東北大學研究生考試試卷評分評分考試科目：智能控制理論及應用論文題目:水箱水位模糊控制系統實例與仿真閱卷人:考試日期:2014.12.02姓名：學號：注意事項1．考前研究生將上述項目填寫清楚2．字跡要清楚,保持卷面清潔3．交卷時請將本試卷和題簽一起上交東北大學研究生院水箱水位模糊控制系統實例與仿真摘要水位控制系統在各個領域上都有廣泛應用，雖然其結構簡單但由于控制過程具有多變量，大滯后,時變性等特點，且在控制過程中系統會受到各種不確定因素的影響，難于建立精確的數學模型.雖然自適應、自校正控制理論可以對缺乏數學模型的被控對象進行識別，但這種遞推法復雜，實時性差。近年來模糊控制在許多控制應用中都取得了成功,模糊控制應用于控制系統設計不需要知道被控對象精確的數學模型,對于許多無法建立精確數學模型的復雜系統能獲得較好的控制效果，同時又能簡化系統的設計，因此，在水箱水位自動控制系統中，模糊控制就成為較好的選擇。本文主要論述了應用模糊控制理論控制水箱水位系統,首先詳盡的介紹了模糊控制理論的相關知識，在此根底上提出了用模糊理論實現對水箱水位進行控制的方案,建立了簡單的基于水箱水位的模糊控制器數學模型。本試驗系統還充分利用了MATLAB的模糊邏輯工具箱和SIMULINK相結合的功能，首先在模糊邏輯工具箱中建立模糊推理系統FIS作為參數傳遞給模糊控制仿真模塊，然后結合圖形化的仿真和建模工具,再通過計算機仿真模擬出實際系統運行情況。通過試驗模擬，證明了其可行性。關鍵詞：水位控制；模糊控制；MATLAB；SimulinkArtificialmodelingoffuzzycontrolsystemofwaterlevelofthewatertankAbstractWaterlevelcontrolsystemateachfielditapplicationnotextensive,thoughitofsimplestructurehavequantity，heavytolagbehindnotchangeableofcontrolcourseofit,whencharacteristicchanging,itwillbeinfluencedbyvariouskindsofuncertainfactorsandusuallysystematicinthecourseofcontrolling,soitisdifficulttosetupaccuratemathematicsmodel.Thoughself—adaptation,correctcontroltheorycantolackmathematicsmodelaccuseoftarget'sdiscerningbyoneself,butthiskindofmethodiscomplicated,real-timecharacterisbad。Inrecentyearsfuzzycontrolincontrolofusingachievingsuccess，fuzzycontrolsystemisitaccuseoftargetaccuratemathematicsmodeltoknowtoneedtodesigntocontrol,canwinthebettercontrolresulttoalotofunablecomplicatedsystemswhichsetuptheaccuratemathematicsmodel，itisatthesametimeforitcannotreducedsystemdesign，so，onwatertanklevelcontrolautomaticsystem，controlfuzzilyandbecomebetterchoice。