储联罐单罐水位模糊控制.docx

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储联罐单罐水位模糊控制

毕业论文

题目储联罐单罐水位模糊控制

学院自动化与电气工程学院

专业电气工程及其自动化

班级

学生

学号

指导教师

二〇一二年六月八日

摘要

在传统的控制领域里，控制系统动态模式的精确与否是影响控制优劣的最主要因素，系统动态的信息越详细，则越能达到精确控制的目的。

然而，对于储联罐这样的非线性的复杂系统，由于变量太多，往往难以正确的描述系统的动态，传统的控制系统无法达到实际的控制效果。

因此便尝试着以模糊数学来处理这些控制问题。

模糊控制不仅具有良好的鲁棒性，且构造容易，无需建立具体的数学模型，本文利用模糊控制方法对储联罐水位进行控制，并通过MATLAB仿真对储联罐水位模糊控制算法进行验证，结果显示操作对象不仅响应速度快，且超调量小，具有良好的控制效果。

关键词：

水位控制；模糊控制；储联罐系统；MATLAB；仿真

ABSTRACT

Inthispaperwewanttocontrolthewaterlevelofthecoupledwatertankswhichisthemultivariableandnonlinearcomplexsystemeffectively,sowetakethefuzzy-controlmethod.throughsimulatingthemodelwhichweestablishedinthefuzzy-controlmethod,wefoundthatthefuzzy-controlsystemnotonlyhavethefastspeedofresponse,butthelittleover-shoot,andithasacontrolthewaterleveleffectively.

Keywords：

waterlevelcontrol;fuzzycontrol;coupledwatertankssystem;MATLAB;simulate

目录

摘要.........................................................................................................................................

ABSTRACT...........................................................................................................................

1.前言...................................................................................................................................1

1.1.选题的背景............................................................................................................1

1.2.选题的意义............................................................................................................1

1.3.预期的效果............................................................................................................4

1.4.创新之处................................................................................................................4

2.模糊控制理论基础...........................................................................................................5

2.1.模糊控制基本原理及发展现状............................................................................5

2.1.1.模糊控制基本原理.....................................................................................5

2.1.2.模糊控制器的发展现状.............................................................................6

2.2.模糊控制器设计步骤............................................................................................6

2.2.1.确定量的模糊化.........................................................................................7

2.2.2.模糊控制知识库的生成.............................................................................7

2.2.3.模糊控制算法.............................................................................................7

2.2.4.模糊量的清晰化.........................................................................................7

3.MATLAB简介及SIMULIK工具箱的应用.................................................................8

3.1.MATLAB简介........................................................................................................8

3.2.SIMULINK工具箱的使用.....................................................................................8

3.3.模糊控制工具箱....................................................................................................9

4.模糊控制器的设计及仿真.............................................................................................11

4.1.储联罐单罐模型的建立......................................................................................11

4.2.模糊控制器的设计...............................................................................................

4.3.储联罐水位模糊控制仿真结果.............................................................................

结论.........................................................................................................................................

参考文献.................................................................................................................................

致谢.........................................................................................................................................

附录.........................................................................................................................................

1.前言

1.1.选题的背景

自从1965年美国自动控制理论专家Zadehla提出用模糊集合描述客观世界中存在的不确定性信息以来，模糊逻辑理论得到了飞速的发展，并在此基础上得到了广泛的应用。

模糊控制是以一种模糊从行为上模拟人的思维方式的智能控制方法，对难建模的对象实施模糊推理和决策的一种控制方法，是一种非线性控制方法。

模糊控制作为智能领域中最具有实际意义的一种控制方法,在工业生产的各个领域针对解决传统控制方法无法或者是难以解决的问题的过程中，取得了令人瞩目的成效，从而吸引了越来越多的科研人员好技术人员参与到控制理论的研究与发展中来。

1.2.选题的意义

模糊控制主要分为以下几种[1]：

PID模糊控制、自适应模糊控制、参数自整定模糊控制、专家模糊控制EFC、仿人智能模糊控制、多变量模糊控制。

自松下公司推出首台模糊技术控制的全自动洗衣机后,模糊控制技术得到迅猛发展，国内众多厂家、科研单位也在积极致力于模糊控制技术的开发研究。

近年来国内外的模糊控制研究的不断进步也让模糊控制理论得到了广泛的应用。

葛新成[1]等人对模糊控制的现状与发展做了概述，介绍了模糊控制的概念发展历程及应用，对模糊控制理论提出了其中的不足，同时也对模糊控制未来的发展做出了展望。

林美珍[2]对模糊控制理论的应用做了一定的研究，对模糊控制的发展和原理做了一下简单的概括，对模糊控制器的结构做了简单的描述，在此基础上给出了模糊控制系统的特点及其种类，在肯定了模糊控制技术的发展前景的同时也提出了模糊控制应该解决的问题。

