【正文】 引言正常運行的生產設備必須保證產品滿足一定的數(shù)量和質量的要求，同時也要保證生產設備的安全性和經濟性。但是生產過程在進行的時候總是在許多因素的影響下，如果不加以操作和控制就不能保證生產過程的正常進行。控制過程中被控對象的液位往往被選擇為主要被控參數(shù)，控制的目的就是使液位值能夠穩(wěn)定的保持在工業(yè)生產要求給定的范圍之內。在本課題中，以液位控制系統(tǒng)的水箱為研究對象，水箱的液位為被控制量。為了改善其調節(jié)過程的動態(tài)性能，我們采用串級控制，其副回路可以很快的消除作用于內回路的擾動。論述了模糊控制理論、模糊控制器的設計和實現(xiàn)。 研究的意義和目的傳統(tǒng)的控制器參數(shù)的整定往往是由人工實現(xiàn)的，采用的一般是試驗加試湊方法，這樣的整定過程不僅要以人類長期工作積累的經驗和技巧為基礎，而且還需要耗費大量的時間。在控制過程中，如果被控對象的模型發(fā)生改變，那么控制器就必須隨之做出相應的調整，甚至需要重新進行整定。將模糊控制技術應用于類似系統(tǒng)的控制中的理念就應運而生了。如在液位控制系統(tǒng)中，可以獲得很好的控制性能。，之后，模糊數(shù)學的飛速發(fā)展，促使了一種把人們長期工作生產得到的經驗轉化為具有邏輯規(guī)則的語言，從而控制被控量的思想的誕生。到目前為止，模糊控制已經廣泛的應用于各領域，并且取得了很好的成績。模糊控制理念也得到了越來越多的工程技術人員的歡迎和認可，究其原因，較常規(guī)的精確邏輯控制，模糊控制的工程運用中具有以下特征： (1)控制系統(tǒng)的建立不要求被控對象具有精確數(shù)學模型，只需提供長期生產過程中積累的經驗及數(shù)據(jù)。無論被控對象是線性的還是非線性的，都能進行有效的控制，具有較強的適應性。(4)容易被人們接受認可。 (5)模糊邏輯沒有硬性的指標要求，表現(xiàn)十分柔性。這樣一來，與傳統(tǒng)成熟的控制理論與技術相結合就變的十分容易。 模糊控制的研究現(xiàn)狀 盡管在眾多的生產實踐中，模糊控制理論憑借其自身的優(yōu)勢取得了巨大的進步很發(fā)展，但是，相較于其他領域，模糊控制理論的發(fā)展依舊落后于其應用的發(fā)展，成熟理論指導的缺失是限制模糊控制理論長足發(fā)展的一個重要原因。這樣的構建，具有深遠的意義，它可以將已然成熟并應用于實際的常規(guī)控制理論服務于模糊控制領域，彌補因理論缺失而裹足不前的模糊理論發(fā)展進程，進而為模糊控制理論的進步和發(fā)展提供強大的動力?？梢灶A見，這必將是推動模糊控制發(fā)展的一條必經之路。，制定出模糊控制隸屬度函數(shù)及模糊控制規(guī)則，設計出模糊控制器，確定調節(jié)器的參數(shù)。，分析仿真結果，比較水箱模型改變后對系統(tǒng)性能的影響。 第二章 液位控制系統(tǒng)及模型建立 液位控制系統(tǒng)本課題中液位控制系統(tǒng)的設計是針對雙容水箱的動態(tài)過程控制。系統(tǒng)的主要干擾源為隨機流入水箱的水使水箱液位波動。 液位控制系統(tǒng)組成整個液位控制系統(tǒng)的結構如圖21所示。電動調節(jié)閥的開度大小決定上水箱進水量的多少，液位變送器用于實時監(jiān)測上、下水箱的液位，將監(jiān)測值送入控制器，促使控制作出判斷，進而發(fā)出指令作用于控制閥，控制閥門開度的大小。 建立液位控制系統(tǒng)的水箱模型由于在后續(xù)的仿真過程中需要用到被控對象的數(shù)學模型，所以本節(jié)旨在建立水箱液位控制的模型，以方便后續(xù)研究。本文采用機理建模的方法來獲得它的數(shù)學模型。它有兩個儲水容器，稱之為雙容過程。系統(tǒng)流出量Q3根據(jù)生產的需求通過負載閥門3控制。