单容水箱液位模糊控制系统设计

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、iv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

10、控制系统的设计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4546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

11、来越高。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

12、的基础之上的,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

13、实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

14、地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

15、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，模仿人的思维方式，对难以建立精确数学模型的对象实施的一种控制。它是模糊数学同控制理论相结合的产物，同时也构成了智能控制的重要组成部分。模糊控制的突出特点在于：控

16、制系统的设计不要求知道被控对象的精确数学模型，只需要提供现场操作人员的经验知识及操作数据控制系统的鲁棒性强，适应于解决常规控制难以解决的非线性、时变及滞后系统。以语言变量代替常规的数学变量，易于构造形成专家的“知识”。控制推理采用不精确推理“（approximate reasoning）”，推理过程模仿人的思维过程，因为介入了人类的经验，因而能够处理复杂甚至“病态”系统模糊控制在理论上突飞猛进的同时，已越来越多地成功地应用于现实世界中。然而相比于传统的控制方法，应用于实时控制中的模糊控制到底有什么优势许多学者在研究证明采用启发式规则的模糊控制器性能优于常规控制器性能时是否进行了平等的比较，也即

17、是否用性能较好的模糊控制器与性能较差的 pi 控制器进行着比较，k.j.astrom 表达了上述观点。可以说每一种新的技术与方法在体现其优越性能的同时，也必定存在其局限性。应当承认，在对客观对象进行观察和认识时，模糊控制必竟不如人的认识全面深刻，因而若要达到真正仿人智能的效果，仍然需要其自身在工程应用中不断地朝着自适应、自组织、自学习方向发展。 本文应用模糊控制对单容水箱液位对象进行控制并仿真。1.3系统的控制算法种类 目前，针对过程控制所研究开发出来的控制算法很多，得到工程界认可的控制策略主要有以下几种：（1） 模糊控制算法。大量的事实证明，传统的 pid 控制算法对于绝大部分工业过程的被控

18、对象(高达 90%)可取得较好的控制效果。采用模糊控制算法往往可以进一步提高控制质量。（2） 预测控制。预测控制是直接从工业过程控制中产生的一类基于模型的新型计算机控制算法。因为它采用多步预测、滚动优化和反馈校正等控制策略因而控制效果好、鲁棒性强，适用于控制不易建立精确数学模型且比较复杂的工业生产过程。（3） 自适应控制。在过程工业中，不少的过程是时变的，如采用参数与结构固定不变的控制器，则控制系统的性能会不断恶化，这时就需要采用自适应控制系统来适应时变的过程。它是辨识与控制的结合。（4） 智能控制。随着科技的发展，对工业过程不仅要求控制的精确性，更加注重控制的鲁棒性、实时性、容错性以及控制参

19、数的自适应和自学习能力。另外，被控工业过程日益复杂，过程严重的非线性和不确定性，使许多系统无法用数学模型精确描述。没有精确的数学模型作前提，传统控制系统的性能将大打折扣。而智能控制器的设计却不依赖过程的数学模型，因而对于复杂的工业过程往往可以取得很好的控制效果。本节主要针对 pid 和模糊（智能）控制算法进行研究，最后给出本文将要实现的控制算法。1.4 本论文的主要内容本论文研究的以单容水箱液位为研究对象，建立数学模型，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。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

20、的输出用来控制阀门的开度，调节水箱的液位。最后对pid控制和模糊控制进行比较。第二章 单容水箱液位系统组成及数学建模2.1 单容水箱的组成 水箱液位控制系统是进行控制理论与控制工程相互结合的理想平台,可以方便地构成一阶系统对象和二阶系统对象以及多阶系统对象。单容水箱系统的结构如图2-1所示.它由水箱,液位传感器,出水阀门和入水阀门组成.被控对象是装有入水阀门和出水阀门的单个水箱,被控量是液位.单容水箱液位控制系统能够模拟实际生产中的罐状容器(蓄液池或贮液缸等),完成一些典型的液位控制。本论文研究单容水箱液位系统，改变调节阀（fv101）的开度，水箱液位会作相应变化。系统原理见图2-1。水流入量

