性時(shí)變多耦合系統(tǒng)，用常規(guī)的控制手遼寧科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 2 頁(yè)段往往很難實(shí)現(xiàn)理想的控制效果，因此對(duì)其控制算法進(jìn)行研究具有非常重要的實(shí)際意義。二是綜述了液位控制系統(tǒng)的構(gòu)成與建模。四是傳統(tǒng) PID 控制器與模糊 PID 控制器的設(shè)計(jì)，并通過仿真結(jié)果把模糊PID 控制器與傳統(tǒng) PID 控制器進(jìn)行比較得出結(jié)論。遼寧科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 3 頁(yè)2 液位控制系統(tǒng)的分析與建模 引 言水箱液位控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)裝置是基于工業(yè)過程的物理模擬對(duì)象，它是集自動(dòng)化儀表技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、通訊技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)為一體的多功能實(shí)驗(yàn)裝置。該系統(tǒng)包括流量、液位、壓力等參數(shù)，可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)參數(shù)辨識(shí)、單回路控制、串級(jí)控制、反饋控制、比值控制、解藕控制等多種控制形式。由圖，該系統(tǒng)的水箱主體由蓄水容器、檢測(cè)組件和動(dòng)力驅(qū)動(dòng)三大部分構(gòu)成。整個(gè)系統(tǒng)通過不銹管道連接起來(lái)，儲(chǔ)水箱為三個(gè)水箱提供水源，通道閥門開啟時(shí)，水可以被分別送至三個(gè)水箱。 除了上述的控制對(duì)象組件，另外還有一個(gè)智能儀表綜合控制臺(tái)和一臺(tái)計(jì)算機(jī)，這三個(gè)部分才構(gòu)成了完整的液位控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)裝置。該控制臺(tái)通過插頭與對(duì)象系統(tǒng)連接，結(jié)合實(shí)驗(yàn)裝置水箱主體中應(yīng)用到的不同組件對(duì)象，實(shí)驗(yàn)操作員可以自行連線組成不同的控制系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)幾十種過程控制系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)。利用水箱液位系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)裝置中各個(gè)組件的不同組合情況，可以構(gòu)成多種不同功能的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)?；诖耍部梢源蜷_與水箱 2 的連接閥和水箱 2 的出水閥，關(guān)閉水箱 1 出水閥，這樣，就構(gòu)成了雙容水箱特性實(shí)驗(yàn)。具體參看圖 所示的水箱結(jié)構(gòu)示意圖。圖 水箱液位系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的檢測(cè)裝置：采用浮漂和滑動(dòng)變阻器實(shí)現(xiàn)對(duì)水箱液位的采集和 D/A 轉(zhuǎn)換。電動(dòng)調(diào)節(jié)閥型號(hào)為：QSVP16K 。 液位控制系統(tǒng)控制對(duì)象及控制策略工業(yè)生產(chǎn)過程中的液位控制必須具有可靠的穩(wěn)定性才能保證生產(chǎn)的正常，水箱系統(tǒng)控制的難點(diǎn)集中在對(duì)水箱的液位高度 h 的控制上。而模糊控制則以其響應(yīng)速度快、魯棒性強(qiáng)等特點(diǎn)脫穎而出，在液位控制系統(tǒng)遼寧科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 5 頁(yè)控制中得到比較廣泛的應(yīng)用。首先，基本模糊控制器相當(dāng)于 PD 控制，它不具備 I（積分）作用，因此基本模糊控制器的穩(wěn)態(tài)性能又不如傳統(tǒng) PID 控制器的穩(wěn)態(tài)性能好；其次，基本模糊控制器的推理合成過程計(jì)算量大，信息損失嚴(yán)重，且模糊控制表的在線修改不方便。