模糊设计报告.docx
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模糊设计报告
课程设计报告
课程名称模糊控制技术课程设计
设计题目水塔水位模糊控制系统及MATLAB仿真
专业班级
姓名
学号0804421105
指导教师
起止时间2012.01.09~2012.01.13
电气与信息学院
课程设计考核和成绩评定办法
1．课程设计的考核由指导教师根据设计表现、设计报告、设计成果、答辩等几个方面，给出各项权重，综合评定。
该设计考核教研室主任审核，主管院长审批备案。
2．成绩评定采用五级分制，即优、良、中、及格、不及格。
3．参加本次设计时间不足三分之二或旷课四天以上者，不得参加本次考核，按不及格处理。
4．课程设计结束一周内，指导教师提交成绩和设计总结。
5．设计过程考核和成绩在教师手册中有记载。
课程设计报告内容
课程设计报告内容、格式各专业根据专业不同统一规范，经教研室主任审核、主管院长审批备案。
注：
1．课程设计任务书和指导书在课程设计前发给学生，设计任务书放置在设计报告封面后和正文目录前。
2．为了节省纸张，保护环境，便于保管实习报告，统一采用A4纸打印（正文采用宋体五号字）或手写。
11/12学年第一学期
模糊控制技术课程设计任务书
指导教师：
班级：
班地点：
一教
课程设计题目（范围）：
水塔水位模糊控制系统及MATLAB仿真
一、课程设计目的
课程设计的目的是培养学生综合运用模糊控制技术所学的基本理论、基本知识，分析与解决实际问题的能力。
通过课程设计，使学生基本具备检索中外文献的能力；独立思考，对方案进行论证、分析与比较的能力；初步掌握模糊控制系统的设计原则、设计方法、设计的主要内容及相关程序的编写的能力；使用计算机的能力、计算与绘图的能力；撰写设计说明书，表述研究结果及答辩的能力。
二、课程设计内容（包括技术指标）
1、控制系统的总体方案设计，画出整个系统的原理框图。
2、系统硬件电路的设计：
包括传感器的选择，控制电路的设计，键盘与显示电路的设计，报警电路的设计，A/D转换电路的设计，存储器、定时器等接口电路的设计等。
3、模糊控制推理过程阐述。
4、利用GUI建立FIS，得到输出曲面。
三、时间安排
序号
起止日期
设计阶段内容名称
1
第1天
查阅资料
2
第2天
模糊控制系统总体结构的确定
3
第3天
硬件电路的设计
4
第4天
软件部分的设计及Matlab仿真
5
第5天
答辩
四、基本要求
1、针对设计题目，综合所学知识进行调研、文献查询等，独立完成设计工作；
2、撰写设计论文一份，要求A4幅面，正文采用5号宋体，字数不少于五千。
设计说明书要条理清晰、内容充实，内容包括以下几部分：
①摘要；②目录；③各章节内容；④结论；⑤参考文献。
3、图纸采用计算机绘图，要求图形、符号、线条等符合国家标准；
五、领导审批
教研室审核
主任签字：
年月日
教学院（系）审批
院长签字：
年月日
摘要
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，在水塔水位自动控制系统中，模糊控制就成为较好的选择。
本文主要论述了应用模糊控制理论控制水塔水位系统，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塔水位进行控制的方案，建立了简单的基于水塔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。
关键词
水位控制模糊控制MATLAB
Abstract
Inrecentyears,fuzzycontrolincontrolapplicationshaveachievedsuccess,fuzzycontrolisappliedtothedesignofthecontrolsystemdoesnotneedtoknowtheprecisemathematicalmodelofthecontrolledplant,formanyunabletoestablishtheprecisemathematicalmodelofthecomplexsystemcangetbettercontroleffect,butalsocansimplifysystemdesign,therefore,intheWaterTowerwaterlevelautomaticcontrolsystem,fuzzycontrolhasbecomeabetterchoice.ThispapermainlydiscussestheapplicationoffuzzycontroltheorytocontrolthewaterlevelofWaterTowersystem,firstintroducedindetailthefuzzycontroltheoryofknowledge,onthebasisoffuzzytheoryonwaterlevelofWaterTowercontrolscheme,asimplefuzzycontrollerbasedonthemathematicalmodelofwaterlevelofWaterTower.