21、qi由调节阀 u控制，流出量q0则由用户通过闸板开度来改变。被调量为水位h0分析水位在调节阀开度扰动下的动态特性：图2-1 单容水箱液位原理图2.2 单容水箱液位的数学建模此容器的流出阀为手动阀门，流量只与容器1的液位h有关。水槽的平衡方程为 q- q=a (2-1)此时出口物料流量q可以写成 q= （2-2） 将（2-2）带入（2-1）可得 ar+ h =rq (2-3)将（2-3）进行拉式变换后，可得传递函数 (2-4)令ar=t，r=k，h=y，q=x，可得单容液位对象的数学模型，即传递函数为 (2-5)实际上，水槽底面积越大，对液体的容量也越大，相同流量的改变造成的液位变化也越小。上述

22、流程中由于只有一个水槽，且输出参数为液位，所以称为单容液位对象。在该液位控制系统中，建模参数如下：控制量：水流量q；被控量：水箱液位；控制对象特性：水箱尺寸为：s=0.0025m2,h=10cm;流量q1=0.0083m3/s,q2=0.02m3/s, r=2s/m2 。 (2-6) (2-7) ar=t,r=k (2-8) (2-9) (2-10)第3章 控制系统的设计3.1 pid控制算法和模拟pid调节 按偏差的比例、积分和微分进行控制的调节器简称为 pid 调节器，它是连续系统中技术成熟、应用最为广泛的一种调节器。pid 调节器结构简单，参数易于调整，在长期应用中己积累了丰富的经验，被

23、广泛应用于工业过程控制，至今仍有 90%左右的控制回路具有 pid 结构。控制器的基本控制规律有比例（proportional 或 p）、积分（integral 或 i）和微分（differential 或 d）几种，工业上所用的控制规律是这些基本规律之间的不同组合。pid 控制产生并发展于 1915-1940 年期间，尽管自 1940 年以来，许多先进控制方法不断推出，但pid 控制器以其结构简单，对模型误差具有鲁棒性及易于操作等优点，迄今仍被广泛应用于工业过程控制。如图 3-1 所示，常规 pid 控制系统主要由 pid 控制器和被控对象组成。pid控制器是一种线性控制器，它根据给定值 r

24、(t)与输出值 y（t）构成的控制偏差，将偏差按比例、积分和微分通过线性组合构成控制量，对被控对象进行控制，故称为 pid 控制器。 （3-1）对应的模拟 pid 调节器的传递函数为： （3-2）其中，e（t）r（t）-y（t），kp 为比例系数，ti 为积分时间常数，td 为微分时间常数。图3-1 模拟pid控制系统从式（3-1）看到，pid 控制器的控制输出由比例、积分、微分三部分组成。（1）比例部分 kpe（t）在比例部分比例系数 kp 的作用在于加快系统的响应速度，提高系统调节精度。加大 kp值，可以提高系统的开环增益，加快系统的响应速度，减小系统稳态误差，从而提高系统的控制精度，但会

25、降低系统的相对稳定性，甚至可能造成闭环系统不稳定，使系统动、静态特性变坏。（2）积分部分从积分部分的数学表达式可以知道，只要存在偏差，则它的控制作用就会不断积累。由于积分作用，当输入 e（t）消失后，输出信号的积分部分有可能是一个不为零的常数。可见，积分部分的作用可以消除系统的偏差。在串联校正时，采用 i 控制器可以提高系统的型别，以消除或减小系统的稳态误差，改善系统的稳态性能。但积分控制使系统增加了一个位于原点的开环极点，使信号产生 的相角滞后，于系统的稳定性不利。因此，在控制系统的校正设计中，通常不宜采用单一的 i 控制器。（3）微分部分微分部分的作用在于改善系统的动态特性。pid 控制器