彭成[3]等人对模糊控制理论的特点进行了总结，并预测了模糊控制理论的发展趋势，通过与传统控制理论的比较得出了模糊控制理论的优势，并重点对专家系统的模糊控制器做了介绍，根据其现在在个方面中的地位推断了模糊控制理论在未来的发展趋势。

孟志刚[4]等人对模糊控制在液位控制器中的应用进行了研究 ，利用模糊控制的原理设计出模糊控制器，确定好输入输出变量和模糊分割以后，建立起模糊控制的规则，然后将模糊推理出的模糊量按公式清晰化，最终实现液位的控制。

高俊[5]为解决单回路PID控制产生的“虚假液位”现象，对锅炉汽包水位模糊控制的应用进行了研究，提出了双输入-单输出汽包水位模糊控制系统。

阐述了系统的工作原理以及模糊控制规则表和控制查询表的建立方法。

周妮娜[6]针对工业锅炉自动控制系统中的水箱系统液位控制问题提出了基于双模糊控制器的水箱液位控制,设计两个模糊控制器来实现根据误差的大小来分别进行模糊控制，这样不仅没有超调，而且消除了稳态误差，从而取得更好的控制效果。

卞扣成[7]等人针对区间二型模糊逻辑系统在水位模糊控制中应用做了一系列的研究，并进行了仿真，介绍了二型模糊控制的定义及原理，建立了区间二型模糊逻辑控制系统，对水位进行模糊控制。

进行仿真时，给定单位阶跃的输入信号控制对象的数学模型表示为：

（1.1）

通过MATLAB软件的模拟仿真表明，二型模糊控制系统的控制不仅达到稳态的时间短，没有超调，而且消除了稳态误差。

赵瑞林[8]对基于PLC水箱水位模糊控制系统的分析与设计做了一系列的研究工作，利用模糊化过程的量化因子置于PLC的保持继电器中,然利用A/D转化奖输入两采集到PLC的DM中，经限幅量化处理后用相应的法则得到实际输出值，再由D/A输出模块进行控制，实现了水位控制的数学模型。

卓秀娟[9]研究了基于T-S模型的蒸汽发生器水位模糊控制，利用T-S模糊模型的万能逼近器性质,构造蒸汽发生器T-S模型。

在此基础上,研究了不确定蒸汽发生器水位鲁棒镇定控制,不确定蒸汽发生器水位保成本控制和有外界干扰条件的蒸汽发生器水位H∞控制。

然后将以上问题转化为等价的可以通过数值求解的线性矩阵不等式凸优化问题孙勇智[10]等人重点研究了基于组态软件和MATLAB的水位模糊控制系统，提出了一种利用MCGS组态软件和MATLAB开发的水位模糊控制系统实现方案。

在该系统中通过利用组态软件与MATLAB的功能互补，建立起具有良好人机界面和强大计算能力控制系统，通过此系统建立起二维模拟控制器，从而对水箱水位实现模拟控制。

李中宁[11]针对基于MATLAB的锅炉水位模糊控制系统进行了分析，设计了一种二输入三输出模糊自整定PID控制器,对锅炉汽包水位进行控制,实现了PID参数的自适应调节。

利用MATLAB对控制系统进行仿真表明该控制器自整定能力及鲁棒性比传统PID控制器更强,响应速度快、精度高,同时对虚假水位有较好的控制效果。

李铜桥[12]等人为解决蒸汽发生器中的假水位问题，对蒸汽发生器水位模糊控制半实物仿真试验系统 进行了研究，将模糊控制于DSP技术相结合，并进行了半实物仿真实验，结果证明该系统功能性强，完全符合控制要求客推广应用于化工、核电站等罹于控制系统，使用价值很高。

雷金莉[13]等人为解决锅炉水位控制中具有的大滞后、多变量、强耦合等非线性特点，重点研究了MATLAB在锅炉水位模糊控制系统中的应用，并对其进行了模糊控制系统的设计，其原理是，通过采样获取被控制量的精确值，将其与给定值比较得水位误差e，水位误差变化率ec作为控制器的输入变量，输出变量u控制电气阀的开度，y时过程输出，及输出变量的采样值，利用MATLAB的模糊逻辑工具箱进行仿真，通过将结果可以看出，采用模糊控制不仅响应速度快，而且控制精度高。

