双容水箱液位模糊控制.docx
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双容水箱液位模糊控制
双容水箱液位模糊控制
一、实验目的
熟悉双容液位控制系统的组成原理。
通过实验进一步掌握模糊控制原理及模糊控制规则的生成。
了解量化因子和比例因子对控制效果的影响。
掌握解模糊方法及实现。
二、实验设备
实验对双象为TKGK-1双容液位系统
TKGK-1型实验装置：
GK-06、GK-07-2
万用表一只
计算机系统
三、实验原理
图1双容水箱液位模糊控制系统方框图
图1为双容水箱液位控制系统。
控制的目的是使下水箱的液位等于给定值，并能克服来自系统内部和外部扰动的影响。
双容水箱液位系统如图2，该被控对象具有非线性和时滞性，建立精确的数学模型比较困难；模糊控制不仅可以避开复杂的数学模型，通常还能得到比较好性能指标。
模糊控制器的结构图如图3。
模糊控制器的输入为误差和误差变化率：
误差e=r-y，误差变化率ec=de/dt，其中r和y分别为液位的给定值和测量值。
把误差和误差变化率的精确值进行模糊化变成模糊量E和EC，从而得到误差E和误差变化率EC的模糊语言集合，然后由E和EC模糊语言的的子集和模糊控制规则R（模糊关系矩阵）根据合成推理规则进行模糊决策，这样就可以得到模糊控制向量U，最后再把模糊量解模糊转换为精确量u，再经D/A转换为模拟量去控制执行机构动作。
图3模糊控制器组成原理图
模糊量化：
根据精确量实际变化范围[a,b]，合理选择模糊变量的论域为[-n,n]，通过量化因子k=
，将其转换成若干等级的离散论域，如七个等级为{负大，负中，负小，零，正小，正中，正大}，简写为{NB,NM,NS,O,PS,PM,PB}。
确定模糊子集的隶属函数曲线。
一般常采用三角形、梯形和正态分布等几种曲线。
然后由隶属函数曲线得出模糊变量E、EC、U的赋值表。
根据经验，E模糊子集的隶数度函数取正态分布曲线，则赋值表见表一：
表一：
变量E隶属函数赋值表
E
-6
-5
-4
-3
-2
-1
0
1
2
3
4
5
6
NB
NM
NS
O
PS
PM
PB
1.0
0.3
0
0
0
0
0
0.7
0.6
0.1
0
0
0
0
0.4
1.0
0.2
0
0
0
0
0.2
0.6
0.5
0
0
0
0
0.1
0.3
1.0
0.1
0
0
0
0
0.1
0.5
0.4
0.1
0
0
0
0
0.2
1.0
0.2
0
0
0
0
0.1
0.4
0.5
0.1
0
0
0
0
0.1
1.0
0.3
0.1
0
0
0
0
0.5
0.6
0.2
0
0
0
0
0.2
1.0
0.4
0
0
0
0
0.1
0.6
0.7
0
0
0
0
0
0.3
1.0
模糊控制规则：
模糊控制规则是操作经验和专家知识的总结，是进行模糊推理的依据。
在设计模糊控制规则时，必须考虑控制规则的完备性、交叉性和一致性。
既保证对于任意给定的输入，均有相应的控制规则起作用；控制器的输出值总是由数条控制规则来决定；控制规则中不存在相互矛盾的规则。
在总结专家经验和过程知识的基础上，可以得到如表二的控制规则表：
模糊推理：
模糊推理是模糊控制器的核心，模糊控制系统目前常采用的有：
CRI推理的查表法、CRI推理的解析法、Mamdani直接推理法、后件函数法等。
本实验可采用Mamdani直接推理法。
Mamdani推理法是先求出模糊关系R，再根据输入求出控制量，把控制量清晰化，可得控制查询表.
本试验设计了容量为7×7条控制规则表，这个规则表可以用27条模糊条件语句来描述：
如：
ifEl=NBandEf=NBthenU=PS，对应的模糊关系：
R1=A1×B1×C5
根据Ri（i=1,2,…27）可以得到综合模糊矩阵R。
如下计算模糊关系矩阵R:
R=R1∪R2∪…R27
E和EC对应的模糊变量为和，此时可由下式求出:
U*=（A*×B*）
R
式中：
——表示求合成运算.
