水箱水位模糊控制系統(tǒng)仿真作業(yè)

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1、 ...wd... 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(lǐng)域上都有廣泛應(yīng)用，雖然其構(gòu)造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，難于建設(shè)準確的數(shù)學(xué)模型。雖然自適應(yīng)、自校正控制理論可以對缺乏數(shù)學(xué)模型的被控對象進展識別，但這種遞推法復(fù)雜，實時性差。 近年來模糊控制在許多控制應(yīng)用中都取得了成功，模糊控制應(yīng)用于控制系統(tǒng)設(shè)計不需要知道被控對象準確的數(shù)學(xué)模型，對于許多無法建設(shè)準確數(shù)學(xué)模型的復(fù)雜系統(tǒng)能獲得較好的控制效果

2、，同時又能簡化系統(tǒng)的設(shè)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。本文主要論述了應(yīng)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(guān)知識，在此根基上提出了用模糊理論實現(xiàn)對水箱水位進展控制的方案，建設(shè)了簡單的基于水箱水位的模糊控制器數(shù)學(xué)模型。 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(jié)合的功能，首先在模糊邏輯工具箱中建設(shè)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(jié)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。通過試驗?zāi)M，證明了其可行性。 關(guān)鍵詞： 水位控制；模糊控制；MATLAB；Simulin

3、k 1 緒論 1.1 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)液。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。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(yīng)用。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。 經(jīng)典控制理論和現(xiàn)代控制理論的控制效果很大一局部取決于描述被控過程準確模型的好壞，這使得基于準確數(shù)學(xué)模型的常規(guī)控制器難以取得理想的控制效果。但是一些熟練的操作工人、領(lǐng)域?qū)＜覅s可以得心應(yīng)手的進展手工控制。因此基于知識規(guī)那么的模糊控控制理論在其應(yīng)用中就有了理論和現(xiàn)實

4、意義 1.2模糊控制理論簡介 1.2.1模糊控制理論的產(chǎn)生、開展及現(xiàn)狀 目前，模糊理論及其應(yīng)用愈來愈受到人們的歡迎，在學(xué)術(shù)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(lǐng)域中發(fā)揮著重要的作用。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)那么〕甚至語義描述的不確定性推理方法?？刂葡到y(tǒng)的設(shè)計不要求知道被控對象的準確數(shù)學(xué)模型，只需要提供專家或現(xiàn)場操作人員的經(jīng)歷知識及操作數(shù)據(jù)，因而對于許多無法建設(shè)準確數(shù)學(xué)模型的復(fù)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(shè)計。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)以及具有構(gòu)造不確

5、定性的系統(tǒng)進展有效控制的能力。 近年來，模糊控制已滲透到家用電器領(lǐng)域。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(diào)機等在市場上出現(xiàn)。 1.2.2 模糊控制理論運用于水箱水位系統(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抑制的困難： （１） 在一些應(yīng)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。 （２） 由環(huán)境溫度的不斷變化給系統(tǒng)帶來的不確定性。 （３） 對于多級復(fù)雜的水箱水位控制系統(tǒng)存在時間滯后，包括測量帶滯后、過程延遲和傳輸時滯等。 （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。 （５） 一些工作環(huán)境經(jīng)常變化和應(yīng)用廣泛的

6、設(shè)備的水位控制系統(tǒng)其運行參數(shù)的設(shè)定值需要經(jīng)常變化。 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(diào)整功能等眾多經(jīng)典ＰＩＤ控制所不具備的特點能很好的抑制以上所列的困難。 1.3本文的主要任務(wù)及內(nèi)容安排 本文以簡單的一級水箱水位控制系統(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)實質(zhì)上是計算機控制系統(tǒng)，它的硬件局部和一般的計算機控制系統(tǒng)一樣，一般由單片機或微機及相關(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)計上。本文主要是探討模糊控制理論的一種典型應(yīng)用，其生成的實物并沒有直接的應(yīng)用的價值，因此不值得浪費經(jīng)費去形成成品，而利

