模糊控制在液位控制中的仿真应用设计说明

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1、化工学院毕业设计模糊控制在液位控制中的仿真应用设计Simulation Design Based on Fuzzy Controllerin Liquid Level Control学生学号： 09510441 学生： 霍可栋 专业班级： 自动0904 指导教师： 吕春兰 职 称： 副教授 起止日期： 2013.03.042013.06.23 吉 林 化 工 学 院Jilin Institute of Chemical Technology / 摘 要本次设计主要论述了应用模糊控制理论控制水箱液位，详尽的介绍模糊控制理论的相关知识，提出水箱液位模糊控制的方案，建立基于水箱水位的数学模型并用MA

2、TLAB进行仿真设计。首先根据双容水箱的系统结构，通过计算得到数学模型的传递函数；然后利用Matlab工具箱设计模糊控制器，具体包括以下三步：（1）确定模糊控制器的结构；（2）输入输出的模糊化；（3）模糊推理决策算法设计；最后分别用常规PID控制与模糊控制对双容水箱系统仿真。通过常规PID控制与模糊控制仿真结果的对比，我们能看出模糊控制较传统的PID控制来讲具有响应速度快、适应性较强，即鲁棒性好、超调量小稳定时间较长等优点，显示出很强的抗干扰性能。关键词：水位控制；模糊控制器；模糊规则; FISAbstractThis paper is primarily on the applied fuz

3、zy 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 wi

4、th MATLABbased 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 stru

5、cture of fuzzy controller; (2)Fuzzy input and output; (3)Design of fuzzy reasoning and decision algorithms. Finally, by using the MATLAB fuzzy logic toolbox and SIMULINK combination function,Compare the simulation result of conventional PID control and fuzzy control for dual-tank system. By contrast

6、 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：Le

7、vel control;Fuzzy controller;Fuzzy rules;FIS目 录摘 要IAbstractII第一章 绪论11.1 模糊控制水箱水位系统概述11.2 模糊控制理论简介11.2.1 模糊控制理论的产生、发展与现状11.2.2模糊控制理论运用于水箱水位系统控制的意义21.3 仿真建模工具软件MATLABSIMULINK简介21.4 本文的主要任务与容安排4第二章 模糊理论与模糊控制基础62.1模糊理论基础62.1.1 从经典集合到模糊集合的转变62.1.2 模糊集合的基本概念82.1.3模糊集合的基本运算112.2模糊控制的基础知识132.2.1 模糊控制的一般概念14

8、2.2.2 模糊控制的回顾和展望152.2.3 模糊控制系统的结构152.3 本章小结20第三章 水箱水位模糊控制器的建立223.1 双容水箱的动态分析与建模223.2Matlab下模糊控制器的设计243.2.1 确定模糊控制器的结构243.2.2 输入输出的模糊化253.2.3 模糊推理决策算法设计263.3 本章小结29第四章 利用MATLAB对水箱水位系统进行仿真建模304.1 水箱水位模糊推理系统（FIS）的建立304.2 模糊规则的建立324.3 对SIMULINK模型控制系统的构建354.4Matlab对水箱液位的仿真设计364.4.1 常规PID对液位模型的仿真364.4.2 模

9、糊控制对液位模型的仿真374.4.3 混合式模糊控制对液位的仿真384.4.4 干扰后常规PID与模糊控制仿真对比394.5 本章小结40结论42参考文献43致 44第一章 绪论1.1 模糊控制水箱水位系统概述在能源、化工等多个领域中普遍存在着各类液位控制系统，各种控制方式在液位控制系统中也层出不穷，如较常用的浮子式、磁电式和接近开关式。而随着我国工业自动化程度的提高，规模的扩大，在工程中液位控制的计算机控制得到越来越多的应用。液位控制系统的检测与计算机控制已成为工业生产自动化的一个重要方面1。经典控制理论和现代控制理论的控制效果很大一部分取决于描述被控过程精确模型的好坏，这使得基于精确数学模

10、型的常规控制器难以取得理想的控制效果。但是一些熟练的操作工人、领域专家却可以得心应手的进行手工控制。因此基于知识规则的模糊控控制理论在其应用中就有了理论和现实意义2。1.2 模糊控制理论简介1.2.1 模糊控制理论的产生、发展与现状 美国加利福尼亚大学教授扎德（L.A. Zadeh）在 1965 年撰写的论文Fuzzy Set开创了模糊逻辑的历史，从此，模糊数学这门学科渐渐发展起来。1966 年，P. N. Marinos发表了模糊逻辑的研究报告，这标志着模糊逻辑真正地诞生。后来，扎德又提出模糊语言变量这个重要的模糊逻辑概念。1974 年，扎德又进行模糊逻辑推理的研究。自 1974年英国的 E