解模糊：
可采用常用的重心法进行解模糊运算。
表二控制规则表
NB
NM
NS
O
PS
PM
PB
NB
NM
NS
O
PS
PM
PB
PS
NS
NM
NB
NB
NB
NB
PS
PS
NS
NM
NM
NB
NB
PS
PS
O
NS
NS
NM
NM
PS
PS
O
O
O
NS
NS
PM
PM
PS
PS
O
NS
NS
PB
PM
PM
PM
PS
PS
NS
PB
PB
PM
PM
PM
PS
NS
四、实验步骤
1.按图1连成控制系统图。
其中被控对象为下水箱，被控制量为液位高度，控制器由计算机系统组成，接口的驱动已在“计算机控制系统”试验中完成，这里不再赘述。
2.启动工艺流程并开启相关仪器，调整传感器输出的零点与增益。
3.运行模糊控制程序，并输入参数，记录试验数据和控制曲线。
4.修改模糊控制规则，重复步骤3。
5.待系统稳定后，加手动扰动，观察系统的动态变化，并记录结果。
五、实验报告要求
1.给出模糊控制器的设计过程和程序清单
2.建立EC的隶数度函数赋值表
3.建立控制查询表
4.记录试验数据和曲线
5.分析试验结果
六、思考题
1．如果输入变量离散论域分为五个等级，对计算和控制效果有什么影响？
2．模糊控制达到稳态后，静差是否为零？
为什么？
附：
双容水箱液位模糊控制的C语言程序
#include"graphics.h"
#include"conio.h"
#include"math.h"
#include"time.h"
#include"stddef.h"
#include"dos.h"
#include"stdio.h"
#include"process.h"
#include"bios.h"
intsampt,key,v;
staticfloatcy[600],cx[600],cs[6];
floatdatain,u,u1,e2,xset,i,Ku;
time_tstart,end;
unsignedchardat[6],data_in[5][4];
unsignedcharstat,data,data1;
inti1,j1;
main（）
{
intj,m,ntr,T,NUM;
floatadin（）,fuzzycontrol（）,max,tr,t0;
voiddaout（）,wct（）,wtp（）,wait（）;
intgdriver,gmode,kk;
floatx1,x2,x3;
char*t[]={"sampledvalue:
","setedvalue:
"};
char*tt1[]={"L","t"};
gdriver=VGA;
gmode=VGAHI;
initgraph（&gdriver,&gmode,"d:
\\tc"）;
wait（）;
/*cominit*/
outportb（0x3fb,0x80）;/*SETB0x3fb.7=1*/
outportb（0x3f8,0x0C）;/*LSB=0CHBPS=9600*/
outportb（0x3f9,0x00）;/*MSB=00H*/
outportb（0x3fb,0x03）;/*8DATA1STOPNO*/
outportb（0x3fc,0x03）;/*SETBDTR=0RTS=0*/
outportb（0x3f9,0x00）;/*SETIE=0*/
star:
inportb（0x3f8）;
while（!
（（0x20&inportb（0x3fd））==0x20））;
f_f5:
while（!
（（0x20&inportb（0x3fd））==0x20））;
outportb（0x3f8,0x66）;
while（!
（inportb（0x3fd）&0x01））;
data1=inportb（0x3f8）;
while（!
（inportb（0x3fd）&0x01））;
data=inportb（0x3f8）;
if（data!
=0x35）
{gotostar;}
a_d:
while（!
（（0x20&inportb（0x3fd））==0x20））;
outportb（0x3f8,0x61）;
while（!
（inportb（0x3fd）&0x01））;
data=inportb（0x3f8）;
if（data!