例如：為了使模糊控制器得到比較好的穩(wěn)態(tài)性能而推出了模糊 PID 控制器 （本文采用的正是這種控制器） 、神經(jīng)元模糊控制器和自尋最優(yōu)模糊控制器，為了使模糊控制器對(duì)大滯后系統(tǒng)也能取得良好控制效果而推出 Smith 預(yù)估模糊控制器，為了便于模糊控制規(guī)則的修改而推出模糊數(shù)模型模糊控制器和帶修正因子的模糊控制器。 被控對(duì)象的分析與建模本文研究的水箱液位系統(tǒng)是具有純延遲環(huán)節(jié)的二階雙容水箱，示意圖如下：圖 水箱液位示意遼寧科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 6 頁(yè)其中 ， 分別為水箱的底面積， 為水流量， ， 為閥門 2 的阻力，稱1A2 321,q1R2為液阻或流阻，經(jīng)線性化處理，有： 。若系統(tǒng)還具有純延遲，則傳遞函數(shù)的表達(dá)式為： （）????eSSQHWS?0121120 ????????????11221320 ??? STSSQH遼寧科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 7 頁(yè)其中 延遲時(shí)間常數(shù)。首先介紹了液位控制系統(tǒng)的構(gòu)成及原理，并且通過其構(gòu)成及原理建立雙容水箱液位控制系統(tǒng)的模型，整理得到整個(gè)雙容水箱液位控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，為本論文建立研究模型，為第四章仿真奠定模型基礎(chǔ)。為了解決這個(gè)問題，傳統(tǒng)控制理論提出了許多對(duì)策，如最優(yōu)控制、自適應(yīng)控制等。模糊控制技術(shù)可以解決這些困難，這是因?yàn)樗灰蕾囉诒豢貙?duì)象的數(shù)學(xué)模型，而只要求掌握現(xiàn)場(chǎng)操作人員和有關(guān)專家的經(jīng)驗(yàn)，知識(shí)或者操作數(shù)據(jù)。因此，把模糊控制技術(shù)應(yīng)用到工業(yè)控制現(xiàn)場(chǎng)將具有很好的前景，同時(shí)有著明顯的實(shí)際應(yīng)用意義以及巨大的經(jīng)濟(jì)效益。 模糊控制的產(chǎn)生及發(fā)展模糊數(shù)學(xué)和模糊控制的概念是由加利福尼亞大學(xué)著名教授查德（）于1965 年在他的《Fuzzy Sets》中首先提出的。模糊系統(tǒng)技術(shù)尤其是模糊控制更是在工業(yè)界得到了廣泛的認(rèn)可，不僅成功地應(yīng)用到化工、機(jī)械、冶金、水處理等領(lǐng)域中，而且均取得了良好的效果。 雖然模糊理論的提出只有短短 30 多年的時(shí)間，但其發(fā)展速度卻十分的驚人。這充分體現(xiàn)了模糊理論的發(fā)展速度，而且顯示了模糊控制理論巨大的發(fā)展?jié)摿?。然而就在這樣復(fù)雜的多變量、非線性、時(shí)變的系統(tǒng)中，對(duì)控制質(zhì)量的要求卻越來(lái)越高。 模糊控制的特點(diǎn) 模糊 PID 控制的基本原理是在普通 PID 控制器的基礎(chǔ)上，加上一個(gè)模糊控制環(huán)節(jié)。 模糊控制之所以能獲得迅速的發(fā)展，與其自身具備的特點(diǎn)不無(wú)關(guān)系，模糊控制的突出特點(diǎn)在于 ???： （1）模糊控制器是建立在對(duì)專家、操作人員的經(jīng)驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)操作數(shù)據(jù)的模仿總結(jié)基礎(chǔ)之上，這種控制器的設(shè)計(jì)不要求知道被控對(duì)象的精確數(shù)學(xué)模型，而只需要提供現(xiàn)場(chǎng)操作人員的經(jīng)驗(yàn)知識(shí)及操作數(shù)據(jù)。 （3）以語(yǔ)言變量代替常規(guī)的數(shù)學(xué)變量，易于構(gòu)造形成專家“知識(shí)” 。由于推理過程模仿人的思維過程，介入了人類的經(jīng)驗(yàn)，因而能夠處理復(fù)雜甚至“病態(tài)”系統(tǒng)。模糊控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和一般的傳統(tǒng)控制系統(tǒng)沒有多大區(qū)別，只是用模糊控制器取代了傳統(tǒng)的控制器。從理論上講模糊控制器應(yīng)是連續(xù)型的控制器，但在工程上實(shí)現(xiàn)模糊控制都是采用數(shù)字計(jì)算機(jī)，所以在實(shí)際應(yīng)用中模糊控制器又是一種離散型的控制器。誤差 e 的模糊量可用相應(yīng)的模糊語(yǔ)言表示，得到誤差 e 的模糊語(yǔ)言集合的一個(gè)子集 E （E 是一個(gè)模糊矢量） ，再由 E 和模糊控制規(guī)則 R（模糊算子）根據(jù)推理的合成規(guī)則進(jìn)行模糊決策，得到模糊控制量 U。