學(xué)校代碼： 10128學(xué) 號(hào)： 200811204050 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)題 目：水箱液位控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)摘 要液位控制一般指對(duì)某控制對(duì)象的液位進(jìn)行控制調(diào)節(jié)，使其達(dá)到所要求的控制精度。在工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中，有很多地方需要對(duì)控制對(duì)象進(jìn)行液位控制，使液位準(zhǔn)確的保持在給定的數(shù)值范圍之內(nèi)。在本課題中，以液位控制系統(tǒng)的水箱為研究對(duì)象，水箱的液位為被控制量。液位的時(shí)間常數(shù)T一般很大，有很大的容積遲延，如果采用常規(guī)單回路控制系統(tǒng)來(lái)控制，可能無(wú)法達(dá)到較好的控制質(zhì)量，所以有必要尋求更有效的方法對(duì)液位進(jìn)行控制，克服流量對(duì)液位造成的干擾。本文論述了模糊控制理論、模糊控制器的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)，并將控制系統(tǒng)在Matlab軟件環(huán)境下進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果表明模糊控制系統(tǒng)的魯棒性強(qiáng)，干擾和參數(shù)變化對(duì)控制效果的影響被大大減弱，尤其適合于非線性、時(shí)變及純滯后系統(tǒng)的控制，使得當(dāng)液位控制系統(tǒng)的模型參數(shù)變化時(shí)，系統(tǒng)能具有良好的控制效果。關(guān)鍵詞：水箱液位；模糊控制；雙容水箱 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 liquid 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 conventional 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 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 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 錄第一章 緒論11.1 引言11.2 研究的意義和目的11.3 模糊控制的研究現(xiàn)狀21.4 本課題的主要工作3第二章 液位控制系統(tǒng)及模型建立42.1 液位控制系統(tǒng)42.1.1 液位控制系統(tǒng)組成42.1.2 液位控制系統(tǒng)的控制目標(biāo)42.2 建立液位控制系統(tǒng)的水箱模型42.2.1 雙容水箱被控對(duì)象的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型52.2.2 水箱模型的過(guò)程辨識(shí)10第三章 常規(guī)模糊控制器的設(shè)計(jì)113.1 模糊控制的基本思想113.2 模糊控制的基本原理123.3 模糊控制器的設(shè)計(jì)步驟123.3.1模糊控制器結(jié)構(gòu)133.3.2模糊化143.3.2.1語(yǔ)言變量的選取143.3.2.2定義各模糊變量的模糊子集153.3.2.3精確量的模糊化153.3.3模糊控制表的運(yùn)算合成163.3.3.1模糊控制規(guī)則163.3.3.2模糊推理173.3.3.3清晰化173.3.4論域、量化因子、比例因子的選擇183.4模糊液位控制器的設(shè)計(jì)193.4.1精確量的模糊化193.4.2定義模糊控制器的模糊集合及其隸屬度函數(shù)表203.4.3建立模糊液位控制器的模糊控制規(guī)則表213.4.4計(jì)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統(tǒng)仿真224.1模糊液位控制系統(tǒng)的simulink仿真224.1.1 液位控制系統(tǒng)仿真224.1.2 控制系統(tǒng)在各擾動(dòng)下的仿真234.2 系統(tǒng)模型發(fā)生改變的仿真294.3 模糊液位控制系統(tǒng)的性能分析30總 結(jié)31參考文獻(xiàn)32謝 辭34內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)第一章 緒論1.1 引言正常運(yùn)行的生產(chǎn)設(shè)備必須保證產(chǎn)品滿足一定的數(shù)量和質(zhì)量的要求，同時(shí)也要保證生產(chǎn)設(shè)備的安全性和經(jīng)濟(jì)性。因此，要求生產(chǎn)設(shè)備在規(guī)定的工況下運(yùn)行。但是生產(chǎn)過(guò)程在進(jìn)行的時(shí)候總是在許多因素的影響下，如果不加以操作和控制就不能保證生產(chǎn)過(guò)程的正常進(jìn)行。通常來(lái)講，液位控制的本質(zhì)是通過(guò)控制某一執(zhí)行機(jī)構(gòu)，進(jìn)而達(dá)到控制液面的效果。控制過(guò)程中被控對(duì)象的液位往往被選擇為主要被控參數(shù)，控制的目的就是使液位值能夠穩(wěn)定的保持在工業(yè)生產(chǎn)要求給定的范圍之內(nèi)。在很多行業(yè)生產(chǎn)運(yùn)行過(guò)程中，液位檢測(cè)都是非常重要的，如在電力企業(yè)安全生產(chǎn)中，汽包水位的正常就是鍋爐運(yùn)行的一個(gè)重要監(jiān)控參數(shù)，它間接反映了鍋爐蒸汽負(fù)荷與給水量之間的平衡關(guān)系，維持汽包水位的正常是保證鍋爐和汽輪機(jī)安全運(yùn)行的必要條件。在本課題中，以液位控制系統(tǒng)的水箱為研究對(duì)象，水箱的液位為被控制量。液位的時(shí)間常數(shù)T一般很大，有很大的容積遲延，如果采用常規(guī)單回路控制系統(tǒng)來(lái)控制，可能無(wú)法達(dá)到較好的控制質(zhì)量，所以有必要尋求更有效的方法對(duì)液位進(jìn)行控制，克服流量等對(duì)液位造成的干擾。