Thistexthasexpoundedthefactmainlythatusesthefuzzycontroltheorytocontrolthewaterlevelsystemofwatertank,exhaustiveintroductionfuzzyrelevantknowledgeofcontroltheory，isitisitgoonschemethatcontrolwithfuzzytheorytowatertankwaterleveltorealizetoputforwardonthisbasisatfirst,setupasimpleonebasedonwaterlevelofthewatertanktoherdhouseholdsofcontrollermathematicsmodel。ThispilotsystemhasalsofullyutilizedthefunctionthatthefuzzylogictoolboxofMATLABcombineswithSIMULINK,isitsetupfuzzyreasoningsystematicFISisitgiveasparameterfuzzytocontroltheartificialmoduletotransmittobuildamongfuzzylogictoolboxatfirst，combineemulationandmodelingtooloffigure,produceactualsystemrunningsituationthroughcomputerartificialsimulationandthen。Throughsimulationhaveproveditsfeasibility。Keywords：Waterlevelcontrol;fuzzycontrol;MATLAB；Simulink目錄TOC\o〞1—3"\h\z\uHYPERLINK\l〞_Toc106447832〞1前言 11。1水箱水位系統概述 1HYPERLINK\l〞_Toc106447836〞1。2模糊控制理論運用于水箱水位系統控制的意義 1_Toc106447839"2模糊控制系統介紹 3HYPERLINK\l〞_Toc106447844〞2.1模糊控制系統結構 3HYPERLINK\l〞_Toc106447848〞3水箱水位模糊控制系統的描述 5HYPERLINK\l〞_Toc106447849"3。1輸入輸出語言變量語言值的選取及其賦值表 5HYPERLINK\l〞_Toc106447850"3.2控制規則描述 6HYPERLINK\l〞_Toc106447851"3.3水位控制模糊關系矩陣 6HYPERLINK\l〞_Toc106447853"3。4模糊推理 83。4.1輸入量模糊化 8HYPERLINK\l〞_Toc106447855"3.4.2模糊推理 93。6水位模糊控制查詢表 104利用MATLAB對水箱水位系統進行仿真 11HYPERLINK\l〞_Toc106447860〞4.1水箱水位模糊推理系統〔FIS〕的建立 11HYPERLINK\l〞_Toc106447861〞4。2對SIMULINK模型控制系統的構建 15HYPERLINK\l〞_Toc106447862〞4。3進行Simulink模型仿真 17_Toc106447865"參考文獻 20水箱水位模糊控制系統實例與仿真1前言1.1水箱水位系統概述目前,模糊理論及其應用愈來愈受到人們的歡送,在學術界也受到不同專業研究工作者的重視，在化工、機械、冶金、工業爐窯、水處理、食品生產等多個領域中發揮著重要的作用。究其原因,主要在于模糊邏輯本身提供了一種基于專家知識〔或稱為規則〕甚至語義描述的不確定性推理方法.控制系統的設計不要求知道被控對象的精確數學模型，只需要提供專家或現場操作人員的經驗知識及操作數據，因而對于許多無法建立精確數學模型的復雜系統能獲得較好的控制效果，同時又能簡化系統硬件電路的設計。充分顯示了其對大規模系統、多目標系統、非線性系統以及具有結構不確定性的系統進行有效控制的能力。