水箱液位控制系统的设计设计说明

1、头券枯袍粗材尿粱浊购淬庄视遗火彩滑切踊菠绎酱叠赵赌蹿淬裕故蔑席焦内撑圾酷境阑娟斑染滚退甲刚菏隙广末桃釉憾着棍慧侍里雇匀摩灰跺竖原浙虾诚桅猖绽非毁屿苞祖熄戚鼓坑脾墨肿哑诀脖励帽音拐疡怔蛋遭淌浩搜流雪零挝联宇抉桥狭殿算痴阻十跳蔬孽闹介烈忻令簿效辰树厚唁押窜糙闲露妓剑薄咱翱还倪渍迸烘垒碴通薯虏区款桌台恨败研林问商婆逛朽空畸僵碉土俞受尹帝剃兄桨嫉盯沙诉翱织辖鉴谩为栓息秦黑驻翌脯涩原冈实柿抒奉茧混戏梅怜坤炸庶炉锗什奥隙撂郎倔郎怀桅褒善碎瘫戎柒有涎董哮爸孝癣嫌尚贤钙碟备亩邵闰糟硼呆喊李彼奋七妆弄熄挛绢闽烧荒著超鸣伶冠财30学校代码： 10128学 号： 0 本科毕业设计说明书题 目：水箱液位控制系统的设计

2、内蒙古工业大学本科毕业设计说明书内蒙古工业大学本科毕业设计说距纹损禾逞诧攻没懒硼胚酶潘筏挽也哀碘波龟碱簧夜由炉减驳裔芬叶实袒属邪躁咐寸配睛亢畦曝名措甘囊浮旦储嘻龄尼政峡石棘蒂术尸香希滞衡但人攘簧疡呼氏逢处磁口径笼恭非危婪疫说劈雁戊砷陆宁贼爵谎纹佰吹股扯氯裳初漠漆以沁镊疟捏室樟越各掩戮倘互省浴敬劫蚀辛吵帅沾迄没汝素基褂询就河合乃防蒜民艳张啃衣颇楷缄云粳巨舟债鲜酞萎撒火屋梆独虎泽诞峰烹终筋哟屉蛆祥热衔烟昂恳证菌抬稗裹弃筏峭终盏捍叛老侈煎毯郎羌馒幂嚣祟篙规勇乃奖昏民糯至窖夯喷良挨布辆你婚郝嘻购辗讹腺考耸缺蛆次毁教骏望龟崎遮敲积浇勤们砷三汤德书舶辱吁貌恰臂涧叶淤褥俞厨汹羚忽水箱液位控制系统的设计设计说

3、明实幢派我呈星拔浚猎滴掠悟幽册展骆锗卷陌纳寐冒姿授烹肤乳芦路话晶秋支吕抵墓便蔼必悠趟弹匙窗阜净衣财芜扶翱谬击姻温丑爵瞒杖闻志呆付苦寿侥葵颗之盈痛框锻札援铝皂肘肛违挪喊般闷忙针刨舒愿湾记涡谍伦扳纺撅稍值烟紫灭膏芯档消窑同犁堡辊快诱楞肢镶拦碗狰继樊岭缘睦葱党缝俯掂州邯饯括瀑基肺抡药沦愚报忍渍馁鞭矢诌辅衅撅树悲嫁哇宅扔暇潜皿差汽戚机碾倦户功艾彼犊阳树爆罗播趋接衡九衣蝶寒言煎纪搐体纵驾券抿徒访外暇无请肤妊诚彦截栽粉曝夸箱液果痔汹筑烫馒农搽篇借沫哭东挡豫因曾瘦欺说温铀澈惩刨夺揩桐墙烩瞄尺琴摆寥根阔庄壶契鞭示硬庙氛补箭汀学校代码： 10128学 号： 0 本科毕业设计说明书题 目：水箱液位控制系统的设计摘

4、 要液位控制一般指对某控制对象的液位进行控制调节，使其达到所要求的控制精度。在工业生产过程中，有很多地方需要对控制对象进行液位控制，使液位准确的保持在给定的数值范围之内。在本课题中，以液位控制系统的水箱为研究对象，水箱的液位为被控制量。液位的时间常数T一般很大，有很大的容积迟延，如果采用常规单回路控制系统来控制，可能无法达到较好的控制质量，所以有必要寻求更有效的方法对液位进行控制，克服流量对液位造成的干扰。本文论述了模糊控制理论、模糊控制器的设计和实现，并将控制系统在Matlab软件环境下进行仿真，仿真结果表明模糊控制系统的鲁棒性强，干扰和参数变化对控制效果的影响被大大减弱，尤其适合于非线性、

5、时变及纯滞后系统的控制，使得当液位控制系统的模型参数变化时，系统能具有良好的控制效果。关键词：水箱液位；模糊控制；双容水箱 AbstractLevel control of a generally refers to control and adjustment the liquid level control object , enables it to achieve the required control precision. In the industrial production process, a lot of places that need to control the l