為了改善其調(diào)節(jié)過(guò)程的動(dòng)態(tài)性能，我們采用串級(jí)控制，其副回路可以很快的消除作用于內(nèi)回路的擾動(dòng)。本文主要研究模糊控制這個(gè)先進(jìn)的控制方法在本課題中的應(yīng)用，以期達(dá)到良好的控制效果。論述了模糊控制理論、模糊控制器的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)。本文所設(shè)計(jì)出的模糊控制器用在液位控制系統(tǒng)中，并通過(guò)Matlab軟件進(jìn)行仿真，當(dāng)液位控制系統(tǒng)的模型參數(shù)變化時(shí)，系統(tǒng)能具有良好的控制效果。1.2 研究的意義和目的傳統(tǒng)的控制器參數(shù)的整定往往是由人工實(shí)現(xiàn)的，采用的一般是試驗(yàn)加試湊方法，這樣的整定過(guò)程不僅要以人類長(zhǎng)期工作積累的經(jīng)驗(yàn)和技巧為基礎(chǔ)，而且還需要耗費(fèi)大量的時(shí)間。除此之外，傳統(tǒng)的控制器是建立在精確的數(shù)學(xué)模型之上的，所以適應(yīng)能力較差。在控制過(guò)程中，如果被控對(duì)象的模型發(fā)生改變，那么控制器就必須隨之做出相應(yīng)的調(diào)整，甚至需要重新進(jìn)行整定。考慮到工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程的連續(xù)性和經(jīng)濟(jì)性，重新整定的工作實(shí)際很難進(jìn)行，甚至幾乎是不可能的。將模糊控制技術(shù)應(yīng)用于類似系統(tǒng)的控制中的理念就應(yīng)運(yùn)而生了。隨著近年來(lái)對(duì)模糊控制的重視度不斷提高，以及模糊控制思應(yīng)用于眾多領(lǐng)域中取得的良好效果，人們逐漸認(rèn)識(shí)到將模糊控制應(yīng)用到非線性系統(tǒng)中，憑借其適應(yīng)性強(qiáng)即魯棒性能優(yōu)越、控制過(guò)程無(wú)超調(diào)、動(dòng)態(tài)響應(yīng)迅速等特點(diǎn)，可以有效解決系統(tǒng)的非線性問(wèn)題。如在液位控制系統(tǒng)中，可以獲得很好的控制性能。因此在液位控制系統(tǒng)的控制器設(shè)計(jì)中采用模糊控制，在實(shí)際應(yīng)用中也取得了較好的效果。美國(guó)加州大學(xué)L.A.Zadeh博士于1965年發(fā)表了關(guān)于模糊集的論文，之后，模糊數(shù)學(xué)的飛速發(fā)展，促使了一種把人們長(zhǎng)期工作生產(chǎn)得到的經(jīng)驗(yàn)轉(zhuǎn)化為具有邏輯規(guī)則的語(yǔ)言，從而控制被控量的思想的誕生。這一思想為模糊控制理論的形成提供了堅(jiān)實(shí)的理論依據(jù)，非線性系統(tǒng)中模糊控制的應(yīng)用也成為克服非線性的一種重要手段。到目前為止，模糊控制已經(jīng)廣泛的應(yīng)用于各領(lǐng)域，并且取得了很好的成績(jī)。尤其是在工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域更是取得了長(zhǎng)足的發(fā)展，在家電行業(yè)模糊相機(jī)、模糊洗衣機(jī)、模糊冰箱等“模糊”產(chǎn)品的出現(xiàn)，可見(jiàn)一斑。模糊控制理念也得到了越來(lái)越多的工程技術(shù)人員的歡迎和認(rèn)可，究其原因，較常規(guī)的精確邏輯控制，模糊控制的工程運(yùn)用中具有以下特征： (1)控制系統(tǒng)的建立不要求被控對(duì)象具有精確數(shù)學(xué)模型，只需提供長(zhǎng)期生產(chǎn)過(guò)程中積累的經(jīng)驗(yàn)及數(shù)據(jù)。(2)魯棒性好。無(wú)論被控對(duì)象是線性的還是非線性的，都能進(jìn)行有效的控制，具有較強(qiáng)的適應(yīng)性。(3)以語(yǔ)言變量代替常規(guī)的數(shù)學(xué)變量，易于構(gòu)造形成專家權(quán)威的理念和知識(shí)。(4)容易被人們接受認(rèn)可。設(shè)計(jì)過(guò)程類似于人類思考的方式，以人類長(zhǎng)期工作生活獲得的經(jīng)驗(yàn)為依據(jù)，因而易被人們接受和理解。 (5)模糊邏輯沒(méi)有硬性的指標(biāo)要求，表現(xiàn)十分柔性。對(duì)于一個(gè)既定的系統(tǒng)，我們可以很容易的直接加以處理和研究，并不需要從起步開(kāi)始著手。這樣一來(lái)，與傳統(tǒng)成熟的控制理論與技術(shù)相結(jié)合就變的十分容易。仍需說(shuō)明的是，模糊控制系統(tǒng)的建立往往不需要將原有的傳統(tǒng)控制方法徹底刪除，而是僅僅在原有的控制策略上做簡(jiǎn)單的修改，便可以加以使用。1.3 模糊控制的研究現(xiàn)狀 盡管在眾多的生產(chǎn)實(shí)踐中，模糊控制理論憑借其自身的優(yōu)勢(shì)取得了巨大的進(jìn)步很發(fā)展，但是，相較于其他領(lǐng)域，模糊控制理論的發(fā)展依舊落后于其應(yīng)用的發(fā)展，成熟理論指導(dǎo)的缺失是限制模糊控制理論長(zhǎng)足發(fā)展的一個(gè)重要原因。模糊控制理論的研究與發(fā)展，首先需要?jiǎng)?chuàng)建一個(gè)工作結(jié)構(gòu)與框架，這樣做的目的就是為了通過(guò)研究模糊控制算法的演變推理過(guò)程，進(jìn)而了解模糊控制器的工作原理和實(shí)質(zhì)，并且憑借著這樣的原理和大量的實(shí)踐，尋求出模糊控制與常規(guī)的控制方法之間的異同之處與內(nèi)在關(guān)聯(lián)。這樣的構(gòu)建，具有深遠(yuǎn)的意義，它可以將已然成熟并應(yīng)用于實(shí)際的常規(guī)控制理論服務(wù)于模糊控制領(lǐng)域，彌補(bǔ)因理論缺失而裹足不前的模糊理論發(fā)展進(jìn)程，進(jìn)而為模糊控制理論的進(jìn)步和發(fā)展提供強(qiáng)大的動(dòng)力。除此之外，我們還可以利用成熟的常規(guī)控制理論去解析模糊控制器的內(nèi)在結(jié)構(gòu)與決策方法，更好地了解模糊控制器的工作原理，進(jìn)而方便工作人員更好地建立模型與編輯模糊邏輯規(guī)則。