11、. H. Mamdani 教授成功地将模糊逻辑应用于锅炉和蒸汽机控制以来，模糊控制已逐渐得到了广泛的发展并在现实中得到成功的应用。从此，模糊逻辑成为专家学者、控制工程师们研究的一个热门课题。特别是在日本，模糊理论的应用得到空前发展，最引人注目的是1987年7月仙台市采用模糊逻辑进行控制的地下铁路运输系统成功地投入运行。目前，模糊理论与其应用愈来愈受到人们的欢迎，在学术界也受到不同专业研究工作者的重视，在化工、机械、冶金、工业炉窑、水处理、食品生产等多个领域中发挥着重要的作用。究其原因，主要在于模糊逻辑本身提供了一种基于专家知识（或称为规则）甚至语义描述的不确定性推理方法。控制系统的设计不要求知

12、道被控对象的精确数学模型，只需要提供专家或现场操作人员的经验知识与操作数据，因而对于许多无法建立精确数学模型的复杂系统能获得较好的控制效果，同时又能简化系统硬件电路的设计。 充分显示了其对大规模系统、多目标系统、非线性系统以与具有结构不确定性的系统进行有效控制的能力3。我国模糊控制理论与其应用方面的研究工作是从 1979 年宝绶，志俊等对模糊控制器性能的连续数字仿真研究开始的，大多数是在著名的高等院校和研究所中进行理论研究，如对模糊控制系统的结构、模糊推理算法、模糊语言和模糊文法、自学习或自组织模糊控制器，以与模糊控制稳定性问题等的研究，而其成果主要集中应用于工业炉窑、机床与造纸机等的控制。近

13、年来，模糊控制已渗透到家用电器领域。国外现在已有模糊电饭煲、模糊洗衣机、模糊微波炉、模糊空调机等在市场上出现4。1.2.2模糊控制理论运用于水箱水位系统控制的意义采用传统的控制方法对水箱实施控制时存在以下一些难以克服的困难：（） 在一些应用中系统存在严重耦合，如在密封容器中水与气体的耦合。（） 由环境温度的不断变化给系统带来的不确定性。（） 对于多级复杂的水箱水位控制系统存在时间滞后，包括测量带滞后、过程延迟和传输时滞等。（） 在一些工作环境恶劣的条件下，在测量信号中存在大量噪声。（） 一些工作环境经常变化和应用广泛的设备的水位控制系统其运行参数的设定值需要经常变化。模糊控制理论以其非线性控制

14、、高稳定性、较好的“鲁棒性”、对过程参数改变不灵敏、参数自调整功能等众多经典PID控制所不具备的特点能很好的克服以上所列的困难。1.3 仿真建模工具软件MATLABSIMULINK简介MATLAB 软件(又称为 MATLAB 语言)，是由美国 New Mexico 大学的 CleveMoler 于 1980 年开始开发的，是一个包含数值计算、高级图形与可视化、高级编程语言的集成化科学计算环境。开发该语言的最初目的是为线性代数等课程提供一种方便可行的实验手段，该软件出现以后一直在美国 New Mexico 等大学作为教学辅助软件使用，同时作为面向公众的免费软件广为流传。1984 年由 Cleve

15、Moler 等人创立的 Mathworks 公司推出了 MATLAB 的第一个商业版本。由于该软件的使用极其容易，且提供了丰富的矩阵处理功能，所以很快就吸引了控制领域研究人员的注意力，并在它的基础上开发了专门的控制理论 CAD 应用程序集（又称为工具箱），使之很快地在国际控制界流行起来，目前它已经成为国际控制界最流行的语言。除了流行于控制界，MATLAB 还在图象信号处理、生物医学工程、通讯工程等领域有广泛的应用。MATLAB 当前的功能包括可靠的数值运算(不局限于矩阵运算)、图形绘制、数据处理、图象处理、方便的 GUI（GraphicUser Interface,图形用户界面）编程，同时有大量配套的工具箱，如控制界最流行的 控 制 系 统 工 具 箱 (Control systems toolbox) ， 系 统 辨 识 工 具 箱 (Systemidentification toolbox)，鲁棒控制工具箱(Robust control toolbox)，多