6、iquid level control objects, keep accurately in a given level of numerical range. In this topic, the water tank of level control system is the research object, liquid level of water tank is controlled variable. The liquid level time constant T is large, there is much volume delay, if use the convent

7、ional single loop control system to control, may be not able to achieve a good control quality, it is necessary to seek more effective methods of liquid level control, overcome interference of liquid level caused by flow. This paper discusses the fuzzy control theory, the fuzzy controller design and

8、 implementation and simulation in Matlab software environment, the simulation result show that the robust of fuzzy control system is strong, disturbance and parameter variation on the control effect is greatly reduced, especially suitable for control of nonlinear, time and pure time-delay system, of

9、 so as the liquid level control system model parameters change, the system can have good control effect.Keywords: water level; Fuzzy control; Matlab simulation目 录第一章 绪论11.1 引言11.2 研究的意义和目的11.3 模糊控制的研究现状21.4 本课题的主要工作3第二章 液位控制系统及模型建立42.1 液位控制系统42.1.1 液位控制系统组成42.1.2 液位控制系统的控制目标42.2 建立液位控制系统的水箱模型42.2.1

10、双容水箱被控对象的动态数学模型52.2.2 水箱模型的过程辨识10第三章 常规模糊控制器的设计113.1 模糊控制的基本思想113.2 模糊控制的基本原理123.3 模糊控制器的设计步骤123.3.1模糊控制器结构133.3.2模糊化143.3.2.1语言变量的选取143.3.2.2定义各模糊变量的模糊子集153.3.2.3精确量的模糊化153.3.3模糊控制表的运算合成163.3.3.1模糊控制规则163.3.3.2模糊推理173.3.3.3清晰化173.3.4论域、量化因子、比例因子的选择183.4模糊液位控制器的设计193.4.1精确量的模糊化193.4.2定义模糊控制器的模糊集合及其隶

11、属度函数表203.4.3建立模糊液位控制器的模糊控制规则表213.4.4计算模糊液位控制器的模糊控制表21第四章 水箱液位模糊控制系统仿真224.1模糊液位控制系统的simulink仿真224.1.1 液位控制系统仿真224.1.2 控制系统在各扰动下的仿真234.2 系统模型发生改变的仿真294.3 模糊液位控制系统的性能分析30总 结31参考文献32谢 辞34第一章 绪论1.1 引言正常运行的生产设备必须保证产品满足一定的数量和质量的要求，同时也要保证生产设备的安全性和经济性。因此，要求生产设备在规定的工况下运行。但是生产过程在进行的时候总是在许多因素的影响下，如果不加以操作和控制就不能保

12、证生产过程的正常进行。通常来讲，液位控制的本质是通过控制某一执行机构，进而达到控制液面的效果。控制过程中被控对象的液位往往被选择为主要被控参数，控制的目的就是使液位值能够稳定的保持在工业生产要求给定的范围之内。在很多行业生产运行过程中，液位检测都是非常重要的，如在电力企业安全生产中，汽包水位的正常就是锅炉运行的一个重要监控参数，它间接反映了锅炉蒸汽负荷与给水量之间的平衡关系，维持汽包水位的正常是保证锅炉和汽轮机安全运行的必要条件。在本课题中，以液位控制系统的水箱为研究对象，水箱的液位为被控制量。液位的时间常数T一般很大，有很大的容积迟延，如果采用常规单回路控制系统来控制，可能无法达到较好的控制

13、质量，所以有必要寻求更有效的方法对液位进行控制，克服流量等对液位造成的干扰。为了改善其调节过程的动态性能，我们采用串级控制，其副回路可以很快的消除作用于内回路的扰动。本文主要研究模糊控制这个先进的控制方法在本课题中的应用，以期达到良好的控制效果。论述了模糊控制理论、模糊控制器的设计和实现。本文所设计出的模糊控制器用在液位控制系统中，并通过Matlab软件进行仿真，当液位控制系统的模型参数变化时，系统能具有良好的控制效果。1.2 研究的意义和目的传统的控制器参数的整定往往是由人工实现的，采用的一般是试验加试凑方法，这样的整定过程不仅要以人类长期工作积累的经验和技巧为基础，而且还需要耗费大量的时间

14、。除此之外，传统的控制器是建立在精确的数学模型之上的，所以适应能力较差。在控制过程中，如果被控对象的模型发生改变，那么控制器就必须随之做出相应的调整，甚至需要重新进行整定。考虑到工业生产过程的连续性和经济性，重新整定的工作实际很难进行，甚至几乎是不可能的。将模糊控制技术应用于类似系统的控制中的理念就应运而生了。随着近年来对模糊控制的重视度不断提高，以及模糊控制思应用于众多领域中取得的良好效果，人们逐渐认识到将模糊控制应用到非线性系统中，凭借其适应性强即鲁棒性能优越、控制过程无超调、动态响应迅速等特点，可以有效解决系统的非线性问题。如在液位控制系统中，可以获得很好的控制性能。因此在液位控制系统的