與下水箱相連接的液位傳感器將檢測到的下水箱液位實時值與系統(tǒng)的給定值進行比較分析后傳送到模糊控制器，經模糊控制器的運算后，其輸出值作為電動控制閥的操作指令，進而使調節(jié)閥做出相應動作，控制進水量的大小，從而控制水箱的液位。 根據(jù)物料的動態(tài)平衡關系，列出雙容過程的的增量方程 其中：。 消去中間變量、取,得到式21。式22中，各參數(shù)的求取方法如下：本設計采用雙容水箱液位控制系統(tǒng)，如圖22所示，設1號水箱輸入量為，輸出量為，同時作為2號水箱的輸入量，為2號水箱的輸出量。容器的液容等于容器的橫截面積。因此為方便研究，我們對流經線性阻力板的水流進行以下四條近似處理：(1)采用微元原理。 (2)水流流經線性阻力板時，都在做垂直于阻力板平面的運動，無平行于該平面的運動。 (4)忽略流經線性阻力板水流自身的張力和粘滯力對測量的影響。水箱中實際的液位值為H,把z作為積分變量，其變化范圍是[0 , H]。詳細過程不再贅述。考慮到實際的液體往往具有粘性，在液體的流動過程中必將伴隨著能量的流失損耗，進而導致實際的流量值小于理想值，將工程中修正系數(shù)引入后，上式就為： （27）其中，由實驗測得。帶入數(shù)值： 經過拉普拉斯變換得到：則被控對象的傳遞函數(shù)為： （28）其中。通過上述分析，得到系統(tǒng)控制方框圖如圖27所示。串級調節(jié)主要是來克服副環(huán)內的擾動，這些擾動能在中間變量中反應出來，很快的就被副調節(jié)器抵消了，與單回路系統(tǒng)相比，干擾對被調量的影響可以減少許多倍。變化量的時間響應曲線呈現(xiàn)S型，而不是指數(shù)曲線。它的組成核心是具有智能性的模糊控制器，這也就是它與其它自動控制系統(tǒng)的不同之處。模糊控制是一種適合于工業(yè)生產過程和大系統(tǒng)的控制方法，特別是在非線性系統(tǒng)中，經典控制理論和現(xiàn)代控制理論的控制效果不是很理想。模糊控制的基本思想是用機器去模擬人對系統(tǒng)的控制。這是因為他們憑借日積月累的豐富經驗。由于人的經驗一般是用自然語言來描述的，因此，基于經驗的規(guī)則也只能是語言化的、模糊的。其基本結構如圖31所示。它的核心部分為模糊控制器。它們的作用說明如下： ：測量輸入變量(設定輸入)和受控系統(tǒng)的輸出變量，并把它們映射到一個合適的響應論域的量程，然后，精確的輸入數(shù)據(jù)被變成為適當?shù)恼Z言值或模糊集合的標識符，本部分可視為模糊集合的標記。 ：是模期控制系統(tǒng)的核心，以模糊概念為基礎，模糊控制信息可通過模糊蘊涵和模糊邏輯的推理規(guī)則來獲取，并可實現(xiàn)擬人決策過程，根據(jù)模糊輸入和模糊控制規(guī)則，模糊推理求解模糊關系方程，獲得模糊輸出。 在整個模糊控制系統(tǒng)中，其控制步驟為：計算機中斷采樣獲取被控制量的精確值，然后將此量與給定值比較得到誤差信號e。把誤差信號e的精確量進行模糊化得到模糊量，誤差的模糊量可用相應得模糊語言來表示。為了對被控對象施加精確的控制，還需將模糊量U轉化為精確量，這一步在圖31中稱為非模糊化處理。然后，不斷中斷對被控量進行采集和控制，就實現(xiàn)了對被控對象的模糊控制。該步驟所完成的工作就是確定模糊控制器的輸入量和輸出量。我們可以把精確量用“正大”、“正中”、…“負中”、“負大”等模糊語言來分成幾個檔。而模糊子集的大小和隸屬函數(shù)有關。該控制表儲存于計算機中，供程序查詢輸出。 由于模糊控制器是模仿熟練操作人員的控制決策．對工業(yè)過程進行控制，而操作工人一般是靠觀測被控對象的輸出和輸出變化率或輸出變量和輸出變量的總和來設定控制量的大小的。一般可以設計成一維或二維模糊控制器，在極少的情況下才會設計成三維模糊控制器。以模糊E為模糊控制器的輸入，而以控制量u或控制量的變化△u作為模糊控制器的輸出。