我國模糊控制理論及其應用方面的研究工作是從1979年李寶綬，劉志俊等對模糊控制器性能的連續數字仿真研究開始的,大多數是在著名的高等院校和研究所中進行理論研究,如對模糊控制系統的結構、模糊推理算法、模糊語言和模糊文法、自學習或自組織模糊控制器，以及模糊控制穩定性問題等的研究，而其成果主要集中應用于工業爐窯、機床及造紙機等的控制。近年來,模糊控制已滲透到家用電器領域.國內外現在已有模糊電飯煲、模糊洗衣機、模糊微波爐、模糊空調機等在市場上出現.在能源、化工等多個領域中普遍存在著各類液位控制系統液。各種控制方式在液位控制系統中也層出不窮，如較常用的浮子式、磁電式和接近開關式。而隨著我國工業自動化程度的提高，規模的擴大，在工程中液位控制的計算機控制得到越來越多的應用。液位控制系統的檢測及計算機控制已成為工業生產自動化的一個重要方面。經典控制理論和現代控制理論的控制效果很大一局部取決于描述被控過程精確模型的好壞，這使得基于精確數學模型的常規控制器難以取得理想的控制效果。但是一些熟練的操作工人、領域專家卻可以得心應手的進行手工控制。因此基于知識規則的模糊控控制理論在其應用中就有了理論和現實意義。1。2模糊控制理論運用于水箱水位系統控制的意義采用傳統的控制方法對鍋爐實施控制時存在以下一些難以克服的困難：在一些應用中系統存在嚴重耦合，如在密封容器中水與氣體的耦合。由環境溫度的不斷變化給系統帶來的不確定性。對于多級復雜的水箱水位控制系統存在時間滯后，包括測量帶滯后、過程延遲和傳輸時滯等。在一些工作環境惡劣的條件下,在測量信號中存在大量噪聲。一些工作環境經常變化和應用廣泛的設備的水位控制系統其運行參數的設定值需要經常變化。模糊控制理論以其非線性控制、高穩定性、較好的“魯棒性〞、對過程參數改變不靈敏、參數自調整功能等眾多經典ＰＩＤ控制所不具備的特點能很好的克服以上所列的困難。1.3本文的主要任務本文以水箱水位控制系統為研究對象，本文主要是探討模糊控制理論的一種典型應用，進行仿真建模生成軟件模型進行仿真調試，以期到達掌握參數，控制精度，動態特性等指標的比擬結果的目的。根據這些任務，本文主要進行了以下幾個方面的工作:對模糊理論相關知識進行理論學習。結合一級水箱水位系統進行模糊控制器的設計利用MATLAB/SIMULINK軟件對水箱水位系統進行仿真,進行調試。對本文的工作進行總結，得出結論并對本文涉及的內容作出進一步的展望.2模糊控制系統介紹2。1模糊控制系統的結構模糊控制系統的結構如圖2—1所示。圖2—1模糊控制系統結構從圖中可以看出,模糊控制系統由給定輸入、模糊控制器、控制對象、檢測變送裝置、反應信號與給定輸入的相加環節等組成.這種系統結構和一般的模擬或數字控制系統并沒有太大的區別。模糊控制系統只是用模糊控制器取代模擬或數字控制系統中的控制器。模擬控制器是一種連續型的控制器，數字控制器是一種離散型的控制器。從理論上講,模糊控制器應是連續型的控制器,但在工程上實現模糊控制主要采用數字計算機，故在實際應用時模糊控制器又是一種離散型控制器.很明顯，模糊控制器是模糊控制系統和其它控制系統區別最大的環節。模糊控制器由于是采用數字計算機實現的，因此它具有以下重要的功能：·把系統的偏差從數字量轉化為模糊量;·對模糊量進行一定的給出規則進行推理；·把推理的結果從模糊量轉化為可用于實際控制的數字量。模糊控制器的根本結構如圖2—2所示：圖2—2模糊控制器的根本結構圖中列出了幾種維數(即輸入量個數〕不同的單輸入單輸出(SISO〕模糊控制器。一般情況下，一維模糊控制器用于一階被控對象。由于這種控制器輸人變量只選一個誤差,它的動態性能不佳。從理論上講，模糊控制器的維數越高，控制越精細.但是維數過高，模糊控制規則變得過于復雜。控制算法的實現相當困難.所以，目前被廣泛采用的均為二維模糊控制器，這種控制器以誤差和誤差的變化為輸人變量，以控制量的變化為輸出變量.其它復雜的模糊控制器通常都是在圖2—5〔b〕的根底上改良或加上其它環節組成的。這些改良后的模糊控制器可以分為以下五類：PID模糊控制器、·變結構模糊控制器、復合型模糊控制器、·自校正模糊控制器、神經網絡自學習的模糊控制器以PID模糊控制器為例。