圖 模糊控制器的結(jié)構(gòu)圖 （1）模糊集合 給定論域 X， 是 X 中的模糊集合，就是指用 ： 這樣的隸屬度函??xA?A???1,0?X數(shù)來(lái)表示其特征的集合。因此它可用如下的序偶形式來(lái)表示： （）?XxA??)(,? （2）隸屬函數(shù) 用 中的一個(gè)實(shí)數(shù)來(lái)度量元素 屬于模糊集的程度，這個(gè)實(shí)數(shù)稱為 “隸屬度” ，[0,1] i對(duì)于一個(gè)模糊集而言，隸屬度隨著元素 x 的不同而改變，這個(gè)表示隸屬度變化規(guī)律的函數(shù)稱為“隸屬函數(shù)” 。在實(shí)際模糊邏輯應(yīng)用中，常用的隸屬函數(shù)有以下幾種。它用兩個(gè)參數(shù)來(lái)描述，一般可表述為： （）)0](/)(exp[2?????a其分布曲線見圖 。圖 三角分布③梯形這種隸屬函數(shù)的形狀和分布由四個(gè)參數(shù)表示，一般可描述為： （）????????dxcdbax若若 若1)(?分布曲線見圖 。當(dāng)論域?yàn)?n 個(gè)集合的直積 時(shí)，n??21稱 R 為 n 元模糊關(guān)系。 （4）模糊邏輯 研究模糊命題的邏輯稱為模糊邏輯，模糊邏輯的真值在[0，1]之間連續(xù)取值。?? （6）模糊語(yǔ)言變量 模糊語(yǔ)言變量是一個(gè)取值為模糊數(shù)的由語(yǔ)言詞來(lái)定義的變量。顯然，基本論域內(nèi)的量為精確量。每次采樣經(jīng)模糊控制算法給出的控制量（模糊量）還不能直接控制對(duì)象，必須將ecK其轉(zhuǎn)換為控制對(duì)象所能接受的基本論域中去，從而引入比例因子 。 （1）模糊化 所謂模糊化，就是把輸入 E 和 EC 根據(jù)輸入變量模糊子集的隸屬度函數(shù)找出所定義的各個(gè)語(yǔ)言值的隸屬度的過程，從而把精確量輸入“模糊化” 成不同的語(yǔ)言值，實(shí)現(xiàn)模糊控制的第一步。 模糊化模塊的作用是將一個(gè)精確的輸入變量通過定義在其論域上的隸屬度函數(shù)計(jì)算出其屬于各模糊集合的隸屬度，從而將其轉(zhuǎn)化成為一個(gè)模糊變量。圖 等分三角形隸屬度函數(shù) 圖 給出了隸屬度函數(shù)為等分三角形時(shí)的情況。 （2）知識(shí)庫(kù) 知識(shí)庫(kù)中包含了具體應(yīng)用領(lǐng)域中的知識(shí)和要求的控制目標(biāo)，它通常由數(shù)據(jù)庫(kù)和控制規(guī)則庫(kù)兩部分組成。數(shù)據(jù)庫(kù)提供所有必要的定義。在模糊控制器推理過程中，數(shù)據(jù)庫(kù)向推理機(jī)提供必要的數(shù)據(jù)。 模糊控制規(guī)則中前提的語(yǔ)言變量構(gòu)成模糊輸入空間，結(jié)論的語(yǔ)言變量構(gòu)成模糊輸出空間。模糊分割是要確定對(duì)于每個(gè)語(yǔ)言變量取值的模糊語(yǔ)言名稱的個(gè)數(shù)，模糊分割的個(gè)數(shù)決定了模糊控制精細(xì)化的程度。表 模糊控制規(guī)則表ECUNB NM NS ZO PS PM PBNB PB PB PB PB PM PM ZONM PB PB PB PB PM PM ZONS PM PM PM PM ZO ZO NSZO PM PM PS ZO NS NS NMPS PS PS ZO NM NM NM NMPM ZO PS NM NB NB NB NBEPB ZO ZO NM NB NB NB NB表 是一個(gè)典型的模糊控制規(guī)則表，它表示了 49（即 7X7）條模糊條件語(yǔ)句。模糊分割數(shù)越多，控制規(guī)則數(shù)也越多，所以模糊分割不可太細(xì)，否則需要確定太多的控制性能進(jìn)行精心的調(diào)整。通常，當(dāng)論域中的元素總數(shù)為模糊子集總數(shù)的 23 倍時(shí)，模糊子集對(duì)論域的覆蓋程度較好。 ②規(guī)則庫(kù)存放模糊控制規(guī)則。這個(gè)模型建遼寧科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 15 頁(yè)立的是否準(zhǔn)確，將決定模糊控制器性能的好壞。在模糊控制中，通過一組語(yǔ)言描述的規(guī)則來(lái)表示專家的知識(shí)，專家知識(shí)通常具有如下的形式： IF（滿足一組條件）THEN（可以推出一組結(jié)論） 在 IFTHEN 規(guī)則中的前提和結(jié)論均是模糊的概念，常常稱這樣的 IFTHEN 規(guī)則為模糊條件句。模糊控制規(guī)則的一般形式通常如下：R1：如果 x 是 A1 and y 是 B1，則 z 是 C1R2：如果 x 是 A2 and y 是 B2，則 z 是 C2………………………………