丁永生[14]等人对模糊控制理论进行了解析，重点讲解了模糊控制理论的原理，对模糊控制系统的结构进行了研究，并深入探讨了模糊控制系统的稳定性。

王永富[15]等人对自适应模糊控制理论进行研究，并对其做出了综述，介绍了常见的几种模糊控制系统，并且介绍了各种系统的区别方法，同时从模糊系统、模糊控制、稳定性、模糊逼近和神经网络等方面较详细地概括与分析了自适应模糊控制理论的研究与进展,特别是在Lyapunov稳定性理论下,基于模糊模型的自适应模糊控制与鲁棒控制、滑模控制等传统方法的结合与互补为非线性系统建模与控制提供了强有力的工具。

杨洪勇[16]等人对闭环模糊控制系统稳定性判据进行分析，给出了模糊控制系统稳定的充分条件和必要条件，在分析闭环模糊控制系统模型及稳定性充分条件和必要条件的基础上，提出了闭环模糊控制系统稳定性判据，并通过仿真证明了系统稳定判据的正确性。

秦绪平[17]等人的模糊控制理论的发展应用与展望，阐述了模糊控制理论的原理，对模糊控制理论的应用做了初步的介绍，并其未来的发展做了进一步的展望。

曹志国[18]等人对基于MATLAB的两种模糊控制系统的仿真方法进行了研究，阐明了模糊控制器设计的三部分：

输入量的模糊化、模糊逻辑推理、反模糊化过程，论述了针对同一个典型二阶环节,用MATLAB语言编程的方法以及通过SIMULINK可视化工具平台建模的方法分别设计模糊控制系统的全过程。

所设计出的模糊控制系统具有相同的输入、输出、隶属度函数以及模糊推理规则,并且在对两个系统设置相同的仿真参数的情况下对模糊控制系统进行仿真。

全杰[19]等人对基于MATLAB命令方式的模糊控制系统仿真及可视化实现进行了研究，文章强调了模糊控制系统的设计思想，并通过仿真实例讨论了如何利用MATLAB命令方式和FuzzyLogicToolBox、SIMULINK可视化方法来有效地解决模糊控制系统的设计和仿真问题，将MATLAB与其所附带的模糊逻辑工具箱和SIMULINK有机地结合起来，充分利用它们各自的优点，从不同途径方便地实现了模糊控制系统（FCS）的设计和仿真。

罗文广[20]等人重点研究了基于MATLAB（SIMULINK）语言的模糊控制系统高效仿真，提出了改进模糊控制的三个方面，同时介绍了一般仿真方法和高效仿真方法，并重点介绍了高效仿真方法，通过编写S函数,将MATLAB和SIMULINK有机结合起来,实现了参数自调整模糊控制系统的设计和仿真,提供一种高效仿真方法。

周妮娜[21]针对工业锅炉自动控制系统中的水箱系统液位控制问题，在基于模糊控制器的基础上,提出了一种双模糊控制器的设计实现，设计实现一种双模糊控制器。

在文章中作者给出了双模糊控制气的工作原理，并利用MATLAB的SIMULINK进行了模拟仿真，通过与传统PID控制器和但模糊控制器相比，双模糊控制不仅极大的缩短了达到稳态需要的时间，消除了稳态误差，而且没有超调，因此可以更好的完成控制任务。

郑恩让[22]等人对T-S连续模糊控制系统的稳定性进行了研究，不光给出了连续模糊控制系统的放松的稳定条件和基本的稳定条件，而且也给出了新的稳定条件，将各个模糊控制子系统的相互作用表示在一个矩阵内，增加了稳定性条件的信息，从而保证了稳定性条件的宽松。

王成[23]等人则针对T-S离散模糊控制系统的二次稳定性进行了研究，运用Lyapunov稳定性定理和线性矩阵不等式技术,在一个由模糊子系统的系数矩阵构成的负定矩阵中,充分考虑模糊子系统间的相互作用,得到了在并行分布补偿控制器作用下,闭环离散模糊系统二次稳定的充分条件。

这些稳定性条件以线性矩阵不等式的形式给出,因而具有数值易解性。

彭威[24]等人为解决在蒸汽发生器的运行期间水位存在的“虚假水位”的现象以及传统的PID参数整定繁琐、控制效果差，而且无法实现在线调节的弊端，重点研究了基于DSP的蒸汽发生器水位模糊控制系统，提出了DSP的模糊控制，这种控制系统不仅运行稳定，而且具有良好的动态控制性能，为SG控制系统的实际运行与设计提供了可靠的技术支持。