PID模糊控制器，這種結構是在上世紀80年代中期人們提出來的.由于簡單模糊控制器中缺少積分功能,從而導致系統的精度受到一定限制,為了克服模糊控制器的控制靜態誤差，故把積分功能引入模糊控制器中。PID模糊控制器的思想是把PID控制器的有關參數進行模糊化,從而組成一個模糊控制器。對于一般的PID控制器,用數學公式表示如下:〔2-22〕其中、、分別為比例、積分和微分系數；e為系統的給定值與輸出量的偏差；y為PID控制器的輸出。式〔2—22〕左邊三項分別表示比例、積分和微分作用，式(2—22)也可以寫成如下形式：(2—23)其中，d=de/dt.將式(2—23〕中的y、e、d進行模糊化,就得到模糊量Y、E、D，則控制規律表示為：〔2-24〕可見，式(2-24)是一個模糊方程，而它又反映了PID的特性。因此，用這種方法得到的模糊控制器就是PID模糊控制器。其結構框圖如圖2—3所示：圖2-3模糊PID控制器結構框圖在具體實現時，根據對控制對象不同的控制要求，模糊PID控制又有模糊自整定PID參數控制器和模糊在線自校正PID參數控制器〔模糊自適應PID〕等多種方案。3水箱水位模糊控制系統的描述本章利用模糊數學工具及模糊控制理論知識，建立一個水箱水位模糊控制器，水位模糊控制器可以設計為二維控制器，即輸入量是水位誤差和誤差變化率,輸出量是閥門控制，即單輸入--單輸出統,較復雜的二維系統將在下一章里利用MUTLAB軟件構建，并仿真.圖3—1為水位模糊控制系統的根本結構。MM模糊控制器反應壓力傳感器控制量設定圖3-1水位模糊控制系統3.1輸入輸出語言變量語言值的選取及其賦值表我們選取誤差語言變量、控制語言變量的語言值為5個，即{PL，PS,O，NS，NL｝.設誤差、控制量語言變量的論域分別為X、Y,量化等級都為9個。有X=Y=｛—4，-3,—2，-1,0，1，2,3，4｝圖3-2給出了輸入、輸出語言變量的隸屬函數.表3-1給出了語言變量的賦值表-5-4-3-2-1012345-5-4-3-2-10123451μNL(x)μNL(y)μNS(x)μNS(y)μO(x)μO(y)μPS(x)μPS(y)μPL(x)μPL(y)圖3-2輸入、輸出語言變量的隸屬函數圖量化等級隸屬度語言值—4—3—2-101234PLPSONSNL000010000.50.500010000。50。500010000。50。500010000.50。500010000表3—1輸入輸出語言變量賦值表3。2控制規則描述總結人的控制水位策略,設計水位控制器包括5條規則如下：R1：ifE=NLthenU=PLR2:ifE=NSthenU=PSR3:ifE=OthenU=OR4:ifE=PSthenU=NSR5：ifE=PLthenU=NL3.3水位控制模糊關系矩陣首先，求每條規則所描述的模糊關系Ri，然后，再求描述水位控制系統的總的模糊控制關系R，即.3。4模糊推理3.4.1輸入量模糊化假設實際水位誤差量化后等級分別為—4、-3、—2、-1、0、1、2、3、4，然后對這些量化等級進行模糊化。規定等級-4、-2、0、2、4模糊化后的模糊集合分別為：NL、NS、O、PS、PL。而-3屬于模糊集合NL、NS的隸屬度都等于0.5，-1屬于模糊集合NS、O的隸屬度也等于0。5，1屬于模糊集合O、PS的隸屬度都等于0.5,3屬于模糊集合PS、PL的隸屬度也等于0。5。因此:〔1〕當輸入誤差量化等級為—3時，其輸出控制量的模糊集合相應于輸出論域元素的隸屬度，應為當輸入為NL、NS〔或量化等級為-4、-2〕時輸出控制量集合相應于輸出論域元素的隸屬度和的一半。或者認為：當輸入誤差量化等級為—3時，其輸出控制量的精確值,為當輸入為NL、NS〔或量化等級為-4、-2〕時輸出控制量精確值的一半.〔2〕當輸入誤差量化等級為—1時，其輸出控制量的模糊集合相應于輸出論域元素的隸屬度，應為當輸入為NS、O〔或量化等級為—2、0〕時輸出控制量集合相應于輸出論域元素的隸屬度和的一半。或者認為：當輸入誤差量化等級為-1時，其輸出控制量的精確值，為當輸入為NS、O〔或量化等級為-2、0)時輸出控制量精確值的一半。