单容水箱液位模糊控制系统设计

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1、西北工业大学明德学院本科毕业设计论文本科毕业设计论文题 目 单容水箱液位模糊控制系统设计 专业名称 自动化 学生姓名 杨鹏飞 指导教师 赵 静 毕业时间 2014年6月 设计论文毕业 任务书一、题目单容水箱液位模糊控制系统设计二、指导思想和目的要求通过毕业设计使学生对所学自动化专业知识和理论加深理解，掌握自动控制原理以及过程控制系统和仿真的基本方法。要求毕业设计中：1、建立系统的数学模型2、设计单容水箱液位单回路反馈控制系统，采用PID控制并进行仿真以及参数整定。3、设计单容水箱液位模糊控制系统。即设计一个两维模糊控制器，模糊控制器的设计为两个输入一个输出，模糊控制器的输出用来控制阀门的开度，

2、调节水箱的液位。4、模糊控制系统的理论设计计算以及仿真计算模糊控制规则可调整的液位控制系统的性能指标，进行参数整定。5、比较水箱液位模糊控制和PID控制系统。三、主要技术指标1、液位保持在480-510mm2、超调量5%3、稳定时间200S四、进度和要求1、1-3周：收集查阅资料；2、4-6周：完成总体方案设计和建模；3、7-8周：完成系统分析和控制规律设计；4、9-11周：完成仿真验证及修改；5、12-13周：完成毕业设计论文.五、主要参考书及参考资料（1）金以慧，过程控制 清华大学出版社，1993.4（2）刘永信，陈志梅，现代控制理论 北京大学出版社，2006.9 （3）薛定宇，陈阳泉，系

3、统仿真技术与应用 清华大学出版社，2004.4（4）胡寿松 主编自动控制原理 北京科学出版社，2007.6（5）陈阳泉 主编过程控制与SIMULINK应用 北京电子工业出版社2001.4（6）郝整清，模糊控制及其MATLAB仿真 北京交通大学出版社208.3（7）苏徽，模糊PID研究西安工业化仪表与自动化装置杂志社2001.4学生 杨鹏飞 指导教师 赵静 系主任 史仪凯 摘要 液位控制是工业控制中的一个重要问题,针对液位控制过程中存在大滞后,时变,非线性的特点,为适应复杂系统的控制要求,人们研制了种类繁多的先进的智能控制器,模糊控制器便是其中之一。模糊控制，使控制系统的响应速度快,过渡过程时间

4、大大缩短,超调量减少,振荡次数少,具有较强的鲁棒性和稳定性,在模糊控制中扮演着十分重要的角色。 本文介绍了模糊控制在单容水箱的液位控制系统中的应用。首先建立了液位控制系统数学模型,介绍了PID控制和模糊控制的基本原理, 然后利用 MATLAB 工具对控制对象进行了跟踪设定值,进行单容水箱液位模糊控制方面的仿真研究。模糊控制算法与常规 PID 算法相比具有鲁棒性强和动态性能好等特点,该控制方法对于单容水箱系统控制是有效的。关键词： PID控制，模糊控制，simulink 仿真Abstract The liquid level control industrial control is one o

5、f the important problems , According to level control process in big lag, time-varying, Nonlinear character is tics ,In order to adapt to the control requirements of complex system , It was a wide variety of advanced intelligent controller, Fuzzy controller is one of them. Fuzzy control algorithm co

6、mbined with PID control and fuzzy control method, can realize PID parameters of online adjustment, the control system of the fast response, the transition process time shortens greatly, overshoots reduce, oscillation less number, and has strong robustness and stability in fuzzy control play a very i

7、mportant role in. This article describes the fuzzy control in Water Level Control System. First, the establishment of a level control system mathematical model describes the basic principles of fuzzy control and PID control, and then use MATLAB tools for control object tracking settings, single-tank

8、 water level simulation of fuzzy control. Fuzzy control algorithm and compared with the conventional PID algorithm robustness and dynamic performance and good features, the control method for single-tank water system controls are effective.Keywords: PID control，tank fuzzy control，simulink simulation

9、I目录第一章 绪论61.1 选题背景、研究意义及文献综述摘要61.1.1选题背景61.1.2研究意义61.2模糊控制在工业中的应用71.3系统的控制算法种类81.4 本论文的主要内容9第二章 单容水箱液位系统组成及数学建模102.1 单容水箱的组成102.2 单容水箱液位的数学建模10第三章 控制系统的设计123.1 PID控制算法和模拟PID调节123.2 PID控制规律143.2.1数字PID控制算法163.2.2控制器的P，I，D项选择163.3模糊控制理论的起源与发展173.4 模糊控制系统203.4.1 模糊控制系统的组成203.4.2 模糊控制器的组成21第四章 单容水箱液位模糊控