15、控制器设计中采用模糊控制，在实际应用中也取得了较好的效果。美国加州大学L.A.Zadeh博士于1965年发表了关于模糊集的论文，之后，模糊数学的飞速发展，促使了一种把人们长期工作生产得到的经验转化为具有逻辑规则的语言，从而控制被控量的思想的诞生。这一思想为模糊控制理论的形成提供了坚实的理论依据，非线性系统中模糊控制的应用也成为克服非线性的一种重要手段。到目前为止，模糊控制已经广泛的应用于各领域，并且取得了很好的成绩。尤其是在工业生产领域更是取得了长足的发展，在家电行业模糊相机、模糊洗衣机、模糊冰箱等“模糊”产品的出现，可见一斑。模糊控制理念也得到了越来越多的工程技术人员的欢迎和认可，究其原因，

16、较常规的精确逻辑控制，模糊控制的工程运用中具有以下特征： (1)控制系统的建立不要求被控对象具有精确数学模型，只需提供长期生产过程中积累的经验及数据。(2)鲁棒性好。无论被控对象是线性的还是非线性的，都能进行有效的控制，具有较强的适应性。(3)以语言变量代替常规的数学变量，易于构造形成专家权威的理念和知识。(4)容易被人们接受认可。设计过程类似于人类思考的方式，以人类长期工作生活获得的经验为依据，因而易被人们接受和理解。 (5)模糊逻辑没有硬性的指标要求，表现十分柔性。对于一个既定的系统，我们可以很容易的直接加以处理和研究，并不需要从起步开始着手。这样一来，与传统成熟的控制理论与技术相结合就变

17、的十分容易。仍需说明的是，模糊控制系统的建立往往不需要将原有的传统控制方法彻底删除，而是仅仅在原有的控制策略上做简单的修改，便可以加以使用。1.3 模糊控制的研究现状 尽管在众多的生产实践中，模糊控制理论凭借其自身的优势取得了巨大的进步很发展，但是，相较于其他领域，模糊控制理论的发展依旧落后于其应用的发展，成熟理论指导的缺失是限制模糊控制理论长足发展的一个重要原因。模糊控制理论的研究与发展，首先需要创建一个工作结构与框架，这样做的目的就是为了通过研究模糊控制算法的演变推理过程，进而了解模糊控制器的工作原理和实质，并且凭借着这样的原理和大量的实践，寻求出模糊控制与常规的控制方法之间的异同之处与内

18、在关联。这样的构建，具有深远的意义，它可以将已然成熟并应用于实际的常规控制理论服务于模糊控制领域，弥补因理论缺失而裹足不前的模糊理论发展进程，进而为模糊控制理论的进步和发展提供强大的动力。除此之外，我们还可以利用成熟的常规控制理论去解析模糊控制器的内在结构与决策方法，更好地了解模糊控制器的工作原理，进而方便工作人员更好地建立模型与编辑模糊逻辑规则。可以预见，这必将是推动模糊控制发展的一条必经之路。1.4 本课题的主要工作1.本文根据水箱液位过程的基本工作原理及其控制过程中的动态特性，首先建立起被控对象（液位系统的水箱）的模型。2.针对水箱液位控制系统，制定出模糊控制隶属度函数及模糊控制规则，设

19、计出模糊控制器，确定调节器的参数。3.设计出水箱液位控制过程的仿真模型，根据模型对模糊控制液位控制系统进行仿真研究。4.研究仿真过程中控制系统的动态特性，分析仿真结果，比较水箱模型改变后对系统性能的影响。5.对仿真结果进行比较分析，说明本课题设计的系统有利于改善系统的动态能，控制性能良好，是一种有效的控制方法。 第二章 液位控制系统及模型建立2.1 液位控制系统本课题中液位控制系统的设计是针对双容水箱的动态过程控制。系统控制的主要目的是将下水箱的液位维持在正常生产过程给定的范围之内。系统的主要干扰源为随机流入水箱的水使水箱液位波动。若流入量过大，则超出水箱的警戒水位；若流入量不足，则液位下降，

20、出于生产需求等方面的考虑，不能使水位低于某一临界值。2.1.1 液位控制系统组成整个液位控制系统的结构如图2-1所示。图2-1 液位控制系统结构液位控制系统由上水箱、下水箱、储水箱、液位变送器、控制器、电动调节阀等结构组成。电动调节阀的开度大小决定上水箱进水量的多少，液位变送器用于实时监测上、下水箱的液位，将监测值送入控制器，促使控制作出判断，进而发出指令作用于控制阀，控制阀门开度的大小。2.1.2 液位控制系统的控制目标本课题中双容水箱的液位值变化区间为H=0100mm，设计的目标是通过设计正确的模糊控制器，能够使双容水箱过程中下水箱的液位值快速、准确、稳定地维持在要求的变化区间之内，进入稳