可以預(yù)見(jiàn)，這必將是推動(dòng)模糊控制發(fā)展的一條必經(jīng)之路。1.4 本課題的主要工作1.本文根據(jù)水箱液位過(guò)程的基本工作原理及其控制過(guò)程中的動(dòng)態(tài)特性，首先建立起被控對(duì)象（液位系統(tǒng)的水箱）的模型。2.針對(duì)水箱液位控制系統(tǒng)，制定出模糊控制隸屬度函數(shù)及模糊控制規(guī)則，設(shè)計(jì)出模糊控制器，確定調(diào)節(jié)器的參數(shù)。3.設(shè)計(jì)出水箱液位控制過(guò)程的仿真模型，根據(jù)模型對(duì)模糊控制液位控制系統(tǒng)進(jìn)行仿真研究。4.研究仿真過(guò)程中控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性，分析仿真結(jié)果，比較水箱模型改變后對(duì)系統(tǒng)性能的影響。5.對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行比較分析，說(shuō)明本課題設(shè)計(jì)的系統(tǒng)有利于改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)能，控制性能良好，是一種有效的控制方法。 第二章 液位控制系統(tǒng)及模型建立2.1 液位控制系統(tǒng)本課題中液位控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是針對(duì)雙容水箱的動(dòng)態(tài)過(guò)程控制。系統(tǒng)控制的主要目的是將下水箱的液位維持在正常生產(chǎn)過(guò)程給定的范圍之內(nèi)。系統(tǒng)的主要干擾源為隨機(jī)流入水箱的水使水箱液位波動(dòng)。若流入量過(guò)大，則超出水箱的警戒水位；若流入量不足，則液位下降，出于生產(chǎn)需求等方面的考慮，不能使水位低于某一臨界值。2.1.1 液位控制系統(tǒng)組成整個(gè)液位控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖2-1所示。圖2-1 液位控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)液位控制系統(tǒng)由上水箱、下水箱、儲(chǔ)水箱、液位變送器、控制器、電動(dòng)調(diào)節(jié)閥等結(jié)構(gòu)組成。電動(dòng)調(diào)節(jié)閥的開(kāi)度大小決定上水箱進(jìn)水量的多少，液位變送器用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)上、下水箱的液位，將監(jiān)測(cè)值送入控制器，促使控制作出判斷，進(jìn)而發(fā)出指令作用于控制閥，控制閥門開(kāi)度的大小。2.1.2 液位控制系統(tǒng)的控制目標(biāo)本課題中雙容水箱的液位值變化區(qū)間為H=0100mm，設(shè)計(jì)的目標(biāo)是通過(guò)設(shè)計(jì)正確的模糊控制器，能夠使雙容水箱過(guò)程中下水箱的液位值快速、準(zhǔn)確、穩(wěn)定地維持在要求的變化區(qū)間之內(nèi)，進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后液位的穩(wěn)態(tài)誤差不大于5mm，運(yùn)行過(guò)程中，當(dāng)系統(tǒng)有隨機(jī)的擾動(dòng)干擾時(shí)，被控量在控制器的作用下能夠快速做出響應(yīng)，進(jìn)而控制執(zhí)行器動(dòng)作，使被控量再次恢復(fù)到要求的范圍之內(nèi)。2.2 建立液位控制系統(tǒng)的水箱模型由于在后續(xù)的仿真過(guò)程中需要用到被控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型，所以本節(jié)旨在建立水箱液位控制的模型，以方便后續(xù)研究。液位控制系統(tǒng)中，控制器通過(guò)控制電動(dòng)調(diào)節(jié)閥的開(kāi)度進(jìn)而控制水箱的液位，電動(dòng)調(diào)節(jié)閥即為執(zhí)行機(jī)構(gòu)。本文采用機(jī)理建模的方法來(lái)獲得它的數(shù)學(xué)模型。2.2.1 雙容水箱被控對(duì)象的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型uQ2Q1Q3閥門3閥門1閥門2圖2-2 分離式雙容液位過(guò)程如圖2-2所示，分離式雙容液位過(guò)程由兩個(gè)管路分離的水箱串聯(lián)而成。它有兩個(gè)儲(chǔ)水容器，稱之為雙容過(guò)程。整個(gè)系統(tǒng)不斷有水流入，同時(shí)也不斷有水流出，水的流入量由電動(dòng)執(zhí)行器控制閥門1的開(kāi)度控制。系統(tǒng)流出量Q3根據(jù)生產(chǎn)的需求通過(guò)負(fù)載閥門3控制。為保證調(diào)節(jié)參數(shù)的要求，主調(diào)節(jié)器參數(shù)選取下水箱的液位值，上水箱的液位作為副調(diào)節(jié)參數(shù)，串接起來(lái)形成串級(jí)控制系統(tǒng)。與下水箱相連接的液位傳感器將檢測(cè)到的下水箱液位實(shí)時(shí)值與系統(tǒng)的給定值進(jìn)行比較分析后傳送到模糊控制器，經(jīng)模糊控制器的運(yùn)算后，其輸出值作為電動(dòng)控制閥的操作指令，進(jìn)而使調(diào)節(jié)閥做出相應(yīng)動(dòng)作，控制進(jìn)水量的大小，從而控制水箱的液位。忽略由于兩容器間管道的時(shí)間遲延以及容器的蒸發(fā)量，以閥門1的開(kāi)度u為過(guò)程輸入，以下水箱的液位高度為輸出，建立該過(guò)程的數(shù)學(xué)模型。 根據(jù)物料的動(dòng)態(tài)平衡關(guān)系，列出雙容過(guò)程的的增量方程 其中：。 其中：，以上各式中，、分別表示流過(guò)閥門1、2、3的流體流量；、分別表示水箱1、2的液位；、分別表示水箱1、2 的截面積；、分別表示閥門2、3的液阻；u為閥門1的開(kāi)度；為閥門1的流量比例系數(shù)。 