=0x64）
{exit
（1）;}
adin（）;
daout（0）;
printf（"PleaseInput...\n"）;
printf（"\nSampt（3,4,5,6）="）;
scanf（"%d",&sampt）;
printf（"\nXset="）;
scanf（"%f",&xset）;
printf（"\nKu="）;
scanf（"%f",&Ku）;
NUM=500;
setviewport（0,0,640,350,0）;
clearviewport（）;
setbkcolor（3）;
setcolor
（1）;
cleardevice（）;
settextjustify（LEFT_TEXT,TOP_TEXT）;
settextstyle（1,0,2）;
settextjustify（0,2）;
settextstyle（0,0,1）;
outtextxy（410,20,t[1]）;
outtextxy（410,40,t[0]）;
line（37,85,40,80）;
line（43,85,40,80）;
line（585,287,590,290）;
line（585,293,590,290）;
for（j=1;j<9;j++）
{line（40,290-j*25,45,290-j*25）;
line（40+j*50,285,40+j*50,290）;
}
line（490,285,490,290）;
line（540,285,540,290）;
setlinestyle（0,0,3）;
line（40,80,40,295）;
line（35,290,590,290）;
settextjustify（0,2）;
settextstyle（1,0,1）;
outtextxy（25,70,tt1[0]）;
outtextxy（590,290,tt1[1]）;
setcolor（4）;
setlinestyle（0,0,1）;
line（536,48,558,48）;
wct（3,200.,14,88）;
wct（3,150.,14,138）;
wct（3,100.,14,188）;
wct（3,xset*10.,14,288-（int）（xset*10.））;
wct（3,50.,14,238）;
wct（3,100.,135,300）;
wct（3,200.,235,300）;
wct（3,300.,335,300）;
wct（3,400.,435,300）;
wct（3,500.,535,300）;
wtp（"Xset=",xset,5,23）;
wtp（"Ku=",Ku,25,23）;
/*wtp（"I=",ki,45,23）;
wtp（"D=",kd,60,23）;*/
max=0.0;ntr=0;
for（i=0;i{cx[i]=xset;
start=time（NULL）;
t0=i*sampt;
x1=adin（）;
x2=adin（）;
x3=adin（）;
cy[i]=（x1+x2+x3）/3;
e2=xset-cy[i];
u=fuzzycontrol（e2）;
daout（（int）（u））;
putpixel（42+i,290-cx[i]*10,62）;
putpixel（42+i,290-cy[i]*10,4）;
putpixel（42+i,290-u*0.29,1）;
wtp（"cy[i]=",cy[i],5,21）;
wtp（"Time=",t0,60,21）;
wtp（"u=",u,45,21）;
wtp（"Num=",i+1.0,25,21）;
if（i>=2）
{if（cy[i]>max）max=cy[i];
wtp（"max=",max,5,25）;
}
if（ntr==0）
{if（cy[i]>=xset）
{tr=i*sampt;
wtp（"tr=",tr,25,25）;
ntr=1;
}
}
if（kbhit（）!
=0）
{key=bioskey（0）;
key=（key>>8）&0xff;
if（key==44）gotoloop2;
}
loop1:
end=time（NULL）;
if（（difftime（end,start））}
getch（）;
loop2:
daout（0）;
outportb（0x3fc,0x01）;
closegraph（）;
exit（0）;
}
floatadin（）
{
b_d:
while（!
（（0x20&inportb（0x3fd））==0x20））;
outportb（0x3f8,0x62）;
while（!
（inportb（0x3fd）&0x01））;
data=inportb（0x3f8）;
for（i1=0;i1<5;i1++）
{for（j1=0;j1<4;j1++）
{while（!
（inportb（0x3fd）&0x01））;
data_in[i1][j1]=inportb（0x3f8）;
}
}
for（i1=0;i1<5;i1++）
{for（j1=0;j1<4;j1++）
{data_in[i1][j1]=data_in[i1][j1]-0x30;}
}
if（data!