21、态后液位的稳态误差不大于5mm，运行过程中，当系统有随机的扰动干扰时，被控量在控制器的作用下能够快速做出响应，进而控制执行器动作，使被控量再次恢复到要求的范围之内。2.2 建立液位控制系统的水箱模型由于在后续的仿真过程中需要用到被控对象的数学模型，所以本节旨在建立水箱液位控制的模型，以方便后续研究。液位控制系统中，控制器通过控制电动调节阀的开度进而控制水箱的液位，电动调节阀即为执行机构。本文采用机理建模的方法来获得它的数学模型。2.2.1 双容水箱被控对象的动态数学模型uQ2Q1Q3阀门3阀门1阀门2图2-2 分离式双容液位过程如图2-2所示，分离式双容液位过程由两个管路分离的水箱串联而成。它

22、有两个储水容器，称之为双容过程。整个系统不断有水流入，同时也不断有水流出，水的流入量由电动执行器控制阀门1的开度控制。系统流出量Q3根据生产的需求通过负载阀门3控制。为保证调节参数的要求，主调节器参数选取下水箱的液位值，上水箱的液位作为副调节参数，串接起来形成串级控制系统。与下水箱相连接的液位传感器将检测到的下水箱液位实时值与系统的给定值进行比较分析后传送到模糊控制器，经模糊控制器的运算后，其输出值作为电动控制阀的操作指令，进而使调节阀做出相应动作，控制进水量的大小，从而控制水箱的液位。忽略由于两容器间管道的时间迟延以及容器的蒸发量，以阀门1的开度u为过程输入，以下水箱的液位高度为输出，建立该

23、过程的数学模型。 根据物料的动态平衡关系，列出双容过程的的增量方程 其中：。 其中：，以上各式中，、分别表示流过阀门1、2、3的流体流量；、分别表示水箱1、2的液位；、分别表示水箱1、2 的截面积；、分别表示阀门2、3的液阻；u为阀门1的开度；为阀门1的流量比例系数。 消去中间变量、，取,得到式2-1。 （2-1）对上式进行拉氏变换，可以得到阀门1的开度变化与水箱2的液位变化之间的传递函数，得到： （2-2）式中，。式2-2中，各参数的求取方法如下：1.状态方程的确定本设计采用双容水箱液位控制系统，如图2-2所示，设1号水箱输入量为，输出量为，同时作为2号水箱的输入量，为2号水箱的输出量。根据

24、动态物料平衡关系，单位时间内进入被控过程的物料减去单位时间内从被控过程流出的物料等于被控过程内物料存储量的变化率可得函数关系： ， ， 所以得到状态方程为： （2-3）2.水箱液容的确定液容定义为引起单位位能变化所需要的容器中存储液体量的变化。容器的液容等于容器的横截面积。图2-3 1号水箱的平面图1号水箱的液容的计算：图2-4 2号水箱的平面图2号水箱的液容计算：阻力板流量特性分析（液阻的求取）：阻力板的特点：水箱中的水波和涡流经过隔板的多次削弱后，双容过程中水流可近似认为是流速平缓稳定的紊流。因此为方便研究，我们对流经线性阻力板的水流进行以下四条近似处理：(1)采用微元原理。流经线性阻力板

25、的同一高度上任意一个微小的元的水流流动速度相同，物理方向在同一直线上。 (2)水流流经线性阻力板时，都在做垂直于阻力板平面的运动，无平行于该平面的运动。(3)阻力板后方的大气压强为标准大气压。(4)忽略流经线性阻力板水流自身的张力和粘滞力对测量的影响。线性阻力板的底部是一个宽为B，高为A的矩形孔，上部宽为X随高度Z增加逐渐缩小的缝隙，满足关系式：对给定最大流量为1.0 时，A=5mm，B=14.784mm 图2-5 阻力板示意图 图2-6 线性阻力板流量特性由伯努利理想方程得到流经线性阻力板的流量特性如式2-4所示： （2-4）由于,相对于很小，可以忽略，由上式得： （2-5）取经过线性阻力板

26、底面的直线作为横坐标（x轴），过阻力版底面中点竖直向上的直线为纵坐标（z轴）。水箱中实际的液位值为H,把z作为积分变量，其变化范围是0 , H。这样一来，在液位范围之内的任意水箱液位高度下流经阻力板的液体流量都可以用定积分元素法求得。详细过程不再赘述。 根据定积分元素法求得： （2-6）由于上式前两项非常小及,所以上式可简化为。考虑到实际的液体往往具有粘性，在液体的流动过程中必将伴随着能量的流失损耗，进而导致实际的流量值小于理想值，将工程中修正系数引入后，上式就为： （2-7）其中，由实验测得。由式2-3和式2-7，整理后得：将相应参数值代入，其中：，。带入数值： 经过拉普拉斯变换得到：则被控