這類模糊規(guī)則的模糊關系為: 這里的二維是指模糊控制器的輸入變量有兩個，控制器的輸出只有一個。這類模糊控制規(guī)則的模糊關系為:由于模糊控制器的控制規(guī)則是根據(jù)工程人員的操作經驗而制定的，一般人對誤差最敏感，其次是誤差的變化率。從理論上講，模糊控制器的維數(shù)越高，控制越精細。在一般的模糊控制系統(tǒng)中，考慮到模糊控制器實現(xiàn)的簡易性和快速性，通常采用二維模糊控制器結構形式，這種控制器以誤差和誤差的變化率為輸入量，以控制量的變化為輸出變量?？紤]變量的正負性，一般在設計模糊控制器時，人們對于誤差及其變化率以及控制量的變化等語言變量，常用“正大”(PB)、“正中”(PM)、“正小”(PS)、“零”(Z0)、“負小”(NS)、“負中”(NM)、和“負大”(NB)這7個語言變量來描述，選擇較多的詞匯描述輸入、輸出變量，可以使制定的控制規(guī)則方便，但是控制規(guī)則相應變得復雜。一般情況下，選擇上述七個詞匯，但也可以根據(jù)系統(tǒng)需要選擇三個或五個語言變量。因此，模糊概念的確定性問題就直接轉化為求取模糊集合隸屬函數(shù)的問題。 定義一個模糊子集，實際上就是要確定模糊子集的隸屬函數(shù)。將確定的隸屬函數(shù)曲線離散化，得到了有限個點上的隸屬度，便構成了一個相應的模糊變量的模糊子集。 這種隸屬函數(shù)的形狀和分布由三個參數(shù)表示，一般可描述為:由于它的形狀僅與直線的形狀有關，因此適合于有隸屬函數(shù)在線調整的自適應模糊控制。其中參數(shù)的大小直接影響隸屬函數(shù)曲線的形狀，而隸屬函數(shù)曲線的形狀不同會導致不同的控制特性。因此，在選擇模糊變量的模糊集的隸屬函數(shù)時，在誤差較大的區(qū)域采用低分辨率的模糊集，在誤差較小的區(qū)域采用較高分辨率的模糊集，當誤差接近于零時，選用較高分辨率的模糊集。計算機計算的控制變量均為精確量，須經過模糊量化處理，變?yōu)槟：浚员銓崿F(xiàn)模糊控制算法。如把[6，+6]之間連續(xù)變化的連續(xù)量分為七個檔次每一檔對應一個模糊集，這樣處理使模糊化過程簡單。如表31所示，在[6，+6]區(qū)間變化的離散化了的精確量與表示模糊語言的模糊量建立了關系，這樣就可以將[6，+6]之間的任意的精確量用模糊量Y來表示。，它在點X處隸屬度為l，除X點外其余各點的隸屬度均取0。模糊控制規(guī)則的建立實際一般有以下兩種方法。模糊控制的控制規(guī)則是基于手動控制策略，而手動控制策略又是人們通過學習、試驗以及長期經驗積累而逐漸形成的，存儲在操作者頭腦中的一種技術知識集合。手動控制的作用同自動控制系統(tǒng)中的控制器的作用是基本相同的，所不同的是手動控制決策是基于操作系統(tǒng)經驗和技術知識，而控制器的控制決策是基于某種控制算法的數(shù)值運算。模糊控制器控制規(guī)則的設計原則是：當誤差較大時，控制量的變化應盡力使誤差迅速減少；當誤差較小時，除了要消除誤差外，還要考慮系統(tǒng)的穩(wěn)定性，防止系統(tǒng)產生不必要的超調，甚至振蕩。其主要思想是根據(jù)己有的輸入輸出數(shù)據(jù)對，通過模糊推理合成求取被控系統(tǒng)的模糊控制規(guī)則。形式邏輯對于人類社會的發(fā)展起了很大的作用，但對于模糊性問題，形式邏輯和數(shù)理邏輯都沒有辦法解決。模糊推理是以模糊條件為基礎的，它是模糊決策的前提條件，更是模糊控制規(guī)則生成的根據(jù)。對于兩輸入輸出的模糊控制器。”，蘊涵運算“_”?！蓖ǔ２捎米畲笞钚』蜃畲蠓e(代數(shù)積)的方法；蘊含運算通常采用求交(Rc) 或求積(Rp)的方法。目前常用的解模糊方法有三種： 這種方法非常簡單，直接選擇模糊子集中隸屬度最大的元素(或該模糊子集隸屬度最大處的真值)作為