ThetestsystemalsomakesfulluseoftheMATLABfuzzylogictoolboxfunction,firstintheFuzzyLogicToolboxFuzzyInferenceSystemFISispassedasaparametertoafuzzycontrolsimulationmodule,andthencombinedwiththegraphicalsimulationandmodelingtools,throughthecomputersimulationtosimulateactualsystemoperation.
Keywords：
WaterlevelcontrolFuzzycontrolMATLAB
1引言
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制理论在其应用中就有了理论和现实意义
水塔供水的主要问题是塔内水位应始终保持在一定范围，避免“空塔”、“溢塔”现象发生。
目前，控制水塔水位方法较多，其中较为常用的是由单片机控制实现自动运行，使水塔内水位保持恒定，以保证连续正常地供水。
实际供水过程中要确保水位在允许的范围内浮动，应采用电压控制水位。
首先通过实时检测电压，测量水位变化，从而控制电动机，保证水位正常。
2系统总体方案选择
2.1总体设计方案
水位控制在日常生活及工业领域中应用相当广泛，比如水塔、地下水、水电站等情况下的水位控制。
自动检测水位的检测系统能根据水位变化的情况自动调节。
本次课题采用单片机进行主控制，利用水的导电性测量水位的变化，把测量到的水位变化转换成相应的电信号，用单片机对接收到的信号进行数据处理，并通过模糊进行完成水位的检测、控制及故障报警等功能。
设计一种基于单片机水塔水位检测控制系统。
首先通过实时检测电压，测量水位变化，从而控制电动机，保证水位正常。
因此，这里给出以AT89C5l单片机为核心器件的水塔水位检测控制系统仿真设计，实现水位的检测控制、水质监测等功能，并在MATLAB软件环境下实际仿真。
2.2水塔水位控制的原理
水塔水位控制原理如图2-1所示，图中的虚线表示允许水位变化的上、下限位置。
在正常情况下，水位应控制在虚线范围之内。
为此，在水塔内的不同高度处，安装固定不变的3根金属棒A、B、C，用以反映水位变化的情况。
其中，A棒在下限水位，B棒在上、下限水位之间，C棒在上限水位（底端靠近水池底部，不能过低，要保证有足够大的流水量）。
水塔由电机带动水泵供水，单片机控制电机转动，随着供水，水位不断上升，当水位上升到上限水位时，由于水的导电作用，使B、C棒均与+5V连通。
因此b、c两端的电压都为+5V即为“1”状态．此时应停止电机和水泵工作，不再向水塔注水；当水位处于上、下限之间时，B棒和A棒导通，而C棒不能与A棒导通，b端为“1”状态，c端为“0”状态。
此时电机带动水泵给水塔注水，使水位上升，还是电机不工作，水位不断下降，都应继续维持原有工作状态；当水位处于下限位置以下时，B、C棒均不能与A棒导通，b、c均为“0”状态，此时应启动电机转动，带动水泵给水塔注水。
图2-1水塔控制原理图
2.3系统组成
本次课程设计水塔水位模糊控制系统，以单片机为核心，采用模糊控制，实现对水位的控制。
水位检测电路主要由A/D转换器组成。
通过A/D转换为数字量作用于单片机，从而控制水位。
本次设计采用ADC0809芯片，用LED显示水位的高低。
系统主要包括：
显示电路、检测电路、报警电路、执行电路和模数转换等。
系统的框图如图2-2所示。
图2-2系统框图
3系统硬件设计
3.1CPU型号的选择
单片机的种类很多，但经常使用的就是基本型和增强型。
典型产品中的8031内部包括一个8位CPU、128BRAM，21个特殊功能寄存器（SFR），4个8位并行I/O口，1个全双工串行口，2个16位定时器/计数器，5个中断源，但片内无程序存储器，需外扩程序存储器芯片。
而8051是在8031的基础上，片内又集成了4KBROM作为程序存储器，所以8051是一个程序不超过4KB的小系统。