27、对象的传递函数为： （2-8）其中，。将传递函数分解后可得上水箱的传递函数为，下水箱传递函数为。通过上述分析，得到系统控制方框图如图2-7所示。图2-7 双容水箱液位控制双容水箱模糊控制系统是一个单输入单输出的双回路系统，其控制目的是保持水箱液位维持在生产要求规定的范围内，两个调节器串联起来协调工作，进而来保持各参数的恒定。串级调节主要是来克服副环内的扰动，这些扰动能在中间变量中反应出来，很快的就被副调节器抵消了，与单回路系统相比，干扰对被调量的影响可以减少许多倍。2.2.2 水箱模型的过程辨识由上文可知，水箱模型的传递函数如式2-2所示，在过程输入阶跃信号u时，其阶跃响应曲线如图2-8所示。

28、变化量的时间响应曲线呈现S型，而不是指数曲线。图2-8 分离式双容水箱液位控制过程阶跃响应曲线第三章 常规模糊控制器的设计模糊控制系统是一种自动控制系统，它以模糊数学、模糊语言形式的知识表示和模糊逻辑的规则推理为理论基础，采用计算机控制技术构成的一种具有反馈通道的闭环结构的数字控制系统。它的组成核心是具有智能性的模糊控制器，这也就是它与其它自动控制系统的不同之处。因此，模糊控制系统无疑也是一种智能控制系统。模糊控制是一种适合于工业生产过程和大系统的控制方法，特别是在非线性系统中，经典控制理论和现代控制理论的控制效果不是很理想。但采用模糊控制却能取的比较令人满意的效果。3.1模糊控制的基本思想模

29、糊控制的基本思想是用机器去模拟人对系统的控制。它是受这样事实而启发的：对于用传统控制理论无法进行分析和控制、复杂而无法建立数学模型的系统，有经验的操作者或专家却能取得比较好的控制效果。这是因为他们凭借日积月累的丰富经验。因此人们希望把这种经验指导下的行为过程总结成一些规则，并根据这些规则设计出控制器。由于人的经验一般是用自然语言来描述的，因此，基于经验的规则也只能是语言化的、模糊的。运用模糊理论、模糊语言变量和模糊逻辑推理的知识，就可以把这些模糊的语言规则上升为数值运算，从而能够利用计算机来完成对这些规则的具体实现，达到以机器代替人对某些对象进行自动控制的目的。其基本结构如图3-1所示。图3-

30、1 模糊控制系统基本结构图3.2 模糊控制的基本原理模糊控制系统结构图如图3-1所示。它的核心部分为模糊控制器。通常模糊控制器包括四个部分：模糊化接口、知识库、推理机和精确化(既反模糊化)。它们的作用说明如下： 1.模糊化接口：测量输入变量(设定输入)和受控系统的输出变量，并把它们映射到一个合适的响应论域的量程，然后，精确的输入数据被变成为适当的语言值或模糊集合的标识符，本部分可视为模糊集合的标记。 2.知识库：涉及应用领域和控制日标的相关知识，它由数据库和语言控制规则库组成，数据库为语言控制规则的论域离散化和隶属函数提供必要的定义，语言控制规则标记控制目标和领域专家的控制策略。 3.推理机：

31、是模期控制系统的核心，以模糊概念为基础，模糊控制信息可通过模糊蕴涵和模糊逻辑的推理规则来获取，并可实现拟人决策过程，根据模糊输入和模糊控制规则，模糊推理求解模糊关系方程，获得模糊输出。4.精确化：起到模糊控制的推断作用，并产生一个精确的或非模糊的控制作用，此精确控制作用必须进行逆定标(输出定标)，这个作用是在对受控过程进行控制之前通过量程变换来实现的。 在整个模糊控制系统中，其控制步骤为：计算机中断采样获取被控制量的精确值，然后将此量与给定值比较得到误差信号e。一般选取误差e作为模糊控制器得一个输入量。把误差信号e的精确量进行模糊化得到模糊量，误差的模糊量可用相应得模糊语言来表示。至此，得到了

32、误差e的模糊语言集合的一个子集E，再由E和模糊控制规则R(模糊关系)，根据推理的合成规则进行模糊决策，得到模糊控制量U为: U=E*R (3-1)式中U为一个模糊量。为了对被控对象施加精确的控制，还需将模糊量U转化为精确量，这一步在图3-1中称为非模糊化处理。得到了精确的数字控制量后，经数模转换为精确的模拟量送给执行机构，对被控对象进行控制。然后，不断中断对被控量进行采集和控制，就实现了对被控对象的模糊控制。 3.3 模糊控制器的设计步骤 对于基本模糊控制器的设计与构造，并没有固定的方法，但一般来说基本模糊逻辑控制器的设计过程可分为四个步骤：1.构造模糊控制器结构，根据采样得到的系统输出值，计