消去中間變量、，取,得到式2-1。 （2-1）對(duì)上式進(jìn)行拉氏變換，可以得到閥門1的開(kāi)度變化與水箱2的液位變化之間的傳遞函數(shù)，得到： （2-2）式中，。式2-2中，各參數(shù)的求取方法如下：1.狀態(tài)方程的確定本設(shè)計(jì)采用雙容水箱液位控制系統(tǒng)，如圖2-2所示，設(shè)1號(hào)水箱輸入量為，輸出量為，同時(shí)作為2號(hào)水箱的輸入量，為2號(hào)水箱的輸出量。根據(jù)動(dòng)態(tài)物料平衡關(guān)系，單位時(shí)間內(nèi)進(jìn)入被控過(guò)程的物料減去單位時(shí)間內(nèi)從被控過(guò)程流出的物料等于被控過(guò)程內(nèi)物料存儲(chǔ)量的變化率可得函數(shù)關(guān)系： ， ， 所以得到狀態(tài)方程為： （2-3）2.水箱液容的確定液容定義為引起單位位能變化所需要的容器中存儲(chǔ)液體量的變化。容器的液容等于容器的橫截面積。圖2-3 1號(hào)水箱的平面圖1號(hào)水箱的液容的計(jì)算：圖2-4 2號(hào)水箱的平面圖2號(hào)水箱的液容計(jì)算：阻力板流量特性分析（液阻的求取）：阻力板的特點(diǎn)：水箱中的水波和渦流經(jīng)過(guò)隔板的多次削弱后，雙容過(guò)程中水流可近似認(rèn)為是流速平緩穩(wěn)定的紊流。因此為方便研究，我們對(duì)流經(jīng)線性阻力板的水流進(jìn)行以下四條近似處理：(1)采用微元原理。流經(jīng)線性阻力板的同一高度上任意一個(gè)微小的元的水流流動(dòng)速度相同，物理方向在同一直線上。 (2)水流流經(jīng)線性阻力板時(shí)，都在做垂直于阻力板平面的運(yùn)動(dòng)，無(wú)平行于該平面的運(yùn)動(dòng)。(3)阻力板后方的大氣壓強(qiáng)為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓。(4)忽略流經(jīng)線性阻力板水流自身的張力和粘滯力對(duì)測(cè)量的影響。線性阻力板的底部是一個(gè)寬為B，高為A的矩形孔，上部寬為X隨高度Z增加逐漸縮小的縫隙，滿足關(guān)系式：對(duì)給定最大流量為1.0 時(shí)，A=5mm，B=14.784mm 圖2-5 阻力板示意圖 圖2-6 線性阻力板流量特性由伯努利理想方程得到流經(jīng)線性阻力板的流量特性如式2-4所示： （2-4）由于,相對(duì)于很小，可以忽略，由上式得： （2-5）取經(jīng)過(guò)線性阻力板底面的直線作為橫坐標(biāo)（x軸），過(guò)阻力版底面中點(diǎn)豎直向上的直線為縱坐標(biāo)（z軸）。水箱中實(shí)際的液位值為H,把z作為積分變量，其變化范圍是0 , H。這樣一來(lái)，在液位范圍之內(nèi)的任意水箱液位高度下流經(jīng)阻力板的液體流量都可以用定積分元素法求得。詳細(xì)過(guò)程不再贅述。 根據(jù)定積分元素法求得： （2-6）由于上式前兩項(xiàng)非常小及,所以上式可簡(jiǎn)化為。考慮到實(shí)際的液體往往具有粘性，在液體的流動(dòng)過(guò)程中必將伴隨著能量的流失損耗，進(jìn)而導(dǎo)致實(shí)際的流量值小于理想值，將工程中修正系數(shù)引入后，上式就為： （2-7）其中，由實(shí)驗(yàn)測(cè)得。由式2-3和式2-7，整理后得：將相應(yīng)參數(shù)值代入，其中：，。帶入數(shù)值： 經(jīng)過(guò)拉普拉斯變換得到：則被控對(duì)象的傳遞函數(shù)為： （2-8）其中，。將傳遞函數(shù)分解后可得上水箱的傳遞函數(shù)為，下水箱傳遞函數(shù)為。通過(guò)上述分析，得到系統(tǒng)控制方框圖如圖2-7所示。圖2-7 雙容水箱液位控制雙容水箱模糊控制系統(tǒng)是一個(gè)單輸入單輸出的雙回路系統(tǒng)，其控制目的是保持水箱液位維持在生產(chǎn)要求規(guī)定的范圍內(nèi)，兩個(gè)調(diào)節(jié)器串聯(lián)起來(lái)協(xié)調(diào)工作，進(jìn)而來(lái)保持各參數(shù)的恒定。串級(jí)調(diào)節(jié)主要是來(lái)克服副環(huán)內(nèi)的擾動(dòng)，這些擾動(dòng)能在中間變量中反應(yīng)出來(lái)，很快的就被副調(diào)節(jié)器抵消了，與單回路系統(tǒng)相比，干擾對(duì)被調(diào)量的影響可以減少許多倍。2.2.2 水箱模型的過(guò)程辨識(shí)由上文可知，水箱模型的傳遞函數(shù)如式2-2所示，在過(guò)程輸入階躍信號(hào)u時(shí)，其階躍響應(yīng)曲線如圖2-8所示。變化量的時(shí)間響應(yīng)曲線呈現(xiàn)S型，而不是指數(shù)曲線。圖2-8 分離式雙容水箱液位控制過(guò)程階躍響應(yīng)曲線第三章 常規(guī)模糊控制器的設(shè)計(jì)模糊控制系統(tǒng)是一種自動(dòng)控制系統(tǒng)，它以模糊數(shù)學(xué)、模糊語(yǔ)言形式的知識(shí)表示和模糊邏輯的規(guī)則推理為理論基礎(chǔ)，采用計(jì)算機(jī)控制技術(shù)構(gòu)成的一種具有反饋通道的閉環(huán)結(jié)構(gòu)的數(shù)字控制系統(tǒng)。它的組成核心是具有智能性的模糊控制器，這也就是它與其它自動(dòng)控制系統(tǒng)的不同之處。因此，模糊控制系統(tǒng)無(wú)疑也是一種智能控制系統(tǒng)。模糊控制是一種適合于工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程和大系統(tǒng)的控制方法，特別是在非線性系統(tǒng)中，經(jīng)典控制理論和現(xiàn)代控制理論的控制效果不是很理想。但采用模糊控制卻能取的比較令人滿意的效果。3.1模糊控制的基本思想模糊控制的基本思想是用機(jī)器去模擬人對(duì)系統(tǒng)的控制。它是受這樣事實(shí)而啟發(fā)的：對(duì)于用傳統(tǒng)控制理論無(wú)法進(jìn)行分析和控制、復(fù)雜而無(wú)法建立數(shù)學(xué)模型的系統(tǒng)，有經(jīng)驗(yàn)的操作者或?qū)＜覅s能取得比較好的控制效果。