8051中的AT89C51和AT89S51与87C51相比，AT89C51和AT89S51单片机片内的4KBFlash存储器取代了87C51片内4KB的EPROM。
AT89S51单片机片内的4KBFlash存储器可在线编程或使用编程器重复编程，且价格较低。
AT89S51与AT89C51相比，时钟频率以及运算速度有了较大的提高，例如：
AT89C51工作频率的上限为24MHz,而AT89S51则为33MHz。
AT89S51片内集成双数据指针DPTR、看门狗电路，具有低功耗空闲工作方式和掉电工作方式[1]。
综合这些内容，此次课程设计我们选用了AT89S51。
3.2AT89S51最小系统设计
对于AT89S51单片机，由于其内部有4K可在线编程的Flash存储器，用它组成最小系统时，不需要外扩程序存储器，只要有时钟电路和复位电路即可，因此，由单片机组成的最小系统如图3-1所示。
图3-1AT89S51的最小系统
3.2.1时钟电路硬件设计
时钟电路用于产生AT89S51单片机工作时所必需的控制信号。
AT89S51单片机的内部电路正是在时钟信号的控制下，严格地按时序执行指令进行工作。
AT89S51单片机各功能部件的运行都以时钟控制信号基准，有条不紊、一拍一拍地工作。
因此，时钟频率直接影响单片机的速度，时钟电路的质量也直接影响单片机系统的稳定性[1]。
AT89S51内部有一个用于构成振荡器的高增益反相放大器，它的输入端为芯片引脚XTAL1，输出端为引脚XTAL2。
这两个引脚跨接石英晶体和微调电容，构成一个稳定的自激振荡器，时钟电路如图3-2所示。
图3-2时钟电路
电路中的电容C1和C2的典型值通常选为30pF。
一般时，当晶体振荡频率为6MHz时，C取20pF，振荡频率为12MHz或11.0592MHz时，C取30Pf。
该电容的大小会影响振荡器频率的高低、振荡器的稳定性和起振的快速性。
晶体振荡频率的范围通常是在1.2～12MHz。
晶体的频率越高，系统的时钟频率越高，单片机的运行速度也越快。
3.2.2复位电路硬件设计
复位是单片机的初始化操作，只需给AT89S51的复位引脚RET加上大于2个机器周期的高电平就可以使AT89S51复位。
AT89S51的复位是由外部的复位电路实现的。
复位电路通常采用上电自动复位和按钮复位两种方式[1]。
上电自动复位是通过外部复位电路给电容C充电加至RST引脚一个短的高电平信号，此信号随着Vcc对电容C的充电过程而逐渐回落，即RST引脚上的高电平持续时间取决于电容C的充电时间。
因此为了保证系统能可靠地复位，RST引脚上的高电平必须维持足够的时间。
除了上电复位外，还有按键手动复位。
本设计采用上电和手动复合的方式复位。
复位电路如图3-3所示，图中的R1与R2的取值要使R2分得的电压在3.5伏以上，由于TTL电路所需要的电压在3.5伏以上。
而电容C3用充电时间进行计算。
图3-3复位电路
3.3液位传感器
我们选择PTH601投入试液位传感器，分辩率高,响应时间快，电路以ASIS高性能放大电路，经过数千次疲劳冲击，高、低温循环老化及精密的数字温度补偿工艺，再经过不锈钢全封焊（激光焊接）[9]。
外壳挑选上乘304,316钢材材质,经久耐用.兼容性广。
昊胜压力传感器稳定性非常好。
外壳结构人性化设计,机械连接口和电气连接口全部可按客户要求定制.在封装方面全是采用激光焊接,密封性好,防潮防水能力强,达到IP68标准PTH601采用扩散硅压阻芯体或陶瓷压阻芯体，316全不锈钢结构，主要适用于液压/油压/水压/气压控制,水利/环保/机械设备/自动化检测控制工程楼宇自控，恒压供水自控系统和测试系河流、地下水位、水库、水塔及容器等各种液位测量与控制。
量程:
0～0.5米～1米～5米～300米（水位高/深度）
综合精度:
0.25%FS、0.5%FS、1.0%FS
输出信号:
4～20mA（二线制）、0～5V、1～5V、0～10V（三线制）、RS485（四线制）
供电电压:
24DCV（9～36DCV）
介质温度:
0～75℃
环境温度:
常温（-20～75℃）
负载电阻:
电流输出型：
最大800Ω；电压输出型：
大于50KΩ
绝缘电阻:
大于2000MΩ（100VDC）
密封等级:
IP68
长期稳定性能:
0.1%FS/年
振动影响:
在机械振动频率20Hz～1000Hz内，输出变化小于0.1%FS
电气接口（信号接口）:
紧线防水螺母与五芯通气电缆连接。
3.4单片机与步进电机接口电路的设计
控制水塔水位系统，控制电路是采用控制步进电机的转动来实现的。
本次设计设计步进电机采用25BY48L05F，12V四相步进电机。
高转速四相六线制步进电机介绍，供电电压：
5-12V；步距角：
7.5度；相数：
4相；线数：
6线；每相电流：
0.3A；每相阻抗：
40欧；最大转速频率：
600Hz非常适用于需要灵巧控制的机器人,普通的减速步进电机是做不到的,转速太慢了（运转一圈需要10多秒钟）；静转距：
420g.cm；定位转距：
50g.cm。
3.4.1步进电机的工作原理
步进电机是数字控制电机，它将脉冲信号转变成角位移，即给一个脉冲信号，步进电机就转动一个角度，因此非常适合于单片机控制。
步进电机区别于其他控制电机的最大特点是，它是通过输入脉冲信号来进行控制的，即电机的总转动角度由输入脉冲数决定，而电机的转速由脉冲信号频率决定。
步进电机的驱动电路根据控制信号工作，控制信号由单片机产生。
其基本原理作用如下：
1.控制换相顺序
通电换相这一过程称为脉冲分配。
例如：
三相步进电机的三拍工作方式，其各相通电顺序为A—B—C—D，通电控制脉冲必须严格按照这一顺序分别控制A、B、C、D相的通断。
2.控制步进电机的转向
如果给定工作方式正序换相通电，步进电机正转，如果按反序通电换相，则电机就反转。
3.控制步进电机的速度
如果给步进电机发一个控制脉冲，它就转一步，再发一个脉冲，它会再转一步。
两个脉冲的间隔越短，步进电机就转得越快。
调整单片机发出的脉冲频率，就可以对步进电机进行调速。
3.4.2步进电机的驱动
我们采用L298驱动芯片，L298N是SGS公司的产品，内部包含4通道逻辑驱动电路。
是一种二相和四相电机的专用驱动器，即内含二个H桥的高电压大电流双全桥式驱动器，接收标准TTL逻辑电平信号，可驱动46V、2A以下的电机。
实物图和引脚图分别如图3-4和图3-5所示。
图3-4L298N实物图图3-5L298N引脚图
L298引脚的功能如下所示：
1、15=SEN1、SEN2分别为两个H桥的电流反馈脚，不用时可以直接接地；
2、3=1Y1、1Y2输出端;
13、14=2Y1、2Y2输出端；
4=VS驱动电压，最小值须比输入的低电平电压高2.；
5、7=1A1、1A2输入端,10、12=2A1、2A2输入端，TTL电平兼容；6、11=ENA、EN使能端，低电平禁止输出；
8=GND地；
9=Vss逻辑电源。
3.4.3驱动电路与步进电机的连接
L298有两路电源分别为逻辑电源和动力电源，6V为逻辑电源，12V为动力电源。
J4接入逻辑电源，J6接入动力电源，J1与J2分别为单片机控制两个电机的输入端，J3与J5分别与两个电极的正负极相连。
ENA与ENB直接接入6V逻辑电源也就是说两个电机时刻都工作在使能状态，控制电机的运行状态只有通过J1与J2两个接口。
由于我们使用的电机是线圈式的，在从运行状态突然转换到停止状态和从顺时针状态突然转换到逆时针状态时会形成很大的反向电流，在电路中加入二极管的作用就是在产生反向电流的时候进行泄流，保护芯片的安全。
步进电机控制电路如图3-6所示。
图3-6步进电机控制电路图
3.5单片机与显示器接口电路的设计
3.5.1数码管显示
数码管要正常显示，就要用驱动电路来驱动数码管的各个段码，从而显示出我们要的数字，因此根据数码管的驱动方式的不同，可以分为静态式和动态式两类。
①静态显示驱动：
静态驱动也称直流驱动。
静态驱动是指每个数码管的每一个段码都由一个单片机的I/O端口进行驱动，或者使用如BCD码二-十进制译码器译码进行驱动。
静态驱动的优点是编程简单，显示亮度高，缺点是占用I/O端口多，如驱动5个数码管静态显示则需要5×8＝40根I/O端口来驱动，要知道一个89S51单片机可用的I/O端口才32个呢：
），实际应用时必须增加译码驱动器进行驱动，增加了硬件电路的复杂性。
②动态显示驱动：
