模糊控制—水位控制系统设计

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液位模糊控制系统的设计【毕业作品】

BI YE SHE JI（20 届）液位模糊控制系统的设计所在学院专业班级自动化学生姓名学号指导教师职称完成日期年月-II-摘要液位控制系统广泛存在于各个领域，是工业过程控制中的典型控制之一，液位控制早期运用PID控制方法实现。

常规的PID控制器具有无静态误差、高可靠行、算法简单等优点。

它的设计核心是整定参数，对于确定性的被控对象通过设定合适的PID控制器的三个参数，可以获得比较理想的控制效果。

但由于实际控制系统具有时变性、多变量、大滞后等特点，且在控制过程中会受到各种干扰因素的影响，要建立精确的数学模型很困难，也就不能达到预期效果。

近些年来，在很多控制过程中模糊控制都取得了成功，模糊控制器具有不依赖被控对象数学模型，适应性强的优点，在许多无法建立精确数学模型的复杂系统中表现出了其优越性，不仅获得了较好的控制效果，而且又能简化系统的设计。

因此，模糊控制在水箱液位控制系统中就成为较好的选择。

本文利用模糊控制理论设计一水箱水位模糊控制器，具体给出了系统设计方案。

首先详细的介绍了模糊控制的基本原理及模糊控制器的相关知识，其次讲述了对系统进行模糊控制的具体设计内容，在此基础上提出对水箱水位进行模糊控制的方案。

最后，充分利用MATLAB的模糊逻辑工具箱和Simulink相结合的功能得到实际液位跟踪给定液位的曲线，仿真结果证实水箱液位模糊控制系统能够获得良好的控制效果。

关键词：液位控制；模糊控制；MATLAB；SimulinkAbstract-II-Liquid level control system exists in each field extensively and is one of the typical control in industrial process control, the liquid level control most used PID control method in the early days. Conventional PID controller has lots of strong points, for instance, it has no static error, its algorithm is simple and it is reliable. The heart of its design is setting parameters; the certainty object can achieve satisfactory control effects through proper setting three parameters of PID. But the practical control systems have the characteristics of time-dependence, nonlinear, large lag and they will be influenced by various kinds of interference factors, so it is difficult to set up accurate mathematics model, then it is not possible to achieve the desired results.In the recent years, fuzzy control has achieved success in many control process. Fuzzy controller has outstanding merits that do not rely on mathematics model of object and whose adapting ability is strong, it shows its superiority in many complex systems which have no accurate mathematics model. It not only wins the better control results, but also can reduce system design. Therefore, control fuzzily become better choice on water tank level control system. This text designs a water tank level fuzzy control system according to the fuzzy control theory and puts forward a design scheme specifically. Firstly, it introduces the fuzzy control theory and the related knowledge of the fuzzy controller. Then, it describes the detailed design things for the system design, and proposes a fuzzy control scheme for the liquid level of the water tank on this basis. At last, the system has also fully utilized the function that the fuzzy logic toolbox of MATLAB combines with SIMULINK, and obtains the curve of the actual level tracking the desired level. Simulation results show that the water tank fuzzy control system can possess good control performance.Keywords: liquid level control; fuzzy control; MATLAB; Simulink-II--IV-目录摘要..............................................................Ⅰ Abstract..........................................................Ⅱ 目录.. (Ⅲ)第一章引言 (1)1.1 模糊控制的研究背景和现状 (1)1.1.1 研究背景 (1)1.1.2 研究现状 (1)1.2 课题来源及研究的意义 (2)1.3 本课题的研究内容及任务 (3)第二章模糊控制系统 (4)2.1 模糊控制的原理 (4)2.2 模糊控制器的组成 (4)2.2.1 模糊化 (5)2.2.2 数据库 (7)2.2.3 规则库 (8)2.2.4 推理机 (8)2.2.5 反模糊化 (8)2.3 模糊控制器的结构 (9)第三章模糊控制器及模糊控制系统设计 (11)3.1 常规模糊控制器设计 (11)3.2 模糊控制器的输出形式 (13)3.2.1 位置式输出 (13)3.2.2 增量式输出 (14)3.3 模糊控制器参数与系统控制性能 (15)3.3.1 模糊控制器输入、输出变量的论域 (15)3.3.2 模糊控制器输入比例因子e K 及c K 的影响 (16)第四章液位模糊控制系统的设计及仿真 (19)4.1 确定控制方案 (19)4.2 液位模糊控制系统的设计 (19)4.2.1 确定模糊控制器的结构 (19)4.2.2 定义输入、输出模糊集及其论域 (19)4.2.3 定义隶属函数 (19)4.2.4 建立模糊控制表 (21)4.2.5 模糊推理 (22)4.2.6 反模糊化 (22)4.3 模糊控制系统仿真 (22)4.3.1 系统仿真模型的建立 (22)4.3.2 水箱液位模糊推理系统（FIS）的建立 (22)4.3.3 对Simulink模型控制系统的构建 (25)4.3.4 对系统进行Simulink模型仿真 (27)结论 (31)参考文献 (32)致谢 (33)-IV-第一章引言1.1模糊控制的研究背景和现状1.1.1 研究背景控制技术被广泛地应用在各种工业技术领域里，成为现代高新技术的重要手段之一。