這是因?yàn)樗麄儜{借日積月累的豐富經(jīng)驗(yàn)。因此人們希望把這種經(jīng)驗(yàn)指導(dǎo)下的行為過(guò)程總結(jié)成一些規(guī)則，并根據(jù)這些規(guī)則設(shè)計(jì)出控制器。由于人的經(jīng)驗(yàn)一般是用自然語(yǔ)言來(lái)描述的，因此，基于經(jīng)驗(yàn)的規(guī)則也只能是語(yǔ)言化的、模糊的。運(yùn)用模糊理論、模糊語(yǔ)言變量和模糊邏輯推理的知識(shí)，就可以把這些模糊的語(yǔ)言規(guī)則上升為數(shù)值運(yùn)算，從而能夠利用計(jì)算機(jī)來(lái)完成對(duì)這些規(guī)則的具體實(shí)現(xiàn)，達(dá)到以機(jī)器代替人對(duì)某些對(duì)象進(jìn)行自動(dòng)控制的目的。其基本結(jié)構(gòu)如圖3-1所示。圖3-1 模糊控制系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)圖3.2 模糊控制的基本原理模糊控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖3-1所示。它的核心部分為模糊控制器。通常模糊控制器包括四個(gè)部分：模糊化接口、知識(shí)庫(kù)、推理機(jī)和精確化(既反模糊化)。它們的作用說(shuō)明如下： 1.模糊化接口：測(cè)量輸入變量(設(shè)定輸入)和受控系統(tǒng)的輸出變量，并把它們映射到一個(gè)合適的響應(yīng)論域的量程，然后，精確的輸入數(shù)據(jù)被變成為適當(dāng)?shù)恼Z(yǔ)言值或模糊集合的標(biāo)識(shí)符，本部分可視為模糊集合的標(biāo)記。 2.知識(shí)庫(kù)：涉及應(yīng)用領(lǐng)域和控制日標(biāo)的相關(guān)知識(shí)，它由數(shù)據(jù)庫(kù)和語(yǔ)言控制規(guī)則庫(kù)組成，數(shù)據(jù)庫(kù)為語(yǔ)言控制規(guī)則的論域離散化和隸屬函數(shù)提供必要的定義，語(yǔ)言控制規(guī)則標(biāo)記控制目標(biāo)和領(lǐng)域?qū)＜业目刂撇呗浴?3.推理機(jī)：是模期控制系統(tǒng)的核心，以模糊概念為基礎(chǔ)，模糊控制信息可通過(guò)模糊蘊(yùn)涵和模糊邏輯的推理規(guī)則來(lái)獲取，并可實(shí)現(xiàn)擬人決策過(guò)程，根據(jù)模糊輸入和模糊控制規(guī)則，模糊推理求解模糊關(guān)系方程，獲得模糊輸出。4.精確化：起到模糊控制的推斷作用，并產(chǎn)生一個(gè)精確的或非模糊的控制作用，此精確控制作用必須進(jìn)行逆定標(biāo)(輸出定標(biāo))，這個(gè)作用是在對(duì)受控過(guò)程進(jìn)行控制之前通過(guò)量程變換來(lái)實(shí)現(xiàn)的。 在整個(gè)模糊控制系統(tǒng)中，其控制步驟為：計(jì)算機(jī)中斷采樣獲取被控制量的精確值，然后將此量與給定值比較得到誤差信號(hào)e。一般選取誤差e作為模糊控制器得一個(gè)輸入量。把誤差信號(hào)e的精確量進(jìn)行模糊化得到模糊量，誤差的模糊量可用相應(yīng)得模糊語(yǔ)言來(lái)表示。至此，得到了誤差e的模糊語(yǔ)言集合的一個(gè)子集E，再由E和模糊控制規(guī)則R(模糊關(guān)系)，根據(jù)推理的合成規(guī)則進(jìn)行模糊決策，得到模糊控制量U為: U=E*R (3-1)式中U為一個(gè)模糊量。為了對(duì)被控對(duì)象施加精確的控制，還需將模糊量U轉(zhuǎn)化為精確量，這一步在圖3-1中稱為非模糊化處理。得到了精確的數(shù)字控制量后，經(jīng)數(shù)模轉(zhuǎn)換為精確的模擬量送給執(zhí)行機(jī)構(gòu)，對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行控制。然后，不斷中斷對(duì)被控量進(jìn)行采集和控制，就實(shí)現(xiàn)了對(duì)被控對(duì)象的模糊控制。 3.3 模糊控制器的設(shè)計(jì)步驟 對(duì)于基本模糊控制器的設(shè)計(jì)與構(gòu)造，并沒(méi)有固定的方法，但一般來(lái)說(shuō)基本模糊邏輯控制器的設(shè)計(jì)過(guò)程可分為四個(gè)步驟：1.構(gòu)造模糊控制器結(jié)構(gòu)，根據(jù)采樣得到的系統(tǒng)輸出值，計(jì)算所選擇的系統(tǒng)的輸入變量。該步驟所完成的工作就是確定模糊控制器的輸入量和輸出量。 2.“模糊化”，即實(shí)現(xiàn)輸入量或輸出量精確量的模糊化，通過(guò)量化因子和比例因子將精確量變化的范圍(基本論域)模糊化成在模糊集論域范圍內(nèi)。我們可以把精確量用“正大”、“正中”、“負(fù)中”、“負(fù)大”等模糊語(yǔ)言來(lái)分成幾個(gè)檔。我們將這些檔的大小關(guān)系用模糊論域上的模糊子集來(lái)表示。而模糊子集的大小和隸屬函數(shù)有關(guān)。3.模糊控制表的運(yùn)算合成，有了前兩個(gè)步驟的工作，我們得到輸入量和輸出量的模糊數(shù)，結(jié)合操作經(jīng)驗(yàn)或數(shù)據(jù)，我們就可以將輸入量和控制量的模糊數(shù)安排到由一系列的“IF-THEN”控制規(guī)則組成的集合中，利用這些規(guī)則信息，采用極大極小值合成法或其他合成算法，我們就可以合成得到控制表。該控制表儲(chǔ)存于計(jì)算機(jī)中，供程序查詢輸出。4.查詢輸出和輸出量精確化，計(jì)算機(jī)控制程序通過(guò)查詢?cè)摽刂票恚纯梢哉业綄?duì)應(yīng)于某模糊數(shù)輸入量的控制量模糊數(shù)，再通過(guò)輸出量比例因子將模糊輸出控制量轉(zhuǎn)換成進(jìn)行控制量的精確化輸出，這實(shí)際上是在在輸出范圍內(nèi)，找到一個(gè)被認(rèn)為最具有代表性的、可直接驅(qū)動(dòng)控制裝置的確切的輸出控制值。3.3.1模糊控制器結(jié)構(gòu) 由于模糊控制器是模仿熟練操作人員的控制決策對(duì)工業(yè)過(guò)程進(jìn)行控制，而操作工人一般是靠觀測(cè)被控對(duì)象的輸出和輸出變化率或輸出變量和輸出變量的總和來(lái)設(shè)定控制量的大小的。