1.3.预期的效果

对储联罐建立模型，并利用模糊控制方法对其水位进行控制，通过MATLAB进行仿真，预期的结果是，通过模糊控制使储联罐水位控制响应速度变快，调节时间缩短，且使系统的超调量较小

1.4.创新之处

通过模糊控制的方法对储联罐水位进行控制，不仅解决了水位控制中具有的大滞后、多变量、强耦合等非线性特点，而且较传统的控制方法，模糊控制不需要建立具体的数学模型，构造容易，具有良好的鲁棒性。

而且模糊控制能够提高响应速度，缩短调节时间，减少系统的超调量。

2.理论基础

2.1.模糊控制基本原理及发展状况

2.1.1模糊控制基本原理

模糊控制是以模糊结合论、模糊语言变量及模糊逻辑为基础的计算机智能控制。

模糊控制理论从1974年至今经历了简单模糊控制和自我完善模糊控制两个阶段，如今模糊控制已经形成了较为完善的理论。

模糊控制系统的建立主要有以下几大部分：

（1）模糊化运算，是将输入控制的观测量映射为输入论域上的模糊集合，包括论域变换和模糊化等过程，其中模糊化包括单点模糊结合和三角形模糊结合两种集合形式。

（2）清晰化运算，可分为解模糊和论域反变换两个过程，解模糊的主要方法有平均最大隶属度法、最大隶属度去最小值法、最大隶属度取最大值法、面积平分法以及加权平均法等。

（3）数据库，它存储着有关模糊化、模糊推理、解模糊的一切知识，具有输入输出空间的模糊分割和隶属函数确定的职能。

（4）规则库，是由一系列“IF-THEN”型模糊条件语句构成，模糊控制规则的建立可以有以下途径，基于专家经验和控制工程知识、基于操作人员的实际控制过程、给予过程的模糊模型和基于学习几种，同时，模糊控制规则也有一定的性能要求：

a.完备性，对于任意的输入应确保它至少有一个可使用的规则，且规则的适用程度应大于某个数；b.模糊控制规则书，在满足完备性的条件下，尽量去较少的规则数，以简化模糊控制器的设计和实现；c.一致性，不允许出现当给定一个输入，结果产生两组不同的甚至是矛盾的输出。

（5）模糊推理，首先要给定规则集:

规则1：

若x为

andy为

，则z为

规则2：

若x为

andy为

，则z为

……

规则n：

若x为

andy为

，则z为

。

其中，x∈X，y∈Y，z∈Z，语言变量x的模糊集为

~

，语言变量y的模糊集为

~

，语言变量z的模糊集为

~

。

无论是连续还是离散的论域，模糊推理都有下述三个规律：

规律一

（2.1）

其中

是第i条规则的模糊关系，R是第n条规则全体构成的模糊关系。

规律二

（2.2）

其中

表示三个模糊集合的直积，是

上的模糊关系。

规律三

（2.3）

为合成算子。

为两个模糊集合的直积。

同样，模糊推理也有几个定理：

定理一（各规则分别推理）

（2.4）

定理二（各条件分别推理）

（2.5）

定理三（输入为模糊单点时的推理方法）

输入为

（2.6）

成为规则i的激活度。

2.1.2.模糊控制的发展状况

自1974年英国的E.H.Mamdani建立了模糊控制器并将其应用到蒸汽机和锅炉的控制中去之后，模糊控制理论得到的突飞猛进的发展，尤其是随着计算机机器相关技术的发展，模糊控制理论更是得到了广泛的应用。

如今的模糊控制理论不仅应用在航空航天等高科技领域，就连家用电器都有模糊控制的影子，可见当今的模糊控制理论已经深入到生活的方方面面。

随着它的发展，模糊控制的发展也出现了几个大的方向，即复合模糊控制器、和各种智能优化算法相结合的模糊控制、抓家模糊控制以及多变量模糊控制等。

随着模糊控制技术的应用越来越广泛，相信在将来模糊控制理论会发展的更加完善。

2.2.模糊控制器的设计步骤

设计模糊控制系统的关键部分就是模糊控制器的设计。

模糊控制器的结构由四部分组成，模糊化接口、知识库、模糊推理和解模糊接口，模糊控制器按结构可分为一维模糊控制器、二维模糊控制器和三维模糊控制器。

其设计步骤是：

2.2.1确定量的模糊化

此过程就是将基础变量论域上的精确量转化为模糊量的过程，先是对输入量记性尺度变化，将精确量离散化，然后确定输入值相对于响应语言变量语言值的隶属度，经过这两步我们就完成了输入变量的模糊化工作。

2.2.2模糊控制知识库的生成

这一步我们要解决两部分工作，原因