〔3〕當輸入誤差量化等級為1時，其輸出控制量的模糊集合相應于輸出論域元素的隸屬度，應為當輸入為O、PS〔或量化等級為0、2〕時輸出控制量集合相應于輸出論域元素的隸屬度和的一半。或者認為：當輸入誤差量化等級為-3時,其輸出控制量的精確值,為當輸入為O、PS(或量化等級為0、2〕時輸出控制量精確值的一半。〔4〕當輸入誤差量化等級為3時，其輸出控制量的模糊集合相應于輸出論域元素的隸屬度,應為當輸入為PS、PL(或量化等級為2、—4)時輸出控制量集合相應于輸出論域元素的隸屬度和的一半。或者認為:當輸入誤差量化等級為-3時,其輸出控制量的精確值，為當輸入為PS、PL〔或量化等級為2、4〕時輸出控制量精確值的一半。3.4。2模糊推理對上述量化等級—4、-3、-2、—1、0、1、2、3、4模糊化后對應的模糊集合，分別進行模糊推理，得到的輸出模糊集合分別為U1、U2、U3、U4、U5、U6、U7、U8、U9。計算如下3.5模糊判決對上述輸出模糊集合U1、U2、U3、U4、U5、U6、U7、U8、U9進行模糊判決，得到控制量的精確值，乘以比例因子才能施加給被控對象。這里采用最大隸屬度法分別對輸出模糊集合U1、U2、U3、U4、U5、U6、U7、U8、U9進行模糊判決.由于U2、U4、U6、U8中各有兩個論域元素的隸屬度最大且相等，所以對它們取最大隸屬度對應元素的平均值作為判決結果。對所有輸出模糊集合判決結果如下:u1=4、u2=3、u3=2、u4=1、u5=0、u6=—1、u7=-2、u8=—3、u9=—43。6水位模糊控制查詢表將上述模糊控制器輸入量化等級與其輸出精確值相對應,得到下面的模糊控制查詢表〔表3—2〕:e(xi〕-4—3-2—101234u〔zk)43210—1-2—3-4表3—2水位模糊控制查詢表4利用MATLAB對水箱水位系統進行仿真在這章里我們要用MALAB軟件來對水箱水位模糊控制系統進行仿真建模試驗，根本分為三步，第一步利用此軟件所提供的模糊邏輯工具箱建立水箱水位模糊控推理系統，第二步利用Smulink工具箱對此系統進行設計與仿真，第三部對傳統的PID控制與模糊控制進行比擬。4。1水箱水位模糊推理系統〔FIS〕的建立水箱水位控制，如圖4-1圖4—1水箱水位控制通過控制進水閥使得水箱水位保持在一定水平上。我們通常取水位誤差e和誤差變化率ec作為模糊控制器的輸入變量。其中：e=r—y〔誤差=設定值-測量值〕。選取誤差e的論域范圍為：［—1，1],三個語言變量為:negative，zero,positive,他們的隸屬度函數均取guassmf〔高斯曲線)；水位變化率ec的論域為：［—0.1，0.1],三個語言變量值為：ngative,zero,positive，他們的隸屬度寒暑也取gaussmf。確定輸出變量只有一個名字為u，5個語言變量值分別為closefast，closeslow，ochange,openslow,penfast隸屬度函數選為trimf(三角形曲線〕。我們在此只需輸入自定的隸屬函數，至于模糊推理，查詢表，解模糊等fis系統會自己生成。選取edit菜單中的AddVariable…添加一個輸入量然后按上面所說編輯各個輸入輸出量的隸屬函數,其中輸入輸出的各具體隸屬函數如圖4-2所示:圖4—2各隸屬函數的圖像根據經驗判斷:其中輸入量e隸屬函數參數(params〕為negative:[0。3-1］,zero：[0.30]，positive：［0。31]。其中輸入量ec隸屬函數參數〔params〕為negative：[0。03-0。1］，zero：[0.030］,positive:[0.030。1]。其中輸出量u隸屬函數參數〔params〕為close_fast：［-1-0。9-0.8］,close_slow:［-0。6-0。5—0。4],no_change:[-0。100。1］,open_slow:[0.20.30.4],open_fast:［0.80.91］。