因此，模糊控制器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)就是確定哪些變量作為模糊控制器的輸入和輸出，在單輸入單輸出系統(tǒng)中，受人類控制過(guò)程的啟發(fā)。一般可以設(shè)計(jì)成一維或二維模糊控制器，在極少的情況下才會(huì)設(shè)計(jì)成三維模糊控制器。1.一維模糊控制器 這是一種最為簡(jiǎn)單的模糊控制器，輸入量和輸出量都只有一個(gè)。以模糊E為模糊控制器的輸入，而以控制量u或控制量的變化u作為模糊控制器的輸出。如圖3-2所示：圖3-2 模糊控制結(jié)構(gòu) 這是最簡(jiǎn)單的一類模糊控制器，其控制規(guī)則也很簡(jiǎn)單，可用如下模糊條件語(yǔ)： ：if E is then U is (或者 is ) ：if E is then U is (或者 is )這里，和，均為輸入輸出論域上的模糊子集。這類模糊規(guī)則的模糊關(guān)系為:2.二維模糊控制器 這里的二維是指模糊控制器的輸入變量有兩個(gè)，控制器的輸出只有一個(gè)。這種控制器的模糊控制規(guī)則為: : if is and is then is : if is and is then is 這里，和，均為輸入輸出論域上的模糊子集。這類模糊控制規(guī)則的模糊關(guān)系為:由于模糊控制器的控制規(guī)則是根據(jù)工程人員的操作經(jīng)驗(yàn)而制定的，一般人對(duì)誤差最敏感，其次是誤差的變化率。所以模糊控制器的輸入變量也可以有兩個(gè)，即誤差E，誤差的變化率EC，輸出量一般選取控制量的變化。從理論上講，模糊控制器的維數(shù)越高，控制越精細(xì)。但是維數(shù)過(guò)高，模糊控制規(guī)則變得過(guò)于復(fù)雜，控制算法的實(shí)現(xiàn)相當(dāng)困難。在一般的模糊控制系統(tǒng)中，考慮到模糊控制器實(shí)現(xiàn)的簡(jiǎn)易性和快速性，通常采用二維模糊控制器結(jié)構(gòu)形式，這種控制器以誤差和誤差的變化率為輸入量，以控制量的變化為輸出變量。3.3.2模糊化3.3.2.1語(yǔ)言變量的選取根據(jù)人們的習(xí)慣，常將相比的同類事物分為“大”、“中”、“小”或“高”、“中”、“低”3個(gè)等級(jí)，故操作者對(duì)誤差及其變化率以及控制量的變化，也常采用類似概念。考慮變量的正負(fù)性，一般在設(shè)計(jì)模糊控制器時(shí)，人們對(duì)于誤差及其變化率以及控制量的變化等語(yǔ)言變量，常用“正大”(PB)、“正中”(PM)、“正小”(PS)、“零”(Z0)、“負(fù)小”(NS)、“負(fù)中”(NM)、和“負(fù)大”(NB)這7個(gè)語(yǔ)言變量來(lái)描述，選擇較多的詞匯描述輸入、輸出變量，可以使制定的控制規(guī)則方便，但是控制規(guī)則相應(yīng)變得復(fù)雜。選擇詞匯過(guò)少，使得描述變量變得粗糙，導(dǎo)致控制器的性能變壞。一般情況下，選擇上述七個(gè)詞匯，但也可以根據(jù)系統(tǒng)需要選擇三個(gè)或五個(gè)語(yǔ)言變量。 描述輸入、輸出變量的詞匯都具有模糊特性，可用模糊集合來(lái)表示。因此，模糊概念的確定性問(wèn)題就直接轉(zhuǎn)化為求取模糊集合隸屬函數(shù)的問(wèn)題。下文會(huì)有介紹。 3.3.2.2定義各模糊變量的模糊子集 定義一個(gè)模糊子集，實(shí)際上就是要確定模糊子集的隸屬函數(shù)。隸屬函數(shù)有時(shí)是以連續(xù)函數(shù)的形式出現(xiàn)，有時(shí)是以離散的量化等級(jí)形式出現(xiàn)。將確定的隸屬函數(shù)曲線離散化，得到了有限個(gè)點(diǎn)上的隸屬度，便構(gòu)成了一個(gè)相應(yīng)的模糊變量的模糊子集。常見(jiàn)的隸屬函數(shù)有以下兩種類型。 1.三角形型 這種隸屬函數(shù)的形狀和分布由三個(gè)參數(shù)表示，一般可描述為:由于它的形狀僅與直線的形狀有關(guān)，因此適合于有隸屬函數(shù)在線調(diào)整的自適應(yīng)模糊控制。2.高斯型 它用兩個(gè)參數(shù)來(lái)描述，一般可表述為： 這種函數(shù)的特點(diǎn)是連續(xù)且點(diǎn)點(diǎn)可求導(dǎo)，比較適合于自適應(yīng)、自學(xué)習(xí)模糊控制的隸屬函數(shù)。其中參數(shù)的大小直接影響隸屬函數(shù)曲線的形狀，而隸屬函數(shù)曲線的形狀不同會(huì)導(dǎo)致不同的控制特性。隸屬函數(shù)曲線形狀較尖的模糊子集其分辨率較高；相反，隸屬函數(shù)曲線形狀較緩，控制特性也較平緩，系統(tǒng)穩(wěn)定性較好。因此，在選擇模糊變量的模糊集的隸屬函數(shù)時(shí)，在誤差較大的區(qū)域采用低分辨率的模糊集，在誤差較小的區(qū)域采用較高分辨率的模糊集，當(dāng)誤差接近于零時(shí)，選用較高分辨率的模糊集。3.3.2.3精確量的模糊化 將精確量轉(zhuǎn)換為模糊量的過(guò)程稱為模糊化(fuzzification)，或稱為模糊量化。計(jì)算機(jī)計(jì)算的控制變量均為精確量，須經(jīng)過(guò)模糊量化處理，變?yōu)槟：浚员銓?shí)現(xiàn)模糊控制算法。模糊化一般采用如下兩種方法：表3-1 模糊子集的隸屬度-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.把精確量離散化。如把-6，+6之間連續(xù)變化的連續(xù)量分為七個(gè)檔次每一檔對(duì)應(yīng)一個(gè)模糊集，這樣處理使模糊化過(guò)程簡(jiǎn)單。否則，將每一精確量對(duì)應(yīng)一個(gè)模糊子集，使模糊化過(guò)程復(fù)雜化。如表3-1所示，在-6，+6區(qū)間變化的離散化了的精確量與表示模糊語(yǔ)言的模糊量建立了關(guān)系，這樣就可以將-6，+6之間的任意的精確量用模糊量Y來(lái)表示。 如果精確量X的實(shí)際變化范圍為a，b，將a，b區(qū)間的精確量轉(zhuǎn)換為-6 ,+6區(qū)間變化的變量y，采用如下公式： 由式計(jì)算的y值若不是整數(shù)，可以把它四舍五入為整數(shù)。