26、的微分环节能反应输入信号的变化趋势，产生有效的早期修正信号，以增加系统的阻尼程度，从而改善系统的稳定性。因为微分部分作用只对动态过程起作用，而对稳态过程没有影响，且对系统噪声非常敏感，所以单一的 d 控制器在任何情况下都不宜与被控对象串联起来单独使用。通常，微分控制规律总是与比例控制规律或比例-积分控制规律结合起来，构成组合的 pd 或 pid 控制器，应用于实际的控制系统。3.2 pid控制规律在工程实际中，应用最为广泛的调节器控制规律为比例、积分、微分控制，简称 pid 控制，又称 pid 调节。pid 控制器问世至今已有近 70 年历史，它以其结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为

27、工业控制的主要技术之一。当被控对象的结构和参数不能完全掌握，或得不到精确的数学模型时，控制理论的其它技术难以采用时，系统控制器的结构和参数必须依靠经验和现场调试来确定，这时应用 pid 控制技术最为方便。即当我们不完全了解一个系统和被控对象，或不能通过有效的测量手段来获得系统参数时，最适合用 pid 控制技术。pid 控制，实际中也有 pi 和 pd 控制。pid 控制器就是根据系统的误差，利用比例、积分、微分计算出控制量进行控制的。比例（p）控制 比例控制是一种最简单的控制方式。其控制器的输出与输入误差信号成比例关系。当仅有比例控制时系统输出存在稳态误差（steady-state error

28、）。积分（i）控制在积分控制中，控制器的输出与输入误差信号的积分成正比关系。对一个自动控制系统，如果在进入稳态后存在稳态误差，则称这个控制系统是有稳态误差的或简称有差系统（system with steady-stateerror）。为了消除稳态误差，在控制器中必须引入“积分项”。积分项对误差取决于时间的积分，随着时间的增加，积分项会增大。这样，即便误差很小，积分项也会随着时间的增加而加大，它推动控制器的输出增大使稳态误差进一步减小，直到等于零。因此，比例+积分(pi)控制器，可以使系统在进入稳态后无稳态误差。微分（d）控制在微分控制中，控制器的输出与输入误差信号的微分（即误差的变化率）成正比

29、关系。自动控制系统在克服误差的调节过程中可能会出现振荡甚至失稳。其原因是由于存在有较大惯性组件（环节）或有滞后(delay)组件，具有抑制误差的作用，其变化总是落后于误差的变化。解决的办法是使抑制误差的作用的变化“超前”，即在误差接近零时，抑制误差的作用就应该是零。这就是说，在控制器中仅引入“比例”项往往是不够的，比例项的作用仅是放大误差的幅值，而目前需要增加的是“微分项”，它能预测误差变化的趋势，这样，具有比例+微分的控制器，就能够提前使抑制误差的控制作用等于零，甚至为负值，从而避免了被控量的严重超调。所以对有较大惯性或滞后的被控对象，比例+微分(pd)控制器能改善系统在调节过程中的动态特性

30、。1. 比例调节依据偏差的大小来动作,它的输出与输入偏差的大小成比例。比例调节及时,有力,但有余差。它用比例度来表示其作用的强弱,比例度越小,调节作用越强,相反,比例度越大,调节作用就越弱;比例作用太强时,会引起震荡。 2.积分调节依据偏差是否存在来动作,它的输出与偏差对时间的积分成比例,只有当余差消失时,积分作用才会停止,其作用是消除余差.但积分作用使最大动偏差增大,延长了调节时间。它用积分时间 t 来表示其作用的强弱,t 越小,积分作用越强,但积分作用太强时,也会引起震荡。3. 微分调节依据偏差变化的速度来动作。它的输出与输入偏差变化的速度成比例,其效果是阻止被调参数的一切变化,有超前调节