模糊PID 控制水位系统

模糊PID 控制水位系统分析摘要： pid调节规律对建立精确数学模型控制系统是非常有效的。

但对于那些具有非线性、时变不确定性的控制对象，应用传统的pid调节器就难以实现有效的控制。

文中提出了利用模糊pid控制技术，对水位进行控制，以使plc对不同模型参数的系统均具有较好的控制性能，实现对系统动静态参数的最优控制。

abstract: pid regulating law is very effective for establishing a precise mathematical model control system. however, for those control objects with non-linearity, time-varying uncertainty, applying the traditional pid regulator would be difficult to achieve effective control. this paper proposed tocontrol the water level by using indistinct pid control technology, so that the plc has better control performance on the system of different model parameters, to achieve optimal control of static and dynamic parameters of the system.关键词： plc；模糊pid；模糊控制key words: plc；indistinct pid；indistinct control0 引言对于pid控制技术，其工作稳定、可靠性高、鲁棒性强，且易于接受。

但是，工业生产过程中经常遇到大时滞、强扰动、被控对象参数未知或是时变的系统，对这一类系统实施常规pid控制往往效果欠佳。

基于MATLAB的水箱水位模糊控制系统的设计

小相位特性、不稳定性、时滞和负荷干扰等。若采用单一的水位反馈控制难以达到预期的控制效果,所以采用了仿人的模糊控制方法依据操作人员的现场经验制成模糊控制表,通过判断水位的偏差及偏差变化率来控制输出,并易于在 PLC 上实现。模糊 PID 控制器的特点是在大范围内利用模糊推理的方法调整系统的控制量 U，而在小偏差范围内转换成 PID 控制，两者的转换根据事先给定的偏差范围自动实现[3]。这样做的好处是：既保证动态响应效果，又能改善稳态控制精度。图 3 为模糊 PID 控制器的系统方框图。
r
+ _
PID 控制器 e
ec 模糊控制器 d/dt
e y
对象 U
变送器
图 3 模糊 PID 控制器系统方框图
其中，模糊控制器和 PID 控制器的切换是通过在 MATLAB 的 M 文件中事先设定误差 e 的范围来自动实现的[4]。选取水位误差 e 的基本论域为[-10cm，10cm]，选取误差变化率 ec 的基本论域为[-4，4]，选取控制量 u 的基本论域为[0，4000]。e、ec、u 的语言变量值分别为：e={NB，NM，NS，ZE，PS，PM，PB}，ec={NB，NM，NS，ZE，PS，PM，PB}，u={NB，NM， NS，ZE，PS，PM，PB}。
在现代工业生产及日常生活中，有很多方面都会涉及到水位控制这个问题。而在绝大多数情况下，我们是很难或是不可能得到被控对象的精确数学模型的，因此采用数学工具或计算机仿真技术的传统控制理论已经无法解决此类系统的控制问题。[1]智能控制的概念主要是针对控制对象及其环境、目标和任务的不确定性和复杂性而提出来的，而模糊逻辑控制则作为一种新颖的智能控制方式越来越受到人们的重视。模糊逻辑控制是智能控制领域的重要发展方向，模糊控制技术被称为“21 世纪的核心技术”。

水箱液位模糊控制

水箱液位模糊控制器的设计1.水箱液位控制系统已知一个容器中液体的流出是随机变化的，无法建立它的数学模型。

但是，通过人工控制进液阀门的开度和进液流速，却能调节容器中液位的高低，保持液位恒定。

根据人工操作经验，我们已经归纳出如下保持液位恒定的操作规则：①如果液位偏低，则快开阀门；②如果液位正好，则阀门开度不变；③如果液位偏高，则快关阀门；④如果液位正好而进液流速慢，则慢关阀门；⑤如果液位正好而进液流速快，则慢开阀门。