2.第二種方法是將在某區(qū)間的精確量X模糊化成這樣的一個(gè)模糊子集，它在點(diǎn)X處隸屬度為l，除X點(diǎn)外其余各點(diǎn)的隸屬度均取0。3.3.3模糊控制表的運(yùn)算合成 3.3.3.1模糊控制規(guī)則 模糊控制控制規(guī)則的設(shè)計(jì)是設(shè)計(jì)模糊控制的關(guān)鍵，因此如可建立模糊控制規(guī)則是一個(gè)十分關(guān)鍵的問(wèn)題。模糊控制規(guī)則的建立實(shí)際一般有以下兩種方法。1.經(jīng)驗(yàn)歸納法 所謂經(jīng)驗(yàn)歸納法，就是根據(jù)人的控制經(jīng)驗(yàn)和直覺(jué)推理，經(jīng)整理、加工提煉后構(gòu)成模糊規(guī)則系統(tǒng)的方法。模糊控制的控制規(guī)則是基于手動(dòng)控制策略，而手動(dòng)控制策略又是人們通過(guò)學(xué)習(xí)、試驗(yàn)以及長(zhǎng)期經(jīng)驗(yàn)積累而逐漸形成的，存儲(chǔ)在操作者頭腦中的一種技術(shù)知識(shí)集合。手動(dòng)控制過(guò)程一般是通過(guò)對(duì)被控對(duì)象的一些觀測(cè)，操作者再根據(jù)已有的經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)知識(shí)，進(jìn)行綜合分析并做出控制決策，調(diào)整加到被控對(duì)象的控制作用，從而使系統(tǒng)達(dá)到預(yù)期的目標(biāo)。手動(dòng)控制的作用同自動(dòng)控制系統(tǒng)中的控制器的作用是基本相同的，所不同的是手動(dòng)控制決策是基于操作系統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)知識(shí)，而控制器的控制決策是基于某種控制算法的數(shù)值運(yùn)算。利用模糊集合理論和語(yǔ)言變量的概念，可以把利用語(yǔ)言歸納的手動(dòng)控制策略上升為數(shù)值運(yùn)算，于是可以采用微計(jì)算機(jī)完成這個(gè)任務(wù)以代替人的手動(dòng)控制，實(shí)現(xiàn)模糊自動(dòng)控制。模糊控制器控制規(guī)則的設(shè)計(jì)原則是：當(dāng)誤差較大時(shí)，控制量的變化應(yīng)盡力使誤差迅速減少；當(dāng)誤差較小時(shí)，除了要消除誤差外，還要考慮系統(tǒng)的穩(wěn)定性，防止系統(tǒng)產(chǎn)生不必要的超調(diào)，甚至振蕩。2.推理合成法推理合成法是建立模糊規(guī)則的另一種較為常用的方法。其主要思想是根據(jù)己有的輸入輸出數(shù)據(jù)對(duì)，通過(guò)模糊推理合成求取被控系統(tǒng)的模糊控制規(guī)則。3.3.3.2模糊推理推理是根據(jù)已有的命題按照一定的法則，去推斷出一個(gè)新的命題的思維方式。形式邏輯對(duì)于人類社會(huì)的發(fā)展起了很大的作用，但對(duì)于模糊性問(wèn)題，形式邏輯和數(shù)理邏輯都沒(méi)有辦法解決。解決推理性問(wèn)題需要用模糊推理方法。模糊推理是以模糊條件為基礎(chǔ)的，它是模糊決策的前提條件，更是模糊控制規(guī)則生成的根據(jù)。模糊推理在模糊控制和綜合評(píng)判等方面極為重要。對(duì)于兩輸入輸出的模糊控制器。設(shè)已經(jīng)建立的模糊控制規(guī)則為: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 ；設(shè)已知模糊控制器的輸入量為：E是，和EC是，則根據(jù)模糊控制規(guī)則進(jìn)行近似推理，可以得出輸出的模糊量U(用模糊集合表示)為： 其中包括了三種主要的模糊邏輯運(yùn)算：and運(yùn)算，合成運(yùn)算“。”，蘊(yùn)涵運(yùn)算“_”。And運(yùn)算通常采用求交(取小)或求積(代數(shù)積)的方法；合成運(yùn)算“。”通常采用最大最小或最大積(代數(shù)積)的方法；蘊(yùn)含運(yùn)算通常采用求交(Rc) 或求積(Rp)的方法。 3.3.3.3清晰化 模糊推理得到的結(jié)果是模糊值，不能直接用于控制被控對(duì)象，需要先轉(zhuǎn)化成一個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)可以執(zhí)行的精確量，此過(guò)程稱為清晰化過(guò)程，或稱為模糊判決，它可以看作模糊空間到清晰空間的一種映射。目前常用的解模糊方法有三種：1.最大隸屬度法 這種方法非常簡(jiǎn)單，直接選擇模糊子集中隸屬度最大的元素(或該模糊子集隸屬度最大處的真值)作為控制量。例如，已知控制量的模糊子集合為： 顯然，隸屬度最大的元素為1，因此選取1為輸出控制量，如果有兩個(gè)以上的元素均為最大，則可取它們的平均值。最大隸屬度法能夠突出主要信息，而且計(jì)算簡(jiǎn)單，但很多次要信息都被丟失了，顯得比較粗糙。2.中位數(shù)法 論域u上把隸屬函數(shù)曲線與橫坐標(biāo)圍成的面積平分為兩部分的元素z稱為模糊集的中位數(shù)。中位數(shù)法就是把模糊集中位數(shù)作為系統(tǒng)控制量。當(dāng)論域?yàn)橛邢揠x散點(diǎn)時(shí)，z可用下列公式求取：3.加權(quán)平均法 加權(quán)平均法是模糊控制系統(tǒng)中應(yīng)用較為廣泛的一種判決方法。 其計(jì)算公式如下：3.3.4論域、量化因子、比例因子的選擇 1.論域及基本論域 把模糊控制器的輸入變量誤差、誤差變化的實(shí)際范圍稱為這些變量的基本論域。顯然基本論域內(nèi)的量為精確量。設(shè)定誤差的基本論域?yàn)?Emax，Emax ，誤差變化的基本論域?yàn)?ECmax，ECmax，被控對(duì)象實(shí)際所要求的控制量的變化范圍為-Umax，Umax，稱為模糊控制器輸出變量的基本論域。控制量的基本論域內(nèi)的量也是精確量。 設(shè)誤差變量所取的模糊子集的論域?yàn)椋?誤差變化率所取的模糊子集的論域?yàn)椋?控制量所取的模糊子集的論域?yàn)椋?一般來(lái)說(shuō)，論域的量化等級(jí)越細(xì)，控制精度越高。