水箱水位模糊控制系统建模仿真课程设计

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1、钦州学院系统仿真课程设计设计题目水箱水位模糊控制系统建模仿真水箱水位模糊控制系统仿真建模摘要水位控制系统在各个领域上都有广泛应用， 虽然其结构简单但由于控制过程具有多 变量，大滞后，时变性等特点，且在控制过程中系统会受到各种不确定因素的影响，难 于建立精确的数学模型。虽然自适应、自校正控制理论可以对缺乏数学模型的被控对象 进行识别，但这种递推法复杂，实时性差。近年来模糊控制在许多控制应用中都取得了成功， 模糊控制应用于控制系统设计不 需要知道被控对象精确的数学模型， 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，同时又能简化系统的设计，因此，在水箱水位自动控制系统中，模糊 控制

2、就成为较好的选择。本文主要论述了应用模糊控制理论控制水箱水位系统，首先详 尽的介绍了模糊控制理论的相关知识， 在此基础上提出了用模糊理论实现对水箱水位进 行控制的方案，建立了简单的基于水箱水位的模糊控制器数学模型。本试验系统还充分利用了 MATLAB 的模糊逻辑工具箱和 SIMULINK 相结合的功 能，首先在模糊逻辑工具箱中建立模糊推理系统 FIS 作为参数传递给模糊控制仿真模块， 然后结合图形化的仿真和建模工具，再通过计算机仿真模拟出实际系统运行情况。通过 试验模拟，证明了其可行性。目录摘要Abstract1绪论 51.1水箱水位系统概述 51.2模糊控制理论简介 51.2.1模糊控制理论

3、的产生、发展及现状 61.2.2模糊控制理论运用于水箱水位系统控制的意义 61.3仿真建模工具软件 MATLAB /SIMULINK 简介 61.4本文的主要任务及内容安排 82模糊理论及模糊控制基础 82.1模糊理论基础 82.1.1从经典集合到模糊集合的转变92.1.2模糊集合的基本概念 102.1.3模糊集合的基本运算 122.2模糊控制基础142.2.1模糊控制的回顾和展望 152.2.2模糊控制系统的结构 152.3本章小结203水箱水位模糊控制器的建立 203.1输入输出语言变量语言值的选取及其赋值表 213.2控制规则描述243.3水位控制模糊关系矩阵 243.4模糊推理243.

4、4.1输入量模糊化 243.4.2模糊推理 243.5模糊判决253.6水位模糊控制查询表 253.7本章小结 254利用MATLAB寸水箱水位系统进行仿真建模 264.1水箱水位模糊推理系统（FIS）的建立 264.2对SIMULINK模型控制系统的构建 344.3 进行 Simulink 模型仿真 374.4本章小结 37结论40参考文献40水箱水位模糊控制系统仿真建模1 绪论1.1 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液。 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，

5、 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及计算机控制已成为工业生产自动化的 一个重要方面。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1.2 模糊控制理论简介1.2.1模糊控制理论的产生、发展及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

6、展起来。1966年， P. N. Mari nos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. 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，模糊理论及其应用愈来愈受

7、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及 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、非线性系统以及具有结构不确定性的系统进行有效控制的能力。我国模糊控制理论及其应用方面的研究工作是从 1979 年

8、李宝绶，刘志俊等 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， 以及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、 机床及造纸机等的控制。 近年来， 模糊控制已渗 透到家用电器领域。国内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。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锅炉实施控制时存在以下一些难以克服的困难：(1) 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

9、。(2) 由环境温度的不断变化给系统带来的不确定性。(3) 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。(4) 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。(5) 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、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 MATLAB SIMULINK 简介MATLAB 软件 ( 又称为 MATLAB 语言 )，是由美国 New Mexi

10、co 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 CleveMoler 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(

11、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 In terface图形用户界面)编程，同时有大量配套的工具箱，女口 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

12、(Robust control toolbox)，多变量频域设计工具箱 (multivariable frequency design toolbox)，卩分析 与校正(；-analysis andsynthesis toolbox)神经网络工具箱(neural network toolbox)， 最优化工具箱(optimization toolbox)，信号处理工具箱(signal processing toolbox) 以及集成仿真环境 SIMULINK 。参与编写这些工具箱的设计者很多是国际控制 界的名流， 包括 Alan Laub， MichaelSofanov， Leonard Lj

13、ung， Jan Maciejowski 等 这些在相应领域的著名专家，所有这些当然的提高了 MATLAB 的声誉与可信 度，使得 MATLAB 风靡国际控制界，成为最重要的 CACSD 工具。Simulink 是一个基于 MATLAB 平台用来对动态系统进行建模、仿真和分 析 的 面 向 结 构 图 方 式 的 仿 真环 境 ， 是 MathWorks 公 司 在 1990 年 为 MATLAB3.5 版本推出的新的图形输入与仿真工具， 起初定名为 SIMULAB ，但 因其与著名的 SIMULA 软件名类似，故在 1992 年正式更名为 Simulink ，它是动态系统仿真领域中最为著名的

14、集成仿真环境之一。在那以前控制界很多学者使 用ACSL（高级连续仿真语言）作为系统仿真的语言，而方便、图形化的Simulink 一出现，就迅速地取代了 ACSL语言，成为研究者首选的仿真工具。Simulink环 境包含功能齐全的子模型库：Source信号源库）、Sinks （输出方式库）、Discrete （离散模型库）、Linear （线性环节库）、Nonlinear （非线性环节库）、Connection （连接及接口库）、Blocksets and toolboxs （模块建立和工具箱库）以及 Demos （实例库）。它们能够帮助用户迅速建立自己的动态系统模型，并在此基础上进 行仿真分析

15、；通过对仿真结果的分析修正系统设计，从而快速完成系统的设计。 Simulink支持线性和非线性系统，能够在连续时间域、离散时间域或两者的混 合时间域里进行建模仿真，它同样支持具有多种采样速率的系统；与传统的仿真软件包用微分方程和差分方程建模相比，Simulink提供了一种图形化的交互环境，只需用鼠标拖动便可迅速建立系统框图模型，甚至不需要编写一行代码；它和MATLAB无缝结合，使其能够直接利用 Matlab丰富的资源和强大的科学计 算功能；另外，Simulink在系统仿真领域已得到广泛的承认和应用，许多专用 的仿真系统都支持Simulink模型，这非常有利于代码的重用和移植。当前的MATLAB7.0/Simulink4.0及其以上的版本提供了更加丰富的专业模 块库及强大的高级图形、可视化数据处理能力，图1 1a和图1 1b给出了MATLAB7.0和Simulink4.0版本的用户界面。图1 2则形 象的 给出了 Simulink与MATLAB 之间的层次关系，由图 1 2可以看出 Simulink是建立 在MATLAB 的基础之上的，它是MATLAB环境中的一个模块，SimulinkBlockset提供丰富的模块库，广泛的用于控制、DSP、通讯等领域；Stateflow是 一种利用有限状态机理论建模和仿真事件驱动系统的可视化设计工具，适合于描述复杂的开关控制逻辑、状态转移图以及