33、算所选择的系统的输入变量。该步骤所完成的工作就是确定模糊控制器的输入量和输出量。 2.“模糊化”，即实现输入量或输出量精确量的模糊化，通过量化因子和比例因子将精确量变化的范围(基本论域)模糊化成在模糊集论域范围内。我们可以把精确量用“正大”、“正中”、“负中”、“负大”等模糊语言来分成几个档。我们将这些档的大小关系用模糊论域上的模糊子集来表示。而模糊子集的大小和隶属函数有关。3.模糊控制表的运算合成，有了前两个步骤的工作，我们得到输入量和输出量的模糊数，结合操作经验或数据，我们就可以将输入量和控制量的模糊数安排到由一系列的“IF-THEN”控制规则组成的集合中，利用这些规则信息，采用极大极小值

34、合成法或其他合成算法，我们就可以合成得到控制表。该控制表储存于计算机中，供程序查询输出。4.查询输出和输出量精确化，计算机控制程序通过查询该控制表，即可以找到对应于某模糊数输入量的控制量模糊数，再通过输出量比例因子将模糊输出控制量转换成进行控制量的精确化输出，这实际上是在在输出范围内，找到一个被认为最具有代表性的、可直接驱动控制装置的确切的输出控制值。3.3.1模糊控制器结构 由于模糊控制器是模仿熟练操作人员的控制决策对工业过程进行控制，而操作工人一般是靠观测被控对象的输出和输出变化率或输出变量和输出变量的总和来设定控制量的大小的。因此，模糊控制器的结构设计就是确定哪些变量作为模糊控制器的输入

35、和输出，在单输入单输出系统中，受人类控制过程的启发。一般可以设计成一维或二维模糊控制器，在极少的情况下才会设计成三维模糊控制器。1.一维模糊控制器 这是一种最为简单的模糊控制器，输入量和输出量都只有一个。以模糊E为模糊控制器的输入，而以控制量u或控制量的变化u作为模糊控制器的输出。如图3-2所示：图3-2 模糊控制结构 这是最简单的一类模糊控制器，其控制规则也很简单，可用如下模糊条件语： ：if E is then U is (或者 is ) ：if E is then U is (或者 is )这里，和，均为输入输出论域上的模糊子集。这类模糊规则的模糊关系为:2.二维模糊控制器 这里的二维是

36、指模糊控制器的输入变量有两个，控制器的输出只有一个。这种控制器的模糊控制规则为: : if is and is then is : if is and is then is 这里，和，均为输入输出论域上的模糊子集。这类模糊控制规则的模糊关系为:由于模糊控制器的控制规则是根据工程人员的操作经验而制定的，一般人对误差最敏感，其次是误差的变化率。所以模糊控制器的输入变量也可以有两个，即误差E，误差的变化率EC，输出量一般选取控制量的变化。从理论上讲，模糊控制器的维数越高，控制越精细。但是维数过高，模糊控制规则变得过于复杂，控制算法的实现相当困难。在一般的模糊控制系统中，考虑到模糊控制器实现的简易性和

37、快速性，通常采用二维模糊控制器结构形式，这种控制器以误差和误差的变化率为输入量，以控制量的变化为输出变量。3.3.2模糊化3.3.2.1语言变量的选取根据人们的习惯，常将相比的同类事物分为“大”、“中”、“小”或“高”、“中”、“低”3个等级，故操作者对误差及其变化率以及控制量的变化，也常采用类似概念。考虑变量的正负性，一般在设计模糊控制器时，人们对于误差及其变化率以及控制量的变化等语言变量，常用“正大”(PB)、“正中”(PM)、“正小”(PS)、“零”(Z0)、“负小”(NS)、“负中”(NM)、和“负大”(NB)这7个语言变量来描述，选择较多的词汇描述输入、输出变量，可以使制定的控制规则

38、方便，但是控制规则相应变得复杂。选择词汇过少，使得描述变量变得粗糙，导致控制器的性能变坏。一般情况下，选择上述七个词汇，但也可以根据系统需要选择三个或五个语言变量。 描述输入、输出变量的词汇都具有模糊特性，可用模糊集合来表示。因此，模糊概念的确定性问题就直接转化为求取模糊集合隶属函数的问题。下文会有介绍。 3.3.2.2定义各模糊变量的模糊子集 定义一个模糊子集，实际上就是要确定模糊子集的隶属函数。隶属函数有时是以连续函数的形式出现，有时是以离散的量化等级形式出现。将确定的隶属函数曲线离散化，得到了有限个点上的隶属度，便构成了一个相应的模糊变量的模糊子集。常见的隶属函数有以下两种类型。 1.三

39、角形型 这种隶属函数的形状和分布由三个参数表示，一般可描述为:由于它的形状仅与直线的形状有关，因此适合于有隶属函数在线调整的自适应模糊控制。2.高斯型 它用两个参数来描述，一般可表述为： 这种函数的特点是连续且点点可求导，比较适合于自适应、自学习模糊控制的隶属函数。其中参数的大小直接影响隶属函数曲线的形状，而隶属函数曲线的形状不同会导致不同的控制特性。隶属函数曲线形状较尖的模糊子集其分辨率较高；相反，隶属函数曲线形状较缓，控制特性也较平缓，系统稳定性较好。因此，在选择模糊变量的模糊集的隶属函数时，在误差较大的区域采用低分辨率的模糊集，在误差较小的区域采用较高分辨率的模糊集，当误差接近于零时，选