7、用了當前流行的仿真軟件MATLAB/SIMULINK，進展仿真建模生成軟件模型進展仿真調(diào)試，以期到達掌握參數(shù)，控制精度，動態(tài)特性等指標的比較結(jié)果的目的。根據(jù)這些任務(wù)，本文主要進展了以下幾個方面的工作： （１） 對模糊理論相關(guān)知識進展理論學(xué)習(xí)。 （２） 結(jié)合一級水箱水位系統(tǒng)進展模糊控制器的設(shè)計 （３） 利用MATLAB/SIMULINK軟件對水箱水位系統(tǒng)進展仿真建模。進展調(diào)試 （４） 對本文的工作進展總結(jié)，得出結(jié)論并對本文涉及的內(nèi)容作出進一步的展望。 2水箱水位模糊控制器的建設(shè) 本章利用模糊數(shù)學(xué)工具及模糊控制理論知識，建設(shè)一個水箱水位模糊控制器，水位模糊控制器可以設(shè)計為二維控制器，即

8、輸入量是水位誤差和誤差變化率，輸出量是閥門控制量，但由于過程計算量大，計算復(fù)雜所以此章僅采用一維系統(tǒng)，即單輸入——單輸出統(tǒng)，較復(fù)雜的二維系統(tǒng)將在下一章里利用MUTLAB軟件構(gòu)建，并仿真。圖 3—1為水位模糊控制系統(tǒng)的 基本構(gòu)造。 M 模糊控制器 反響 壓力傳感器 控制量 設(shè)定 圖 3—1 水位模糊控制系統(tǒng) 2.1輸入輸出語言變量語言值的選取及其賦值表 我們選取誤差語言變量、控制語言變量的語言值為5個，即 {PL，PS，O，NS，NL}。 設(shè)誤差、控制量語言變量的論域分別為X、Y，量化等級都為9個。有 X = Y = {-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4}

9、 圖3—2 給出了輸入、輸出語言變量的隸屬函數(shù)。表3-1給出了語言變量的賦值表 -5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 5 1 μNL(x) μNL(y) μNS(x) μNS(y) μO(x) μO(y) μPS(x) μPS(y) μPL(x) μPL(y) 圖 3—2 輸入、輸出語言變量的隸屬函數(shù)圖 量化等級 隸屬度 語言值 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 PL PS

10、O NS NL 0 0 0 0 1 0 0 0 0.5 0.5 0 0 0 1 0 0 0 0.5 0.5 0 0 0 1 0 0 0 0.5 0.5 0 0 0 1 0 0 0 0.5 0.5 0 0 0 1 0 0 0 0 表 3—1 輸入輸出語言變量賦值表 2.2 控制規(guī)那么描述 總結(jié)人的控制水位策略，設(shè)計水位控制器包括5條規(guī)那么如下： R1: if E = NL then U=PL R2: if E = NS then U=PS R3: if E

11、= O then U=O R4: if E = PS then U=NS R5: if E = PL then U=NL 2.3 水位控制模糊關(guān)系矩陣 首先，求每條規(guī)那么所描述的模糊關(guān)系Ri，然后，再求描述水位控制系統(tǒng)的總的模糊控制關(guān)系R，即。 3.4 模糊推理 3.4.1 輸入量模糊化 假設(shè)實際水位誤差量化后等級分別為-4、-3、-2、-1、0、1、2、3、4，然后對這些量化等級進展模糊化。規(guī)定等級-4、-2、0、2、4模糊化后的模糊集合分別為：NL、NS、O、PS、PL。而-3屬于模糊集合NL、NS的隸屬度都等于0.5，-1屬于模糊集合

12、NS、O的隸屬度也等于0.5，1屬于模糊集合O、PS的隸屬度 都等于0.5，3屬于模糊集合PS、PL的隸屬度也等于0.5。因此： 〔1〕當輸入誤差量化等級為-3時，其輸出控制量的模糊集合相應(yīng)于輸出論域元素的隸屬度，應(yīng)為當輸入為NL、NS〔或量化等級為-4、-2〕時輸出控制量集合相應(yīng)于輸出論域元素的隸屬度和的一半?；蛘哒J為：當輸入誤差量化等級為-3時，其輸出控制量的準確值，為當輸入為NL、NS〔或量化等級為-4、-2〕時輸出控制量準確值的一半。 〔2〕當輸入誤差量化等級為-1時，其輸出控制量的模糊集合相應(yīng)于輸出論域元素的隸屬度，應(yīng)為當輸入為NS、O〔或量化等級為-2、0〕時輸出控制量集合相