图1-1 水箱液位控制系统原理图为此，我们可以设计如图1-2所示的双输入--单输出模糊控制系统：k 1k 2D/FD/F RF/D 控制对象k u 模糊控制器u e ec图1-2 二维模糊控制系统原理框图模糊控制器的两个输入变量分别为液位差e （设定液位高度r -实测液位高度M模糊控制器反馈压力传感器控制量设定y）和液位差变化率ec（单位时间内的偏差改变量），输出模糊变量为u。

输入变量e和ec、输出变量u的论域、覆盖变量论域的模糊子集明朝、隶属度函数类型及拐点参数等，初步设定为表1-1所列的数值。

表1-1 覆盖输入变量、输出变量的模糊子集设定值2.构建模糊控制器的FIS结构文件2.1编辑出名称为“tank”的液位模糊控制系统FIS启动Matlab后，在主窗口中键入fuzzy回车，进入“FIS Editor”编辑器界面，完成下列任务：①增加一个输入变量；②将输入、输出变量的名称分别改成e、ec和u；③将这个FIS文件名定为“tank”并予以存盘。

得出如图2-1所示的FIS编辑器界面。

图2-1 液位模糊控制FIS编辑器2.2 编辑覆盖输入、输出变量的模糊子集在图2-1所示的FIS编辑器上，单机输入变量e模框，按表1-1列出的数据编辑e、ec和u的模糊子集。

在FIS编辑器界面上，双击输入量或输出量模框中的任何一个，都会弹出隶属函数编辑器，简称MF编辑器。

在MF编辑器界面上，单击“变量模框索引区”中待编辑变量的小模框，使其边框变粗、变红，则界面下部“当前变量区”内就显示该变量的性态，以供编辑。

余热锅炉水位模糊自适应控制系统设计

余热锅炉水位模糊自适应控制系统设计余热锅炉是一种利用工业生产过程中产生的废热进行能源回收的设备，它可以将废热转化为热水或蒸汽，用于供暖或生产过程中的热能需求。

在余热锅炉的运行过程中，水位控制是非常重要的一环，它直接影响着锅炉的安全稳定运行和能效。

传统的余热锅炉水位控制一般采用PID控制器，但是由于余热锅炉工况的复杂性以及水位变化的不确定性，传统的PID控制器往往难以满足对水位控制的精确要求。

为了提高余热锅炉水位控制的精准度和稳定性，本文将设计一种模糊自适应控制系统，以实现对余热锅炉水位的精确控制。

一、余热锅炉水位控制系统的现状及存在的问题1. 对工况变化的适应性差由于余热锅炉在工况和负荷变化时，系统的动态特性会发生变化，传统的PID控制器往往难以快速地对工况变化进行适应，导致水位控制的精度不高。

2. 对水位变化的不确定性难以处理余热锅炉水位的变化受到多种因素的影响，包括给水量、汽水混合物排放、蒸发量等，这些因素的不确定性会影响到水位的变化，传统的PID控制器很难对这些不确定因素进行有效处理。

3. 控制精度不高传统的PID控制器在应对复杂的工况和水位变化时，往往难以保持水位的精确控制，容易出现偏差较大的情况。

基于以上问题，我们需要设计一种新的水位控制系统，以满足对余热锅炉水位控制的精确要求。

二、模糊自适应控制系统的设计原理模糊自适应控制系统是一种结合了模糊控制和自适应控制的新型控制系统，它可以减少对系统模型的先验知识要求，同时具有较强的适应性和鲁棒性，能够有效地应对系统的不确定性和变化。