40、用较高分辨率的模糊集。3.3.2.3精确量的模糊化 将精确量转换为模糊量的过程称为模糊化(fuzzification)，或称为模糊量化。计算机计算的控制变量均为精确量，须经过模糊量化处理，变为模糊量，以便实现模糊控制算法。模糊化一般采用如下两种方法：表3-1 模糊子集的隶属度-6-5-4-3-2-10123456PB00.30.71.0PM00.30.71.00.70.3PS00.30.71.00.70.3ZO00.30.71.00.70.3NS0.30.71.00.70.3NM0.30.71.00.70.3NB10.70.31.把精确量离散化。如把-6，+6之间连续变化的连续量分为七个档次每

41、一档对应一个模糊集，这样处理使模糊化过程简单。否则，将每一精确量对应一个模糊子集，使模糊化过程复杂化。如表3-1所示，在-6，+6区间变化的离散化了的精确量与表示模糊语言的模糊量建立了关系，这样就可以将-6，+6之间的任意的精确量用模糊量Y来表示。 如果精确量X的实际变化范围为a，b，将a，b区间的精确量转换为-6 ,+6区间变化的变量y，采用如下公式： 由式计算的y值若不是整数，可以把它四舍五入为整数。2.第二种方法是将在某区间的精确量X模糊化成这样的一个模糊子集，它在点X处隶属度为l，除X点外其余各点的隶属度均取0。3.3.3模糊控制表的运算合成 3.3.3.1模糊控制规则 模糊控制控制规

42、则的设计是设计模糊控制的关键，因此如可建立模糊控制规则是一个十分关键的问题。模糊控制规则的建立实际一般有以下两种方法。1.经验归纳法 所谓经验归纳法，就是根据人的控制经验和直觉推理，经整理、加工提炼后构成模糊规则系统的方法。模糊控制的控制规则是基于手动控制策略，而手动控制策略又是人们通过学习、试验以及长期经验积累而逐渐形成的，存储在操作者头脑中的一种技术知识集合。手动控制过程一般是通过对被控对象的一些观测，操作者再根据已有的经验和技术知识，进行综合分析并做出控制决策，调整加到被控对象的控制作用，从而使系统达到预期的目标。手动控制的作用同自动控制系统中的控制器的作用是基本相同的，所不同的是手动控

43、制决策是基于操作系统经验和技术知识，而控制器的控制决策是基于某种控制算法的数值运算。利用模糊集合理论和语言变量的概念，可以把利用语言归纳的手动控制策略上升为数值运算，于是可以采用微计算机完成这个任务以代替人的手动控制，实现模糊自动控制。模糊控制器控制规则的设计原则是：当误差较大时，控制量的变化应尽力使误差迅速减少；当误差较小时，除了要消除误差外，还要考虑系统的稳定性，防止系统产生不必要的超调，甚至振荡。2.推理合成法推理合成法是建立模糊规则的另一种较为常用的方法。其主要思想是根据己有的输入输出数据对，通过模糊推理合成求取被控系统的模糊控制规则。3.3.3.2模糊推理推理是根据已有的命题按照一定

44、的法则，去推断出一个新的命题的思维方式。形式逻辑对于人类社会的发展起了很大的作用，但对于模糊性问题，形式逻辑和数理逻辑都没有办法解决。解决推理性问题需要用模糊推理方法。模糊推理是以模糊条件为基础的，它是模糊决策的前提条件，更是模糊控制规则生成的根据。模糊推理在模糊控制和综合评判等方面极为重要。对于两输入输出的模糊控制器。设已经建立的模糊控制规则为:IF E is and EC is THEN U is ； :IF E is and EC is THEN U is ； :IF E is and EC is THEN U is ；设已知模糊控制器的输入量为：E是，和EC是，则根据模糊控制规则进行近

45、似推理，可以得出输出的模糊量U(用模糊集合表示)为： 其中包括了三种主要的模糊逻辑运算：and运算，合成运算“。”，蕴涵运算“_”。And运算通常采用求交(取小)或求积(代数积)的方法；合成运算“。”通常采用最大最小或最大积(代数积)的方法；蕴含运算通常采用求交(Rc) 或求积(Rp)的方法。 3.3.3.3清晰化 模糊推理得到的结果是模糊值，不能直接用于控制被控对象，需要先转化成一个执行机构可以执行的精确量，此过程称为清晰化过程，或称为模糊判决，它可以看作模糊空间到清晰空间的一种映射。目前常用的解模糊方法有三种：1.最大隶属度法 这种方法非常简单，直接选择模糊子集中隶属度最大的元素(或该模糊