31、的作用,对滞后大的对象(温度)有很好的效果。它使调节过程偏差减小,时间缩短,余差也减小(但不能消除) 。它用微分时间 td来表示其作用的强弱,td 大,作用强,但 td 太大,也会引起振荡。3.2.1数字pid控制算法（1）pid 是一个闭环控制算法。因此要实现 pid 算法，必须在硬件上具有闭环控制，就是得有反馈。比如控制一个电机的转速，就得有一个测量转速的传感器，并将结果反馈到控制路线上。（2）pid 是比例(p)、积分(i)、微分(d)控制算法。但并不是必须同时具备这三种算法，也可以是 pd,pi,甚至只有 p 算法控制。我以前对于闭环控制的一个最朴素的想法就只有 p 控制，将当前结果反

32、馈回来，再与目标相减，为正的话，就减速，为负的话就加速。现在知道这只是最简单的闭环控制算法。3.2.2控制器的p，i，d项选择下面将常用的各种控制规律的控制特点简单归纳一下：（1）比例控制规律 p：采用 p 控制规律能较快地克服扰动的影响，它的作用于输出值较快，但不能很好稳定在一个理想的数值，不良的结果是虽较能有效的克服扰动的影响，但有余差出现。它适用于控制通道滞后较小、负荷变化不大、控制要求不高、被控参数允许在一定范围内有余差的场合。如：金彪公用工程部下设的水泵房冷、热水池水位控制；油泵房中间油罐油位控制等。（2）比例积分控制规律(pi)：在工程中比例积分控制规律是应用最广泛的一种控制规律。

33、积分能在比例的基础上消除余差，它适用于控制通道滞后较小、负荷变化不大、被控参数不允许有余差的场合。如：在主线窑头重油换向室中 f1401到 f1419 号枪的重油流量控制系统；油泵房供油管流量控制系统；退火窑各区温度调节系统等。（3）比例微分控制规律(pd)：微分具有超前作用，对于具有容量滞后的控制通道，引入微分参与控制，在微分项设置得当的情况下，对于提高系统的动态性能指标，有着显著效果。因此，对于控制通道的时间常数或容量滞后较大的场合，为了提高系统的稳定性，减小动态偏差等可选用比例微分控制规律。如：加热型温度控制、成分控制。需要说明一点，对于那些纯滞后较大的区域里，微分项是无能为力，而在测量

34、信号有噪声或周期性振动的系统，则也不宜采用微分控制。如：大窑玻璃液位的控制。（4）例积分微分控制规律(pid)：pid 控制规律是一种较理想的控制规律，它在比例的基础上引入积分，可以消除余差，再加入微分作用，又能提高系统的稳定性。它适用于控制通道时间常数或容量滞后较大、控制要求较高的场合。如温度控制、成分控制等。3.3模糊控制理论的起源与发展模糊控制理论是在美国加利福尼亚大学的扎德(l. a. zadeh)教授1965年创立的模糊集合理论的数学基础上发展起来的，主要包括模糊集合理论、模糊逻辑、模糊推理和模糊控制等方面的内容。扎德( l. a. zadeh)教授在1965年发表了著名的模糊集合论

35、(fuzzysets)论文，文中首次提出表达事物模糊性的重要概念:隶属函数，从而突破了19世纪末笛卡尔的经典集合理论，奠定模糊理论的基础。1966年马厄诺斯(p. n. marinos)发表了模糊逻辑的内部研究报告。接着，扎德又提出模糊语言变量这一重要概念。1974年，扎德又进行了模糊逻辑推理的研究，同时，英国queenmary大学的马丹尼(e. h. mamdani )首先用模糊控制语句组成模糊控制器，并把它成功地运用与锅炉和蒸汽机的控制，实用效果良好。这一开拓性的工作，标志着模糊控制理论和技术的诞生。二十多年来，模糊控制不论从理论和技术上都得到了长足的发展，成为自动控制领域中一个非常活跃而