模糊控制采用模糊推理的方法，将模糊集合和模糊规则应用于控制系统中，通过模糊化、规则库和解模糊化等步骤，实现对系统的控制。

在余热锅炉水位控制中，可以通过模糊控制器对系统进行建模和控制。

自适应控制是一种根据系统的实际情况来动态地调整控制参数的方法，它可以根据系统的变化来调整控制器的参数，以实现对系统的精确控制。

在余热锅炉水位控制中，可以通过自适应控制器对系统的不确定性和变化进行处理。

模糊控制在液位控制中的仿真应用设计

吉林化工学院毕业设计模糊控制在液位控制中的仿真应用设计Simulation Design Based on Fuzzy Controller in Liquid LevelControl学生学号：09510441学生姓名：霍可栋专业班级：自动0904指导教师：吕春兰职称：副教授起止日期：2013.03.04～2013.06.23吉林化工学院Jilin Institute of Chemical Technology摘要本次设计主要论述了应用模糊控制理论控制水箱液位，详尽的介绍模糊控制理论的相关知识，提出水箱液位模糊控制的方案，建立基于水箱水位的数学模型并用MATLAB进行仿真设计。

首先根据双容水箱的系统结构，通过计算得到数学模型的传递函数；然后利用Matlab 工具箱设计模糊控制器，具体包括以下三步：（1）确定模糊控制器的结构；（2）输入输出的模糊化；（3）模糊推理决策算法设计；最后分别用常规PID控制与模糊控制对双容水箱系统仿真。

通过常规PID控制与模糊控制仿真结果的对比，我们能看出模糊控制较传统的PID控制来讲具有响应速度快、适应性较强，即鲁棒性好、超调量小稳定时间较长等优点，显示出很强的抗干扰性能。

关键词：水位控制；模糊控制器；模糊规则; FISAbstractThis paper is primarily on the applied fuzzy control theory control level in the reservoir system, first introduced in detail the fuzzy control theory of knowledge, and Then put forward to realize the control of the water level in the water tank scheme using fuzzy theory,finally simulation design of mathematical model of fuzzy controller with MATLAB based on the water tank water level .Firstly, according to the system structure of double tank, transfer function is obtained through the calculation of mathematical model. Then use the Matlab toolbox to design the fuzzy controller, including the following three steps: (1)Determine the structure of fuzzy controller;(2)Fuzzy input and output; (3)Design of fuzzy reasoning and decision algorithms. Finally, by using the MATLAB fuzzy logic toolbox and SIMULINK combination function,Compare the simulation result of conventional PID control and fuzzy control for dual-tank system.By contrast to conventional PID control and fuzzy control simulation results, we can see the fuzzy control over the conventional PID control with fast response, strong adaptability, robustness, and overshoot advantages of a small stable for a long time, showing the expected good steady performance.Key Words：Level control; Fuzzy controller; Fuzzy rules; FIS目录摘要 (I)Abstract (II)第一章绪论 (1)1.1 模糊控制水箱水位系统概述 (1)1.2 模糊控制理论简介 (1)1.2.1 模糊控制理论的产生、发展及现状 (1)1.2.2 模糊控制理论运用于水箱水位系统控制的意义 (2)1.3 仿真建模工具软件MATLAB／SIMULINK简介 (2)1.4 本文的主要任务及内容安排 (4)第二章模糊理论及模糊控制基础 (6)2.1模糊理论基础 (6)2.1.1 从经典集合到模糊集合的转变 (6)2.1.2 模糊集合的基本概念 (8)2.1.3 模糊集合的基本运算 (11)2.2 模糊控制的基础知识 (13)2.2.1 模糊控制的一般概念 (14)2.2.2 模糊控制的回顾和展望 (15)2.2.3 模糊控制系统的结构 (15)2.3 本章小结 (20)第三章水箱水位模糊控制器的建立 (22)3.1 双容水箱的动态分析与建模 (22)3.2Matlab下模糊控制器的设计 (24)3.2.1 确定模糊控制器的结构 (24)3.2.2 输入输出的模糊化 (25)3.2.3 模糊推理决策算法设计 (26)3.3 本章小结 (29)第四章利用MATLAB对水箱水位系统进行仿真建模 (30)4.1 水箱水位模糊推理系统（FIS）的建立 (30)4.2 模糊规则的建立 (32)4.3 对SIMULINK模型控制系统的构建 (35)4.4Matlab对水箱液位的仿真设计 (36)4.4.1 常规PID对液位模型的仿真 (36)4.4.2 模糊控制对液位模型的仿真 (37)4.4.3 混合式模糊控制对液位的仿真 (38)4.4.4 干扰后常规PID与模糊控制仿真对比 (39)4.5 本章小结 (40)结论 (42)参考文献 (43)致谢 (44)第一章绪论1.1 模糊控制水箱水位系统概述在能源、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。