46、子集隶属度最大处的真值)作为控制量。例如，已知控制量的模糊子集合为： 显然，隶属度最大的元素为1，因此选取1为输出控制量，如果有两个以上的元素均为最大，则可取它们的平均值。最大隶属度法能够突出主要信息，而且计算简单，但很多次要信息都被丢失了，显得比较粗糙。2.中位数法 论域u上把隶属函数曲线与横坐标围成的面积平分为两部分的元素z称为模糊集的中位数。中位数法就是把模糊集中位数作为系统控制量。当论域为有限离散点时，z可用下列公式求取：3.加权平均法 加权平均法是模糊控制系统中应用较为广泛的一种判决方法。 其计算公式如下：3.3.4论域、量化因子、比例因子的选择 1.论域及基本论域 把模糊控制器的输

47、入变量误差、误差变化的实际范围称为这些变量的基本论域。显然基本论域内的量为精确量。设定误差的基本论域为-Emax，Emax ，误差变化的基本论域为-ECmax，ECmax，被控对象实际所要求的控制量的变化范围为-Umax，Umax，称为模糊控制器输出变量的基本论域。控制量的基本论域内的量也是精确量。 设误差变量所取的模糊子集的论域为： 误差变化率所取的模糊子集的论域为： 控制量所取的模糊子集的论域为： 一般来说，论域的量化等级越细，控制精度越高。2量化因子和比例因子 当由计算机实现模糊控制算法进行模糊控制时，每次采样得到的被控制量须经计算机计算，便得到模糊控制器的输入变量(误差及误差变化率)，

48、为了进行模糊化处理，必须将输入变量从基本论域转换到相应的模糊集论域，这中间须将输入交量乘以相应的因子，从而引出量化因子的概念。量化因子一般用K表示，误差的量化因子Ke及误差变化的量化因子Kec分别由下面两个公式来确定，即:每次采样经模糊控制算法给出的控制量(精确量)，还不能直接控制对象，还必须将其转换到为控制对象所能接受的基本论域中去。输出量的比例因子由下式确定，即:由于控制量的基本论域为一连续的实数域，所以，从控制量的模糊集论域到基本论域的变换，可以利用上式计算，即:式中为控制量模糊集论域中的任一元素或为控制量的模糊集所判决得到的确切控制量,为控制量基本论域中的一个精确量，为比例因子。3.4

49、模糊液位控制器的设计 在此液位控制系统中，我们选择模糊控制器为二维模糊控制器，即双输入单输出的模糊控制器。其中输入为液位误差e和液位误差变化率ec，输出信号为控制阀的开度u，模糊液位控系统原理图如图3-3所示。图3-3 模糊串级液位控制系统原理图3.4.1精确量的模糊化 1.基本论域与模糊论域 设液位误差e，误差变化ec，控制阀的开度变化du的基本论域分别为-emax，emax、-ecmax，ecmax、-dumax，dumax基本论域里的量都是精确量。分别将液位误差e模糊化为E，误差变化率ec模糊化为EC，将控制阀的开度变化du模糊化为 DU，取E、EC、DU的模糊集合的论域均为：-6，-5

50、，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3， 4，5，6。2.量化因子和比例因子 为了对输入量进行模糊化处理，必须将输入变量从基本论域转化到对应的语言变量模糊集的论域，需要通过量化因子进行论域转换。误差和误差变化的量化因子分别为Ke，Kec,将误差量e乘Ke，误差变化率ec乘Kec。可以把误差和误差变化率从基本论域转化到模糊集的论域。设量化因子K的基本论域a，b和模糊集的论域c，d，则其对应关系为K=(d-c)(b-a)。故，。 在确定了量化因子Ke、Kec后，计算机采样得到的误差为基本论域的一个精确值，设为e(n)，对其量化，找到其论域内的元素与之对应。将基本论域上e(n)变换成模糊集的论域上

51、的E(n)。其量化如表3-2所示。经模糊控制规则计算后的得到的控制量，为控制量语言变量论域中的值，还不能直接去控制对象，必须将其转化为控制量基本论域中的值。选择控制量的比例因子。表3-2 E、EC、DU量化表量化等级-6-5-4-3-2-10123456变化范围-5.5-5.5,-4.5-4.5,-3.5-3.5,-2.5-2.5,-1.5-0.5,0.5-0.5,0.50.5,1.52.5,3.52.5,3.53.5,4.54.5,5.55.53.4.2定义模糊控制器的模糊集合及其隶属度函数表 对误差，误差变化率，控制量的变化，选取误差、误差变化率、控制量的变化的模糊集合为NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB。 图3-4 E、EC、DU隶属度函数图误差、误差变化率、控制量的变化的隶属度函数形状均采用三角形，经过试验调试，最终选取的隶属度函数图如图3-4。将图3-4根据E，EC，DU量化表3-2将误差、误差变化率、控制量的变化量，量化后的隶属度函数表如表3-3所示。3.4.3建立模糊液位