数码管动态显示接口是单片机中应用最为广泛的一种显示方式之一，动态驱动是将所有数码管的8个显示笔划"a,b,c,d,e,f,g,dp"的同名端连在一起，另外为每个数码管的公共极COM增加位选通控制电路，位选通由各自独立的I/O线控制，当单片机输出字形码时，所有数码管都接收到相同的字形码，但究竟是那个数码管会显示出字形，取决于单片机对位选通COM端电路的控制，所以我们只要将需要显示的数码管的选通控制打开，该位就显示出字形，没有选通的数码管就不会亮。
通过分时轮流控制各个数码管的的COM端，就使各个数码管轮流受控显示，这就是动态驱动。
在轮流显示过程中，每位数码管的点亮时间为1～2ms，由于人的视觉暂留现象及发光二极管的余辉效应，尽管实际上各位数码管并非同时点亮，但只要扫描的速度足够快，给人的印象就是一组稳定的显示数据，不会有闪烁感，动态显示的效果和静态显示是一样的，能够节省大量的I/O端口，而且功耗更低。
综上所述，本次课程设计采用动态扫描的方式,显示水位的高低。
显示电路采用3个LED数码管动态显示方法，P0口输出字符的显示段码，位码由P2.2～P2.4来控制。
动态显示的成本极低，但占用CPU接口资源较多，另外由于显示器的不断动态刷新，占用了CPU的部分工作时间，所以对一些时间要求较高的控制系统，则应考虑显示器显示占用的时间。
如图3-7所示。
图3-7数码管显示
3.5.2驱动电路的设计
此次课程设计我采用74LS373作为驱动数码管段选的信号，用三极管作为位选的控制信号。
由于单片机输出的电流只有几百微安，而LED显示需要3～20mA的电流，所以不能直接驱动。
3.5.374LS373简介
74LS373为三态输出的八D透明锁存器,共有54S373和74LS373两种线路结构型式，其主要电器特性的典型值如下（不同厂家具体值有差别）:
型号tPdPD54S373/74S3737ns525mW，54LS373/74LS37317ns120mW，373的输出端O0~O7可直接与总线相连。
当三态允许控制端OE为低电平时，O0~O7为正常逻辑状态，可用来驱动负载或总线。
当OE为高电平时，O0~O7呈高阻态，即不驱动总线，也不为总线的负载，但锁存器内部的逻辑操作不受影响。
当锁存允许端LE为高电平时，O随数据D而变。
当LE为低电平时，O被锁存在已建立的数据电平。
当LE端施密特触发器的输入滞后作用，使交流和直流噪声抗扰度被改善400mV。
引出端符号：
D0～D7数据输入端
OE三态允许控制端（低电平有效）
LE锁存允许端
O0~O7输出端
74LS373的引脚结构如图3-8所示。
图3-874LS373的引脚图
3.5.4限流
在显示电路中分别给段选和位选都设置了驱动电路，但是还要考虑限流的问题。
驱动芯片的电流承受能力是有限的，万一数码管坏了出现短路，芯片将输出很大的电流，如果不加防护措施将会烧毁驱动芯片甚至与之关联的线路。
所以需要加限流电阻就起到保护的作用。
限流电阻的计算：
如图3-9所示：
已知电流一般在3～20mA之间，最好大于5mA，二极管的稳压降为1.7V左右，所以（5-1.7）V／R=3～20mA，可知R取100Ω～1KΩ。
图3-9限流电阻计算
3.6报警电路的设计
在单片机应用的设计上，很多方案都会用到蜂鸣器，大部分都是使用蜂鸣器来做提示或报警，比如按键按下、开始工作、工作结束或是故障等等。
本次设计是水位高于上限或者低于下限时进行报警。
蜂鸣器实物图如图3-10所示。
图3-10蜂鸣器
由于蜂鸣器的工作电流一般比较大，以致于单片机的I/O口是无法直接驱动的，所以要利用放大电路来驱动，一般使用三极管来放大电流就可以了。
利用I/O定时翻转电平来产生驱动波形的方式会比较麻烦一点，必须利用定时器来做定时，通过定时翻转电平产生符合蜂鸣器要求的频率的波形，这个波形就可以用来驱动蜂鸣器了。
电路图如图3-11所示。
图3-11蜂鸣器电路图
3.7单片机与存储器接口电路的设计
A/D转换器把模拟量转换成数字量，以便于单片机进行数据处理。
随着超大规模集成电路技术的飞速发展，A/D转换器的新设计思想和制造技术层出不穷。
为满足各种不同的检测及控制任务的需要
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