36、又硕果累累的分支。 在模糊控制诞生后的最初几年里，这一新的控制思想吸引了各国学者，他们纷纷在各种应用领域尝试着这一新的控制方法并取得了令人振奋的成果。英国的king和mamdani利用模糊控制器控制反应炉搅拌池的温度，荷兰学者kickert等利用模糊控制器解决了热交换过程中非线性、时滞和非对称性增益等问题的控制，收到了最佳pi控制的效果。 1979年，英国的t. j. procyk和e. h. mamdani研究t一种自组织模糊控制器，它能在控制过程中不断地调整和修改控制规则，因而使控制系统的性能不断完善。自组织模糊控制器的出现，标志着模糊控制器由低级向高级阶段发展的开始。利用人工智能技术和方

37、法，研究具有自学习自适应能力的模糊控制器，进一步提高了它的智能水平，一直是人们努力的一个方向。自适应模糊控制器，专家模糊控制器，神经网络模糊控制器等等都是人们在这一方向上不断探索的研究成果。1985年在at&t贝尔实验室工作的渡边等，首先开发出实现模糊推理功能的vlsi芯片。从而促进了用硬件实现的模糊控制器的发展，给模糊控制带来了新的生气。在国内，1980年我国学者汪培庄、楼世博给出了模糊控制的数学定义，并提出了可响应问题。李宝缓等人用连续数学仿真方法，研究了典型模糊控制的性能。清华大学的郑维敏教授等利用模糊集合理论分析了模糊控制的鲁棒性等。近年来，国内外学者在研究自校正、自学习的模糊控制器、

38、分层分缀的模糊控制方面，以及专家系统与模糊集合等向题上都取得了一定的进展。此后，尤照升、陈国权、宋大鹤等人在模糊控制理论和控制算法方面做了大量的研究工作，在模糊控制理论上取得了可喜的成果，为模糊控制技术在工业控制领域的应用打下了理论基础。这之后，彭映斌、胡家跃、戴忠达、吕川、田成方、王学慧、王旭东、李友善等人把模糊控制领域应用到冶金、化工等工业过程的控制领域(主要用在烧结过程和钢厂燃油退火炉的温度控制、水泥回转窑生产过程控制方面)，并取得了可喜的成果.尽管模糊控制己经取得了令人振奋的研究成果，但由于它的发展历史还不长，因此其理论上的系统性和完善性，其技术上的成熟性和规范性还都是不够的;另一方面

39、，模糊控制虽有其独特的优点，但并不能取代传统的控制方法，而是作为后者的补充和改进。例如，有人己尝试把两者结合起来，构成了一种新型的调节器如模糊一pi调节器、自适应、自学习模糊调节器等，有待人们进一步地研究探索。模糊控制的诞生是和社会科学技术的发展和需要分不开的。随着科学技术的迅速发展，各个领域对自动控制系统控制精度、响应速度、系统稳定性与适应能力的要求越来越高，所研究的系统也日益复杂多变。然而由于一系列原因，诸如被控对象或过程的非线性、时变性、多参数间的强烈藕合、较大的随机干扰、过程机理错综复杂、各种不确定性以及现场测量手段不完善等，难以建立被控对象的数学模型。虽然常规自适应控制技术可以解决一

40、些问题，但范围是有限的。对于那些难以建立数学模型的复杂被控对象，采用传统控制方法，包括基于现代控制理论的控制方法，往往不如一个有实践经验的操作人员所进行的手动控制效果好。因为人脑的重要特点之一就是有能力对模糊事物进行识别和判决，看起来似乎不确切的模糊手段常常可以达到精确的目的。模糊控制的基木思想就是利用计算机来实现人的控制经验，而人的控制经验一般是由语言来表达的，这些语言表达的控制规则又带有相当的模糊性。如人工控制加热炉的温度的经验可以表达为:若温度很低时，则开大阀；若温度和要求温度相差不大时，则把阀关小；若温度接近要求温度是，则把阀门关得很小；这些经验规则中，“低”、“不太大”、“接近”、“