模糊控制-水位控制系统设计

模糊控制——基于matlab的锅炉水位控制系统设计郑州大学物理工程学院测控技术与仪器1班杜佰林20102240103一、应用背景由于锅炉水位具有大滞后、多变量、强耦合等非线性特性，因此采用经典控制理论和现代控制理论的控制方法都不能取得理想的控制效果。

针对锅炉水位的实际运行情况，采用模糊控制策略，设计了锅炉水位的模糊控制系统，并且使用MATLAB时，主要使用模糊逻辑工具箱构建模糊控制器，使用进行SIMULINK动态仿真技术。

二、锅炉水位动态特性锅炉给水控制系统的操作变量是给水流量，主要是使水位维持在给定的范围内。

给水流量增加后，就从原来有饱和水中吸收部分热量，这使得水位下汽包容积有所减少，当水位下汽包的变化过程逐渐平衡时，水位的变化就完全反应了汽包储水量增减。

当给水量做阶跃变化时，汽包水位在起始状态不会立即增加，而要呈现出起始惯性段，水位H与水流量W之间的传递函数类似于一个积分环节和时滞环节的串联。

系统特性可表示为：式子中，s为拉式算子；k为给水流量改变单位流量时水位的变化速度；T为时间常数。

由于所选用的锅炉的供气量是120t/h，依据此项指标，选用液位变送器的量程160mm 流量计的量程为150t/h，水流量与水位的传递函数为：三、模糊控制系统结构模糊控制系统是一种自动控制系统，它以模糊数学、模糊语言形式的知识表示和模糊逻辑的规则推理为基础，是采用计算机控制技术构成的一种具有反馈通道的闭环结构的数字控制系统。

因此，模糊控制系统的组成具有常规计算机控制系统的结构形式，通常由模糊控制器、输入/输出接口、执行机构，被控对象和测量装置五部分组成.从理论上讲,模糊控制器的维数越高,控制越精细.但是维数太高,模糊控制规则变得过于复杂，控制算法的实现相当困难。

因此，目前被广泛采用的均是二维模糊控制器。

本设计的锅炉水位模糊控制系统也采用二维结构。

锅炉水位的模糊变量：水位误差为e，水位误差变化率ec作为模糊控制器的输入变量，模糊控制器的输出变量控制直流伺服电动机SM两端电枢电压的大小和极性。

工业锅炉汽包水位模糊控制系统设计

ANYANG INSTITUTE OF TECHNOLOGY 本科毕业论文工业锅炉汽包水位模糊控制系统设计The Design of Fuzzy Control System of TheIndustrial Boiler Drum Water Level系（院）名称：电子信息与电气工程学院专业班级：自动化2008级1班学生姓名：xxx学号：2008020100xx指导教师姓名：邢春芳指导教师职称：副教授2012年5月毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明原创性声明本人郑重承诺：所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。

尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得安阳工学院及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。

对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。

作者签名：日期：指导教师签名：日期：使用授权说明本人完全了解安阳工学院关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。

作者签名：日期：目录摘要 (I)Abstract .............................................................................................................. I I 第一章概述 (1)1.1课题研究目的与意义 (1)1.2工业锅炉控制综述 (1)1.2.1工业锅炉的控制要求和工艺流程 (1)1.2.2锅炉设备系统 (2)1.2.3锅炉水位控制系统在锅炉生产控制系统中的重要性 (3)1.3课题研究的主要内容 (3)第二章汽包液位控制方案 (4)2.1汽包水位特性分析 (4)2.1.1汽包水位在给水流量扰动下的基本特性 (4)2.1.2汽包水位在蒸汽负荷扰动下的动态特性 (5)2.1.3汽包水位在燃料量扰动下的动态特性 (6)2.2汽包水位控制系统设计方案 (7)2.2.1单冲量水位控制系统 (7)2.2.2双冲量水位控制系统 (8)2.2.3三冲量水位控制系统 (9)2.2.4水位三冲量模糊控制 (10)2.2.5汽包水位控制系统方案的选择 (11)第三章模糊控制 (12)3.1模糊控制的产生与发展 (12)3.2模糊控制的基本原理 (12)3.2.1模糊控制系统组成 (12)3.2.2模糊控制器的基本结构 (13)3.3模糊控制器的设计的基本方法 (15)3.3.1模糊控制器的设计方法 (15)3.3.2模糊控制器的结构设计 (15)3.3.3模糊控制规则设计 (16)3.3.4精确量的模糊化 (17)3.3.5模糊推理 (19)3.3.6模糊量去模糊化 (20)3.3.7模糊控制查询表 (21)第四章锅炉汽包水位模糊控制器的设计 (22)4.1确定模糊控制器的结构 (22)4.2确定各变量的隶属度函数和赋值表 (22)4.3模糊控制规则的确定 (25)4.4模糊控制响应表的生成 (26)4.5仿真结果与分析 (27)结论 (29)致谢 (30)参考文献 (31)工业锅炉汽包水位模糊控制系统设计摘要：锅炉是典型的复杂热工系统。