2量化因子和比例因子 當(dāng)由計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)模糊控制算法進(jìn)行模糊控制時(shí)，每次采樣得到的被控制量須經(jīng)計(jì)算機(jī)計(jì)算，便得到模糊控制器的輸入變量(誤差及誤差變化率)，為了進(jìn)行模糊化處理，必須將輸入變量從基本論域轉(zhuǎn)換到相應(yīng)的模糊集論域，這中間須將輸入交量乘以相應(yīng)的因子，從而引出量化因子的概念。量化因子一般用K表示，誤差的量化因子Ke及誤差變化的量化因子Kec分別由下面兩個(gè)公式來(lái)確定，即:每次采樣經(jīng)模糊控制算法給出的控制量(精確量)，還不能直接控制對(duì)象，還必須將其轉(zhuǎn)換到為控制對(duì)象所能接受的基本論域中去。輸出量的比例因子由下式確定，即:由于控制量的基本論域?yàn)橐贿B續(xù)的實(shí)數(shù)域，所以，從控制量的模糊集論域到基本論域的變換，可以利用上式計(jì)算，即:式中為控制量模糊集論域中的任一元素或?yàn)榭刂屏康哪：袥Q得到的確切控制量,為控制量基本論域中的一個(gè)精確量，為比例因子。3.4模糊液位控制器的設(shè)計(jì) 在此液位控制系統(tǒng)中，我們選擇模糊控制器為二維模糊控制器，即雙輸入單輸出的模糊控制器。其中輸入為液位誤差e和液位誤差變化率ec，輸出信號(hào)為控制閥的開(kāi)度u，模糊液位控系統(tǒng)原理圖如圖3-3所示。圖3-3 模糊串級(jí)液位控制系統(tǒng)原理圖3.4.1精確量的模糊化 1.基本論域與模糊論域 設(shè)液位誤差e，誤差變化ec，控制閥的開(kāi)度變化du的基本論域分別為-emax，emax、-ecmax，ecmax、-dumax，dumax基本論域里的量都是精確量。分別將液位誤差e模糊化為E，誤差變化率ec模糊化為EC，將控制閥的開(kāi)度變化du模糊化為 DU，取E、EC、DU的模糊集合的論域均為：-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3， 4，5，6。2.量化因子和比例因子 為了對(duì)輸入量進(jìn)行模糊化處理，必須將輸入變量從基本論域轉(zhuǎn)化到對(duì)應(yīng)的語(yǔ)言變量模糊集的論域，需要通過(guò)量化因子進(jìn)行論域轉(zhuǎn)換。誤差和誤差變化的量化因子分別為Ke，Kec,將誤差量e乘Ke，誤差變化率ec乘Kec。可以把誤差和誤差變化率從基本論域轉(zhuǎn)化到模糊集的論域。設(shè)量化因子K的基本論域a，b和模糊集的論域c，d，則其對(duì)應(yīng)關(guān)系為K=(d-c)(b-a)。故，。 在確定了量化因子Ke、Kec后，計(jì)算機(jī)采樣得到的誤差為基本論域的一個(gè)精確值，設(shè)為e(n)，對(duì)其量化，找到其論域內(nèi)的元素與之對(duì)應(yīng)。將基本論域上e(n)變換成模糊集的論域上的E(n)。其量化如表3-2所示。經(jīng)模糊控制規(guī)則計(jì)算后的得到的控制量，為控制量語(yǔ)言變量論域中的值，還不能直接去控制對(duì)象，必須將其轉(zhuǎn)化為控制量基本論域中的值。選擇控制量的比例因子。表3-2 E、EC、DU量化表量化等級(jí)-6-5-4-3-2-10123456變化范圍-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定義模糊控制器的模糊集合及其隸屬度函數(shù)表 對(duì)誤差，誤差變化率，控制量的變化，選取誤差、誤差變化率、控制量的變化的模糊集合為NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB。 圖3-4 E、EC、DU隸屬度函數(shù)圖誤差、誤差變化率、控制量的變化的隸屬度函數(shù)形狀均采用三角形，經(jīng)過(guò)試驗(yàn)調(diào)試，最終選取的隸屬度函數(shù)圖如圖3-4。將圖3-4根據(jù)E，EC，DU量化表3-2將誤差、誤差變化率、控制量的變化量，量化后的隸屬度函數(shù)表如表3-3所示。3.4.3建立模糊液位控制器的模糊控制規(guī)則表 模糊控制量的選取遵循如下原則：當(dāng)誤差大或者較大時(shí)，模糊控制量的增量的選擇應(yīng)以消除誤差為主；當(dāng)誤差較小時(shí)，模糊控制量的增量的選擇應(yīng)以系統(tǒng)的穩(wěn)定性為主，防止系統(tǒng)超調(diào)。根據(jù)工程技術(shù)人員的調(diào)節(jié)經(jīng)驗(yàn)和仿真調(diào)試，建立模糊控制器的控制規(guī)則表如表3-4示。 表3-3 E、EC、DU的隸書(shū)度函數(shù)表X-6-5-4-3-2-10123456NB10.750.50.25000000000NM00.510.750.50.250000000NS00.250.50.7510.750.50.2500000ZO0000.250.50.7510.750.50.25000PS000000.250.50.7510.750.50.250PM00000000.250.50.7510.50PB0000000000.250.50.751表3-4 DU的模糊控制規(guī)則表 ECENBNMNSZEPSPMPBNBNBNBNMNMNSNSZONMNBNMNMNMNSZOPSNSNBNMNSNSZONMNMZENMNSNSZOPSNMNMPSNMNSZOPSPSPMPBPMNSZOPMPMPMPMPBPBZOPSPSPMPMPBPB3.4.4計(jì)算模糊液位控制器的模糊控制表 根據(jù)模糊控制規(guī)則表，應(yīng)用模糊推理合成規(guī)則，計(jì)算出模糊控制表，其中模糊推理合成采用最大-最小合成法，清晰化采用加權(quán)平均法。經(jīng)過(guò)計(jì)算得到的模糊控制決策表。如表3-5所示。表中第一行為EC的模糊集合值，第一列為E的模糊集合值。表3-5 DU的模糊控制決策表ECE-6-5-4-3-2-10123456-6-4.7-4.6-4.7-4.6-4.7-3.7-3.5-2.7-2.4-2.2-1.9-1.50-5-4.0-3.1-3.1-3.1-3.1-2.7-2.6-1.2-1.0-1.1-0.40.11.5-4-3.8-3.1-2.7-2.6-2.7-2.5-2.2-0.8-0.3-0.200.41.8-3-3.6-3.1-2.6-2.3-2.3-2.3-2.0-0.6