13、應(yīng)于輸出論域元素的隸屬度和的一半?；蛘哒J為：當輸入誤差量化等級為-1時，其輸出控制量的準確值，為當輸入為NS、O〔或量化等級為-2、0〕時輸出控制量準確值的一半。 〔3〕當輸入誤差量化等級為1時，其輸出控制量的模糊集合相應(yīng)于輸出論域元素的隸屬度，應(yīng)為當輸入為O、PS〔或量化等級為0、2〕時輸出控制量集合相應(yīng)于輸出論域元素的隸屬度和的一半。或者認為：當輸入誤差量化等級為-3時，其輸出控制量的準確值，為當輸入為O、PS〔或量化等級為0、2〕時輸出控制量準確值的一半。 〔4〕當輸入誤差量化等級為3時，其輸出控制量的模糊集合相應(yīng)于輸出論域元素的隸屬度，應(yīng)為當輸入為PS、PL〔或量化等級為2、-4〕

14、時輸出控制量集合相應(yīng)于輸出論域元素的隸屬度和的一半?；蛘哒J為：當輸入誤差量化等級為-3時，其輸出控制量的準確值，為當輸入為PS、PL〔或量化等級為2、4〕時輸出控制量準確值的一半。 3.4.2 模糊推理 對上述量化等級-4、-3、-2、-1、0、1、2、3、4模糊化后對應(yīng)的模糊集合，分別進展模糊推理，得到的輸出模糊集合分別為U1、U2、U3、U4、U5、U6、U7、U8、U9。計算如下 3.5 模糊判決 對上述輸出模糊集合U1、U2、U3、U4、U5、U6、U7、U8、U9進展模糊判決，得到控制量的準確值，乘以比例因子才能施加給被控對象。這里采用最大隸屬度法分別對輸出模糊集合U1、U2

15、、U3、U4、U5、U6、U7、U8、U9進展模糊判決。由于U2、U4、U6、U8中各有兩個論域元素的隸屬度最大且相等，所以對它們?nèi)∽畲箅`屬度對應(yīng)元素的平均值作為判決結(jié)果。對所有輸出模糊集合判決結(jié)果如下： u1=4、u2=3、u3=2、u4=1、u5=0、u6=-1、u7=-2、u8=-3、u9=-4 3.6 水位模糊控制查詢表 將上述模糊控制器輸入量化等級與其輸出準確值相對應(yīng)，得到下面的模糊控制查詢表〔表3—2〕： e(xi) -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 u(zk) 4 3 2 1 0 -1 -2 -3 -4 表 3—2 水位模

16、糊控制查詢表 4 利用MATLAB對水箱水位系統(tǒng)進展仿真建模 仿真的 基本思想是利用物理或數(shù)學(xué)的模型來類比模仿現(xiàn)實過程，尋求規(guī)律。它的既相互是相似現(xiàn)象。 計算機仿真也稱為計算機模擬，就是利用計算機對所研究的構(gòu)造、功能和行為以及參與控制系統(tǒng)的主控者——人的思維過程和行為，進展動態(tài)的比較和模仿，利用建設(shè)的仿真模型對系統(tǒng)進展研究和分析，并可將系統(tǒng)過程演示出來。 在這章里我們要用MALAB軟件來對水箱水位模糊控制系統(tǒng)進展仿真建模試驗， 基本分為三步，第一步利用此軟件所提供的模糊邏輯工具箱建設(shè)水箱水位模糊控推理系統(tǒng)，第二步利用Smulink工具箱對此系統(tǒng)進展設(shè)計與仿真，第三部

17、對傳統(tǒng)的PID控制與模糊控制進展比較。 4.1 水箱水位模糊推理系統(tǒng)〔FIS〕的建設(shè) 水箱水位控制，如圖4—1 圖 4—1 水箱水位控制 通過控制進水閥使得水箱水位保持在一定水平上。我們通常取水位誤差e和誤差變化率ec作為模糊控制器的輸入變量。其中：e=r-y〔誤差=設(shè)定值-測量值〕。選取誤差e的論域范圍為：[-1，1]，三個語言變量為：negative, zero, positive,他們的隸屬度函數(shù)均取guassmf〔高斯曲線〕；水位變化率ec的論域為：[-0.1，0.1]，三個語言變量值為：ngative，zero，positive，他們的隸屬度寒暑也取gaussmf。確

18、定輸出變量只有一個名字為u，5個語言變量值分別為closefast, closeslow,ochange, openslow,penfast隸屬度函數(shù)選為trimf〔三角形曲線〕。我們在此只需輸入自定的隸屬函數(shù)，至于模糊推理，查詢表，解模糊等fis系統(tǒng)會自己生成。 首先在matlab命令窗口鍵入fuzzy后回車，進入MATLAB的模糊推理系統(tǒng)如圖4—2所示： 選取edit菜單中的Add Variable…添加一個輸入量然后按上面所說編輯各個輸入輸出量的隸屬函數(shù)，其中輸入輸出的各具體隸屬函數(shù)如圖4—3所示： 圖 4—3 各隸屬函數(shù)的圖像 根據(jù)經(jīng)歷判斷： 其中輸入量e隸屬函數(shù)參數(shù)〔pa