基于PLC的模糊PID水箱液位控制系统设计

基于PLC的模糊PID水箱液位控制系统设计摘要常规PID控制器结构简单、稳定性好、工作可靠，被广泛应用于过程控制中，但常规的PID在系统参数、工作环境发生变化时往往不能获得较好的控制效果。

采用基于PLC 知识和不依赖精确数学模型的模糊控制来解决这类问题。

本文首先通过机理法建立液位控制系统水箱的数学模型，为了改善调节过程的动态特性，采用串级控制，主调节器用模糊控制，副调节器采用PID控制。

根据液位系统的特征，选取合适的模糊控制规则和隶属度函数，建立模糊控制规则查询表，设计PID控制器和模糊控制器，将设计好的串级系统在Simulink软件上进行仿真，比较常规PID 控制器和模糊PID控制器的控制性能。

通过西门子SIMATIC S7-300 PLC 编程系统和力控组态软件6.0设计了西门子PLC 的常规PID系统和模糊PID控制算法。

通过组态软件力控6.0实时监控液位变化，将设计好的液位控制系统进行仿真。

实验表明模糊控制器具有良好的动、静态控制效果。

关键词：过程控制，PID控制，模糊控制，PLC，力控组态软件Based on PLC fuzzy PID water level control system designAbstractThe conventional PID controller simple structure, good stability, reliable working, are widely used in process control, but the conventional PID parameters in the system, working environment change often cannot obtain the good control effect. Based on PLC knowledge and not rely on the accurate mathematical model of fuzzy control to solve the problem.This paper first through the mechanism of water level control system method to establish the mathematical model, in order to improve the dynamic characteristics of the regulatory process, the cascade control, regulation is the fuzzy control, vice regulator PID control. According to the characteristics of liquid level system, to select the suitable fuzzy control rules and membership functions, establish the fuzzy control rules lookup, PID controller and fuzzy controller design, the design good ship machine system in Simulink software, and simulation is the conventional PID controller and fuzzy PID controller control performance.Through the Siemens SIMATIC S7-300 PLC programming system and the force control configuration software design of the 6.0 Siemens PLC conventional PID systems and fuzzy PID control algorithm. Through the configuration software force charged with 6.0 real-time monitoring level changes, Will design good level control system was simulated. Experiments show that the fuzzy controller has good dynamic and static control effect.Key Words: Process control, PID control, Fuzzy control, PLC, Force contro目录1 绪论 (1)1.1过程控制概述 (1)1.2模糊控制理论的产生和发展状况 (2)1.3PLC的特点及发展状况 (3)1.3.1 PLC的特点 (3)1.3.2 PLC技术发展动向 (5)1.3.3 可编程控制器的硬件组成 (6)1.4课题研究的主要内容与论文结构 (6)1.4.1 课题研究内容 (6)1.4.2 论文结构 (7)2 水箱液位控制系统设计及模型分析 (7)2.1水箱液位串级控制系统设计 (8)2.2水箱液位控制系统组成及工作原理 (9)2.3双容水箱数学模型建立与分析 (10)3 PID控制和模糊控制 (14)3.1PID控制 (14)3.1.1 PID简述 (14)3.1.2 数字式PID控制算法 (16)3.2模糊控制 (18)3.2.1 模糊控制器的基本结构 (18)3.2.2 模糊集合 (20)3.2.3 隶属度函数及其确定 (22)3.2.4 模糊推理 (24)3.3液位模糊控制器的设计 (25)4 系统硬件设计 (31)4.1西门子S7-300PLC (31)4.2液位控制系统组成 (32)5 PLC编程实现 (35)5.1西门子S7-300编程基础 (35)5.2STEP7编程 (36)5.3控制算法的实现 (38)5.3.1 程序流程图 (38)5.3.2 梯形图程序 (40)5.4组态软件力控6.0 (43)5.5常规PID与模糊PID控制器性能比较 (44)5.5.1 用MATLAB模糊逻辑工具箱设计模糊控制器 (44)5.5.2 SIMULINK仿真 (46)结论 (48)致谢 (49)参考文献 (50)附录 (52)1绪论1.1过程控制概述过程控制技术是利用测量仪表、控制仪表、计算机、通信网络等技术工具，自动获得各种变量的信息，并对影响过程状况的变量进行自动调节和操作，以达到控制要求等目的的技术。