10、制系统的设计264.1 输入、输出变量的论域和模糊化264.2 量化因子和比例因子274.3隶属函数的选择294.4 模糊控制规则表30第五章单容水箱液位控制系统的仿真研究325.1 MATLAB简介325.1.1 MATLAB 基本功能325.1.2逻辑工具箱335.1.3 模糊逻辑的SIMULINK335.2 单容水箱液位的MATLAB仿真345.3 模糊控制系统simulink仿真步骤35参考文献42致谢44毕业设计小结4522第一章 绪论 1.1 选题背景、研究意义及文献综述摘要1.1.1选题背景随着工业生产的飞速发展,人们对控制系统的控制精度,响应速度,系统稳定性与适应能力的要求越来

11、越高。而实际工业生产过程中的被控对象往往具有非线性,时延的特点,应用常规的控制手段难以达到理想的控制效果,研究对非线性,时延对象的先进控制策略,提高系统的控制水平,具有重要的实际意义。本文所提及的液位控制系统是一种可以模拟多种对象特性的实验装置。该装置是进行控制理论与控制工程教学,实验和研究的理想平台,可以方便的构成多阶系统对象,用户既可通过经典的 PID 控制器设计与调试,完成经典控制教学实验,也可通过模糊逻辑控制器的设计与调试,迸行智能控制教学实验与研究。自动控制理论的形成和发展经历了经典控制理论,现代控制理论和智能控制理论三个阶段。其中,经典控制理论和现代控制理论是建立在精确的数学模型的

12、基础之上的,而智能控制理论适合用来解决系统模型和环境本身均不确定的问题。1987 年智能控制正式成为一门独立的学科,它是人工智能,运筹学和自动控制理论等多学科相结合的交叉学科。模糊控制是模仿人的控制过程,其中包含了人的控制经验和知识。因而从这个意义上说,模糊控制也是一种智能控制。模糊控制方法既可以用于简单的控制对象,也可以用于复杂的过程。1.1.2研究意义随着工业生产的飞速发展,人们对生产过程的自动化控制水平,工业产品和服务产品质量的要求也越来越高。每一个先进实用控制算法和监测算法的出现都对工业生产具有积极有效的推动作用。然而,当前的学术研究成果与实际生产应用技术水平并不是同步的,通常情况下实

13、际生产中大规模应用的算法要比理论方面的研究滞后几年,甚至有的时候这种滞后相差几十年。这是目前控制领域所面临的最大问题,究其根源主要在于理论研究尚缺乏实际背景的支持,一旦应用于现场就会遇到各种各样的实际问题,制约了其应用。因而,在目前尚不具有在实验室中重现真实工业过程条件的今天,开发经济实用且具有典型对象特性的实验装置无疑是一条探索将理论成果快速转换为实际应用技术的捷径。多容器流程系统是具有纯滞后的非线性耦合系统,是过程控制中的一种典型的控制对象,在实际生产中有着非常广泛的应用背景。用经典控制方法和常规仪表控制这类过程时,常因系统的多输入多输出关系以及系统的内部关联而使系统构成十分复杂,会明显地

14、降低控制系统的调节品质,在耦合严重的情况时会使各个系统均无法投入运行。液位控制系统是模拟多容器流程系统的多输入多输出,大迟延,非线性,耦合系统,它的液位控制算法的研究对实际的工程应用有着非常重要的意义。 工业生产过程控制中的被控对象往往是多输入多输出系统,回路之间存在着耦合的现象。即系统的某一个输入影响到系统的多个输出,或者系统的某一个输出受到多个系统输入的影响。有时对该多变量系统进行解耦能够获得满意的控制效果。液位控制系统实验装置模拟了工业现场多种典型的非线性时变多耦合系统,用常规的控制手段往往很难实现理想的控制效果,因此对其控制算法进行研究具有非常重要的实际意义。1.2模糊控制在工业中的应用自从1965年美国加利福尼亚大学的Zadeh教授创建模糊集理论和1974年英国的 E.H.Mamdani 成功地将模糊控制应用于锅炉和蒸汽机控制以来，模糊控制得以广泛发展并在现实中得以成功应用，其根源在于模糊逻辑本身提供了由专家构造语言信息并将其转化为控制策略的一种系统的推理方法，因而能够解决许多复杂而无法建立精确的数学模型系统的控制问题，是处理推理系统和控制系统中不精确和不确定性的一种有效方法。从广义上讲，模糊控制是基于模糊推理，模仿