19、rams〕為negative:[0.3 -1],zero: [0.3 0],positive: [0.3 1]。 其中輸入量ec隸屬函數(shù)參數(shù)〔params〕為negative:[0.03 -0.1],zero: [0.03 0],positive: [0.03 0.1]。 其中輸出量u隸屬函數(shù)參數(shù)〔params〕為 close_fast: [-1 -0.9 -0.8], close_slow: [-0.6 -0.5 -0.4], no_change: [-0.1 0 0.1], open_slow: [0.2 0.3 0.4], open_fast: [0.8 0.9 1

20、]。 其他參數(shù)圖4—4選?。? 圖 4—4 FIS相關(guān)參數(shù)設(shè)定 編輯好后隸屬函數(shù)如圖4—5所示，然后根據(jù)經(jīng)歷編輯模糊控制規(guī)那么，雙擊模糊控制器框進入規(guī)那么編輯器： 圖 4—5 編輯好后的隸屬函數(shù)和規(guī)那么編輯器 根據(jù)人工經(jīng)歷利用選框輸入如下控制規(guī)那么 If e is negative then u is close-fast; If e is zero then u is no-change; If e is positive then u is open-fast; If e is zero and ec is negative then u is open-slow; If

21、 e is zero and ec is positive then u is close-slow; 在菜單view中的rules和surface選項分別對應(yīng)得是規(guī)那么觀測器和曲面觀測器，利用這兩個工具我們可以方便的觀察規(guī)那么情況及調(diào)整不同的輸入時所對應(yīng)的輸出情況，使其動靜態(tài)特性一目了然：如圖4—7，4—8，4—9所示： 圖 4—7 圖 4—7 規(guī)那么觀測器 圖 4—9 曲面觀測器 至此利用MATLAB建設(shè)的水箱水位模糊推理系統(tǒng)建設(shè)完畢，要記得用菜單File——Export——To disk…將建設(shè)的系統(tǒng)以tank為名稱保存在磁盤中以防喪失，另外一定要用File——Export

22、——To Work space…將其保存在工作空間中以便在下一節(jié)simulink仿真設(shè)計中調(diào)用。 4.2 對SIMULINK模型控制系統(tǒng)的構(gòu)建 MATLAB提供的圖形輸入與仿真工具有兩個顯著的功能：SIM〔仿真〕與LINK〔連接〕，即可利用鼠標在模糊窗口畫出所需的控制系統(tǒng)模型，然后利用SIMULINK提供的功能來對系統(tǒng)進展仿真或線性化分析，使得復(fù)雜系統(tǒng)的輸入變得簡單和直觀。 在MATLAB命令窗口鍵入simulink回車，啟動simulink，并翻開控件工具箱，如圖4—10所示： 圖 4—10 Simulink窗口及控件工具箱窗口 利用控件工具箱窗口添加所需要的組件，如圖4—11：

23、 圖 4—11 水箱水位模糊控制系統(tǒng)所需組件 其中Signal Generator〔信號發(fā)生器〕用來產(chǎn)生輸入信號，在此用它產(chǎn)生方波信號；Scope〔示波器〕元件用來觀察各環(huán)節(jié)輸出的輸出波形；Sum〔求和模塊〕用來計算給定輸入和輸出水位的誤差；Gain〔增益模塊〕用來設(shè)置量化因子或比例因子；Mux元件可以將多個輸入信號合成一個向量信號；Fuzzy Logic Controller為模糊邏輯控制器，選自Smulink的模糊模塊庫，用來調(diào)用上一節(jié)建好的FIS構(gòu)造文件，將FIS構(gòu)造與構(gòu)建的整個Simulink模型系統(tǒng)進展連接；Constant元件用來產(chǎn)生一個常數(shù)值，他給VALVE閥門子系統(tǒng)