41、开大”、“关小”、“关得很小”这些表示温度状态和控制阀门动作的概念都带有模糊性，这些规则的形式正是模糊条件语句的形式，可以用模糊数学的方法来描述过程变量和控制作用的这些模糊概念及它们之间的关系，又可以根据这种模糊关系及某时刻过程变量的检测值(需化成模糊if)用模糊逻辑推理的方法得出此刻的控制量。这正是模糊控制的基本思路。由于模糊控制器的模型不是由数学公式表达的数学模型，而是由一组模糊条件语句构成的语言形式，因此从这个角度上讲，模糊控制器又称模糊语言控制器。模糊控制器的模型是由带有模糊性的有关控制人员和专家的控制经验和知识组成的知识模型，是基于知识的控制，因此模糊控制属于智能控制的范畴。因此可以

42、说，模糊控制是以人的控制经验作为控制的知识模型，以模糊集合、模糊语言变量以及模糊逻辑推理作为控制算法的数学工具，用计算机来实现的一种智能控制。3.4 模糊控制系统3.4.1 模糊控制系统的组成模糊控制系统的基本原理可由图3-2表示: 图3-2模糊控制系统的基本原理框图(1) 模糊控制器:模糊控制器是模糊控制系统的核心，也是模糊控制系统区别其它自动控制系统的主要标志。模糊控制器一般由计算机实现，用计算机程序和硬件实现模糊控制算法，根据控制系统的需要，可以是单片机，工业控制机等各种类型的计算机，程序设计可以用c语言或vc,vb等其它各种高级语言。(2) 输入/输出接口:输入/输出接口是实现模糊控制

43、算法的计算机与控制统连接的桥梁。模糊控制器通过输入/输出接口从被控对象获取数字信号量并将模糊控制器决策的输出数字信号经过数模变换，将其转变为拟信号，送给执行机构去控制被控对象。(3) 执行机构:执行机构是模糊控制器向被控对象赖以施加控制作用的 装置，如工业过程控制中应用最普遍最典型的各种调节阀和变频器。执行机构实现的控制作用常常表现为使角度、位置或电压等发生变农，因此，它往往是由伺服电动机、步进电动机、气动调节阀、液压阀等加上驱动装置组成。(4) 检测装置:检测装置一般包括传感器和变送装置电量如温度、流量、压力、液位、转速、角度、浓度、成分等。它们检测各种非成分等并变换放大为标准的电信号，包括

44、模拟的或数字的等形式。(5) 被控对象:被控对象是一种设备或装置或定若二个装置或设备组成的群体，它们在一定的约束下工作以实现人们的某种目的。工业上典型的被控对象是各种各样的生产设备实现的生产过程，从数学模型的角度讲，它们可能矗单变量或多变量的，可能是线性的或是非线性的，可能是定常的或时变的，可能是一阶的或高阶的，可能是确定性的或是随机过程，当然也可能是混合有多种特性的过程。对于难以建立精确数学模型的复杂对象，对于非线性和时变对象，模糊控制策略是较为适宜采用的一种方案。其中的核心部分为模糊控制器，由于模糊控制器的控制规则是根据操作人员的控制经验取得的，所以它的作用就是模仿人工控制。模糊控制器的控

45、制规律由计算机的程序实现。其功能的实现是要先把计算机观测控制过程得到的精确量转化为模糊输入信息，按照总结人的控制经验及策略取得的语言控制规则进行模糊推理和模糊决策再经去模糊化处理得到输出控制的精确量，求得输出控制量的模糊集作用于被控对象。因此控制器的结构通常是由它的输入和输出变量的模糊化、模糊推理算法、模糊合成和模糊判决等部分组成。3.4.2 模糊控制器的组成模糊控制器一般包括 5 部分：1.模糊化接口：将真实的确定量通过隶属函数转换成模糊量。2.数据库：用于存放输入和输出变量全部模糊子集的隶属函数。3.模糊规则集：以 if-then 控制规则形式给出的信息，根据模糊规则形式，模糊控制器主要可