其他參數圖4—3選取:圖4—3FIS相關參數設定編輯好后隸屬函數如圖4—4所示，然后根據經驗編輯模糊控制規則，雙擊模糊控制器框進入規則編輯器：圖4-4編輯好后的隸屬函數和規則編輯器根據人工經驗利用選框輸入如下控制規則Ifeisnegativethenuisclose—fast;Ifeiszerothenuisno—change；Ifeispositivethenuisopen-fast;Ifeiszeroandecisnegativethenuisopen-slow；Ifeiszeroandecispositivethenuisclose-slow;在菜單view中的rules和surface選項分別對應得是規則觀測器和曲面觀測器，利用這兩個工具我們可以方便的觀察規則情況及調整不同的輸入時所對應的輸出情況，使其動靜態特性一目了然：如圖4—5，4—6，4—7所示：圖4—5圖4—6規則觀測器圖4—7曲面觀測器至此利用MATLAB建立的水箱水位模糊推理系統建立完畢,要記得用菜單File——Export-—Todisk…將建立的系統以tank為名稱保存在磁盤中以防喪失，另外一定要用File——Export-—ToWorkspace…將其保存在工作空間中以便在下一節simulink仿真設計中調用.4.2對SIMULINK模型控制系統的構建VALUE代表閥門，其結構圖見圖4-8：圖4—8閥門底層結構圖WATERTANK代表水箱它是一個子系統模塊，其結構圖見4—9：圖4—9水箱底層結構圖PID為傳統PID控制器結構見圖4—10：圖4—10PID底層結構圖添加完控件后開始連線，構建好的水箱水位模糊控制系統模型見圖4—11：圖4—11構建好的水箱水位模糊控制系統模型雙擊模糊控制器(FuzzyLogicController),在FISFileStructure文本框中輸入tank,調用上一節制作的模糊推理系統。成功鏈接如圖4-12圖4—12tankFIS結構與模糊控制器模塊的成功鏈接到此就已經構建好了整個Simulink模型系統，下一步就可以對所構建的模糊系統進行仿真。4。3進行Simulink模型仿真在仿真之前，還需要設置仿真參數，參數的設置如圖4—13：圖4-13仿真參數設計這里只用設置Solver選項卡，其余的選項卡用默認設置即可。本節的任務主要是觀察在所給定的輸入信號下水箱水位隨時間的影響情況，并比擬傳統PID控制器和模糊控制器的控制效果。選擇菜單Simulation——Start，系統便開始仿真，const元件的常數設定為-1時系統由模糊控制器控制，其設定值為1時由PID控制器控制，示波器change，scope2，scope4分別顯示的是誤差變化率、水箱的溢水情況、水箱流出水流量隨時間的變化的波形，主要用來監視工作狀態的,而示波器Comparison是顯示控制器輸出的波形的，仿真運行時雙擊此元件即可看到動態的波形輸出。模糊控制器與PID控制器的輸出波形如圖4-14所示：圖4-14模糊控制器與PID控制器輸出結果的比擬小結根據上一節仿真結果的比擬，我們能看出模糊控制較傳統的PID控制來講具有響應速度快、適應性較強,即魯棒性好、超調量小穩定時間較長等優點,顯示出預期良好的穩態性能.結論自20世紀40年代以來用計算機方法去研究系統的特性成為科學開展的時尚，在計算機上對構成的系統模型進行試驗,為模型的建立和試驗提供了巨大的靈活性和方便性，利用計算機，使得數學模型的求解變得更加方便、快捷和精確，能解決問題的領域也大大擴展。水箱水位控制系統在工業中利用廣泛,本文僅以一級系統作為仿真實例，并利用計算機輔助控制的設計原則，在工業中一般簡單的水位控制系統是不采用計算機控制的，甚至多數都并不采用其他的電子設備控制，而是直接采用浮漂、杠桿等簡單的機械結構就已足夠應用了,但是隨著工業的開展，一些深加工行業〔如化工〕需要采用多級水箱，另外一些應用〔如能源行業〕存在各輸入輸出量嚴重耦合現象,在這些復雜、龐大的系統面前，傳統的機械結構已不能滿足要求，甚至傳統的PID控制