=0x64）
{gotob_d;}
datain=data_in[0][0]*10+data_in[0][1]+data_in[0][2]*0.1+data_in[0][3]*0.01;
return（datain）;
}
floatfuzzycontrol（e2）
floate2;
{
floatXec,Yu,e20,Ke,Kec;
intE,EC,U,a[13][13];
intm0=6,n=6;
intout[13][13]={
{7,7,7,6,5,4,4,4,4,4,4,4,4},
{7,6,6,5,4,4,4,4,4,4,4,4,4},
{7,6,5,4,4,4,4,4,4,4,4,4,4},
{6,5,4,4,4,4,4,2,2,2,2,2,2},
{5,4,4,4,4,4,4,2,0,0,0,0,0},
{4,4,4,2,2,2,2,2,0,1,1,1,1},
{4,4,4,2,0,0,0,0,0,-1,1,1,1},
{2,2,2,2,0,1,1,1,1,1,1,1,1},
{0,0,0,0,0,-1,1,1,1,1,1,1,0},
{1,1,1,2,2,2,2,2,2,2,2,2,-2},
{1,1,1,2,2,2,2,2,2,2,2,-2,-2},
{4,4,4,4,4,4,4,4,4,0,-2,-2,-2},
{4,4,4,4,4,4,4,4,0,-2,-2,-2,-2}};
e20=xset-cy[i-1];
Xec=（e2-e20）/sampt;
Ke=n/2;
Kec=m0/1;
if（e2>2）e2=2;
if（e2<-2）e2=-2;
if（Xec>1）Xec=1;
if（Xec<-1）Xec=-1;
E=Ke*e2;
EC=Kec*Xec;
U=out[E+6][EC+6];
/*printf（"U=%d",U）;*/
Yu=Ku*U;
if（Yu>255.0）Yu=255.0;
if（Yu<-255.0）Yu=-255.0;
/*printf（"Yu=%f",Yu）;*/
/*Yu=abs（Yu）*/;
return（Yu）;
}
voiddaout（x）
intx;
{intx1,x2,x3;
c_d:
x1=（int）（x/100.0）;
x2=（int）（（x-x1*100）/10.0）;
x3=（int）（x-x1*100-x2*10）;
dat[0]=x1;dat[1]=x2;dat[2]=x3;
dat[3]=0;dat[4]=0;dat[5]=0;
for（i1=0;i1<6;i1++）
{dat[i1]=dat[i1]+0x30;}
while（!
（（0x20&inportb（0x3fd））==0x20））;
outportb（0x3f8,0x63）;
while（!
（inportb（0x3fd）&0x01））;
data=inportb（0x3f8）;
if（data!
=0x64）
{exit
（1）;}
while（!
（（0x20&inportb（0x3fd））==0x20））;
outportb（0x3f8,0x64）;
for（i1=0;i1<6;i1++）
{
while（!
（（0x20&inportb（0x3fd））==0x20））;
outportb（0x3f8,dat[i1]）;
}
while（!
（inportb（0x3fd）&0x01））;
data=inportb（0x3f8）;
if（data!
=0x64）
{exit
（1）;}
}
voidwct（b,xx,x2,y2）
intb,x2,y2;
floatxx;
{charmb2[5];
setcolor
（1）;
gcvt（xx,b,mb2）;
settextjustify（0,2）;
settextstyle（0,0,1）;
outtextxy（x2,y2,mb2）;
}
voidwtp（xc,xt,x1,y1）
charxc[];
floatxt;
intx1,y1;
{textcolor（9）;
gotoxy（x1,y1）;
textcolor
（1）;
printf（"%s%7.2f",xc,xt）;
}
voidwait（）
{inti,j;
printf（"\n\nPleaseWaitFor1minute!
!
!
\n"）;
setbkcolor（3）;
setcolor（4）;
setfillstyle（SOLID_FILL,4）;
for（i=0;i<361;i++）
{pieslice（300,200,0,i,80）;
delay（10）;}
setcolor（14）;
setfillstyle（SOLID_FILL,14）;
for（i=91;i<181;i++）
{pieslice（300,200,90,i,80）;
delay（50）;}
setcolor
（1）;
setfillstyle（SOLID_FILL,1）;
for（i=181;i<271;i++）
{pieslice（300,200,180,i,80）;
delay（50）;}
setcolor
（2）;
setfillstyle（SOLID_FILL,2）;
for（i=271;i<361;i++）
{pieslice（300,200,270,i,80）;
delay（50）;}
delay（200）;
cleardevice（）;
}_
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