24、提供一個常數(shù)因子；Switch是一個開關(guān)元件，用值[1,-1]來切換狀態(tài)，在此它的作用是選擇用模糊控制器控制水箱還是用傳統(tǒng)的PID控制器來控制以方便試驗結(jié)果的比較。VALUE代表閥門，其構(gòu)造圖見圖4-12： 圖 4—12 閥門底層構(gòu)造圖 WATER TANK代表水箱它是一個子系統(tǒng)模塊，其構(gòu)造圖見4—13： 圖 4—13 水箱底層構(gòu)造圖 PID為傳統(tǒng)PID控制器構(gòu)造見圖4—14： 圖 4—14 PID底層構(gòu)造圖 添加完控件后開場連線，構(gòu)建好的水箱水位模糊控制系統(tǒng)模型見圖4—15： 圖 4—15 構(gòu)建好的水箱水位模糊控制系統(tǒng)模型 、雙擊模糊控制器〔Fuzzy Logic Contr

25、oller〕，在FIS File Structure文本框中輸入tank，調(diào)用上一節(jié)制作的模糊推理系統(tǒng)。成功鏈接如圖4—16 圖 4—16 tank FIS構(gòu)造與模糊控制器模塊的成功鏈接 到此就已經(jīng)構(gòu)建好了整個Simulink模型系統(tǒng)，下一步就可以對所構(gòu)建的模糊系統(tǒng)進展仿真。 4.3 進展Simulink模型仿真 在仿真之前，還需要設(shè)置仿真參數(shù)，可以通過菜單Simulation——Simulation Parameters…，將會翻開仿真參數(shù)設(shè)置對話框，如圖4—17： 圖 4—17 參數(shù)的設(shè)置如圖4—18： 圖 4—18 仿真參數(shù)設(shè)計 這里只用設(shè)置Solver選項卡，

26、其余的選項卡用默認設(shè)置即可。 本節(jié)的任務(wù)主要是觀察在所給定的輸入信號下水箱水位隨時間的影響情況，并比較傳統(tǒng)PID控制器和模糊控制器的控制效果。選擇菜單Simulation——Start，系統(tǒng)便開場仿真，const元件的常數(shù)設(shè)定為-1時系統(tǒng)由模糊控制器控制，其設(shè)定值為1時由PID控制器控制，示波器change，scope2，scope4分別顯示的是誤差變化率、水箱的溢水情況、水箱流出水流量隨時間的變化的波形，主要用來監(jiān)視工作狀態(tài)的，而示波器Comparison是顯示控制器輸出的波形的，仿真運行時雙擊此元件即可看到動態(tài)的波形輸出。模糊控制器與PID控制器的輸出波形如圖4-19所示： 圖 4—1

27、9 模糊控制器與PID控制器輸出結(jié)果的比較 結(jié)論 自20世紀40年代以來用計算機方法去研究系統(tǒng)的特性成為科學(xué)開展的時尚，在計算機上對構(gòu)成的系統(tǒng)模型進展試驗，為模型的建設(shè)和試驗提供了巨大的靈活性和方便性，利用計算機，使得數(shù)學(xué)模型的求解變得更加方便、快捷和準確，能解決問題的領(lǐng)域也大大擴展。 水箱水位控制系統(tǒng)在工業(yè)中利用廣泛，本文僅以一級系統(tǒng)作為仿真實例，并利用計算機輔助控制其實并不符合實用的設(shè)計原那么，在工業(yè)中一般簡單的水位控制系統(tǒng)是不采用計算機控制的，甚至多數(shù)都并不采用其他的電子設(shè)備控制，而是直接采用浮漂、杠桿等簡單的機械構(gòu)造就已足夠應(yīng)用了，但是隨著工業(yè)的開展，一些深加工行業(yè)〔如化

28、工〕需要采用多級水箱，另外一些應(yīng)用〔如能源行業(yè)〕存在各輸入輸出量嚴重耦合現(xiàn)象，在這些復(fù)雜、龐大的系統(tǒng)面前，傳統(tǒng)的機械構(gòu)造已不能滿足要求，甚至傳統(tǒng)的PID控制也已捉襟見肘。因此利用模糊控制來實現(xiàn)水位控制的想法才能浮出水面，雖然本文用事倍功半的方法討論了這個問題，但我認為其在此領(lǐng)域還是值得嘗試的。 參考文獻 [1] 孫施良、王陽明．模糊控制系統(tǒng)的matlab仿真過程，上海大學(xué)學(xué)報，2005，1：23-25 [2] 廉小親，模糊控制技術(shù)．北京：中國電力出版社，2003 [3] 劉向杰、彭一民、周孝信．模糊控制在熱工控制中的應(yīng)用現(xiàn)狀及前景．中國控制會議論文集，1998，4：5-9 [4] 陳

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