46、分为 mamdani 和 takagi- sugeno(ts)两类。4.模糊推理机构：基于模糊规则，采用模糊逻辑操作和推理方法而获得模糊输出。5.解模糊接口：用于将模糊输出转换成系统的数值输出。根据输入和输出变量的数目，可将模糊控制系统划分为单变量和多变量模糊控制系统。绝大多数模糊系统都是复杂的非线性系统，其输入和输出之间的非线性是由模糊控制器的上述各个组成部分引起的。常规模糊控制器如下图所示。图3-3 模糊控制器模糊控制器的设计问题就是模糊化过程、知识库(含数据库和规则库)、模糊推理和反模糊化计算四部分的设计问题。下面分析一下四大部件的设计。1.模糊化过程在确定了模糊控制器的结构之后，就需要

47、对输入量进行采样、量化并模糊化。将精确量转化为模糊量的过程称为模糊化，以便实现模糊控制算法。模糊化过程主要完成:测量输入变量的值，并将数字表示形式的输入量转化为通常用语言值表示的某一限定码的序数。每一个限定码表示论域内的一个模糊子集，并由其隶属度函数来定义。对于某一个输攻值，它必定与某一个特定模糊子集的隶属程度相对应。图3-4给出了三种模糊化函数。 a b c图3-4模糊化函数图a给出了输入变虽x。在给定模糊子集a中具有最大隶属程度，也即表示当前输入属于语言值a的程度最高。对于图b只有在点x。处的隶属度为1，其他输入值对应的隶属度函数值都为0，而图c所表示的隶属度函数曲线是钟形曲线，它是连续函

48、数。除以上三种隶属度函数以外，其他类型的隶属度函数曲线只要符合一定的条件也是可以的。己有经验表明，通常选择三角型和梯形函数的隶属度函数在实际应用中带来很多方便。一旦模糊集设计完成，则对于任一的物理输入x，映射的过程实际上是将当前的物理输入根据模糊子集的分布情况确定出此时此刻输入值对这些模糊子集的隶属程度。因此，为了保证在所有论域内的输入量都能与某一模糊子集相对应，模糊子集的数目和范围遍及整个论域。这样，对于每一个物理输入量至少有一个模糊子集的隶属程度大于零。2.知识库知识库包括数据库和规则库，数据库提供必要的定义，包含了语言控制规则论域的离散化、量化和正则化以及输入空间的分区，隶属度函数的定义

49、等。规则库根据控制目的和控制策略给出了一套由语一言变量描述的并由专家或自学习产生的控制规则的集合，在建立控制规则时，首先要解决诸如状态变量的选择、控制变量的选择、规则类型的选择和规则数目的确定等事项。（1）数据库模糊逻辑控制中的数据库上要包括:量化等级的选择、量化方式、比例因子和模糊子集的隶属度函数。这些概念都是建立在经验和工程判断的基础上的，其定义有一定的主观性。（2）规则库模糊控制系统是用一系列基于专家知识的语言来描述的，专家知识常采用“ifthen”的规则形式，而这样的规则很容易通过模糊条件语句描述的模糊逻辑推理来实现。用一系列模糊条件描述的模糊控制规则就构成模糊控制规则库。与模糊控制规

50、则库相关的主要有:过程状态输入变量和控制输出变量的选择、模糊控制规则的建立和模糊控制规则的完整性、兼容性、干扰性等。3.模糊推理模糊决策推理是模糊控制的核心，它利用知识库的信息模拟人类的推理决策过程，给出了适合的控制量。模糊推理是以模糊判断为前提的，运用模糊语言规则，推出新的模糊判断结论的方法。目前模糊逻辑推理方法还在发展之中，比较典型的有扎德(l. a. zadeh)方法、玛达尼(mamdani)方法、鲍德温cbaldwin)方法、耶格(yager)方法、楚卡莫托(tsukamoto)方法。从条件变量的多少、模糊规则多少的角度来划分，模糊规则推理方法又可分为近似推理、模糊条件推理、多输入模糊

51、推理、多输入多规则推理等四种模糊推理规则。这四种推理规则都可以选用不同的推理方法(如扎德法、玛达尼法、鲍德温法等)，但通常最简单、最方便的推理法还是玛达尼的极大极小推理法。 4.反模糊化过程 通过模糊推理得到的结果是一个模糊集合。但在实际使用中，特别是在模糊控制中，必须要有一个确定的值才能去控制或驱动执行机构。在推理得到的模糊集合中取一个能最佳代表这个模糊推理结果可能性的精确值的过程就称为精确化过程(又称反模糊化)。常用的反模糊化的计算方法有以下三种:（1）最大隶属度函数法这种方法是取模糊子集中隶属度最大的元素作为执行量若对应的模糊子集为u,则决策应满足，这个判别方法简单易行，实时性也好，但它

52、概括的信息量少，因为这种方法完全不考虑其它隶属度较小的元素的影响和作用。如果最大点有多个，它们是则取它们的平均值作为执行量。(2)垂心法重心法是取模糊隶属度函数曲线与横坐标围成面积的重心为模糊推理最终输出值即但实际上我们是通过计算输出范围内整个采样点(即若干离散值)的重心。这样在不花太多时间的情况下，用足够小的取样间隔来提供所需要的精度，这是一种最好的折衷方案。即与最大隶属度法相比较，重心法具有更平滑的输出推理控制。即对应与输入信号的微小变化其推理的最终输出一般也会发生一定的变化种变化，且这种变化明显比最大隶属度函数法要平滑。(3)加权平均法加权平均法的最终输出值是由下式决定的 这里的系数的选

53、择要根据实际情况而定。不同的系数就决定系统有不同的响应特性。当该系数选择时，即区其隶属函数时，这就是重心法。在模糊逻辑控制中，可以通过选择和调整该系数来改善系统的响应特性。这种方法具有灵活性。反模糊化的计算方法还有很多,如左取大、右取大、取大平均等。总的来说,反模糊化计算方法的选择与隶属度函数的形状选择、推理方法的选择都是相关的。第4章 单容水箱液位模糊控制系统的设计4.1 输入、输出变量的论域和模糊化模糊控制器的输入变量误差、误差变化的实际范围称为这些变量的基本论域，设误差的基本论域为-emax + emax 误差变化的基本论域为-ecmax + ecmax 。被控对象实际要求的变化范围为模

54、糊控制器输出变量(控制量)的基本论域，设其为-yu +yu，显然基本论域内的量为精确量。误差变量所取的模糊子集的论域为:-n, -n+1, 0, n-1, n 误差变化变量所取的模糊子集的论域为:-m, -m+1, 0, m-1, m 控制量所取的模糊子集的论域为:-1,-l+l,0,1-1, 1 有关论域的选择问题，一般选择误差论域的n 大于等于6，误差变化的论域m大于等于6，控制量的论域l 大于等于7。因为这样能满足模糊集论域中所含元素个数为模糊语言词集总数的两倍以上，确保模糊集能较好的覆盖论域，避免出现失控现象。值得指出，增加论域中的元素个数，即把等级细分，可以提高控制精度，但是受到计算机字长的限制，另外也要增大计算量。关于基本论域的选择，由于事先对被控对象缺乏先验知识，所以误差及误差变化的基本论域只能做初步的选择，待系统调整时再进一步确定。被控对象的基本论域根据被控对象提供的数据选定。 对于单容水箱液位模糊控制系统，我们采用常见的二维模糊控制