基于模糊控制的水箱液位控制系统设计

基于模糊控制的水箱液位控制系统设计在工业中，水平液位控制是控制系统中的重要部分，它能够有效地保持水箱液位在特定的水平。

一个高效的液位控制系统可以帮助我们高效地实现水箱液位的控制从而避免浪费水资源，从而节约成本。

随着技术的进步，模糊控制已经开始成为一个重要的技术，它可以有效地支持水箱液位控制系统的构建与管理。

首先，本研究保留了传统水箱液位控制系统的基本结构，并使用模糊控制理论来优化控制系统从而实现精确的控制效果。

首先，在生成模糊规则的过程中，将采用梯度下降法和变量化规则抽象的相结合的方法来确定模糊控制参数，以最大化水箱液位控制效果。

接下来，在模糊控制的实现过程中，会使用PID算法，以及模糊规则生成器，让检测出来的反馈信号与模糊规则生成器控制信号进行比较，并结合反馈回路系数，以调整水箱液位控制系统的运行状态。

此外，在实现水箱液位控制系统的控制部分中，将采用两个独立的控制器对水箱的液位进行控制，其中一个主控制器采用传统的PID控制算法，并配合模糊控制算法进行控制；另一个子控制器则采用线性状态反馈算法，由两个控制器一起实现更好的全局水箱液位控制。

在本研究中，还提出了一种基于数字滤波及模糊控制的结合策略，以便更好地抑制系统噪声并实现更准确的水箱液位控制。

该策略中，首先会采用数字滤波技术来减少系统的噪声，然后再采用模糊控制算法来解决系统控制的实际问题。

最后，本研究中建立了一个模型仿真实验，主要用于检验在水箱液位控制方面的实际效果。

仿真实验包括模型的建立，模糊控制参数的确定，液位控制策略的调整，以及液位控制策略的比较等。

仿真结果表明，采用本研究中建立的模糊控制策略，可以有效地调节水箱液位，达到良好的控制效果，表明该模糊控制策略有效可靠。

综上所述，本文针对传统水箱液位控制系统的局限性，提出了一种基于模糊控制的水箱液位控制系统的设计方案，通过梯度下降法和变量化规则抽象的相结合的方法来确定模糊控制参数，以最大化液位控制的效果，并采用PID算法和模糊规则生成器来实现更加精确的水箱液位控制，经过仿真实验和结果分析，证明了该控制系统的有效性和可靠性。

毕业论文--模糊PID控制在液位控

de/dt
模糊控制器
Kp Ki Kd
PID调节器
yout 受控对象
自适应模糊控制器结构
12
么么么么方面
• Sds绝对是假的
江南大学
本科论文
从系统的稳定性、响应速度、超调量和稳态精度等各方面来考虑Kp，Ki，Kd的作用如下：
(1)比例系数 Kp的作用是加快系统的响应速度，提高系统的调节精度Kp越大，系统的响应速度越快，系统的调节精度越高，但易产生超调，甚至会导致系统不稳定Kp 取值过小，则会降低调节精度，使响应速度缓慢，从而延长调节时间，使系统静态、动态特性变坏.
本科论文
3
江南大学
本科论文
1 液位控制系统研究的意义
由于缺乏实际背景的支持，算法的应用要比理论方面的研究滞后几十年，开发经济实用且具有典型对象特性的实验装置是一条将理论成果转换为实际应用的捷径.液位控制系统实验装置模拟了工业现场多种典型的非线性时变多耦合系统，用常规的控制手段往往很难实现理想的控制效果，因此对其控制算法进行研究具有非常重要的实际意义.
2 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5 time(s)
模糊控制器参数Ki随时间的变化大小
Kp Ki
2021/3/7
18
江南大学
模糊PID响应仿真
1 0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4KdFra bibliotek本科论文
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单容水箱液位模糊控制系统设计

本科毕业设计论文题目单容水箱液位模糊控制系统设计专业名称学生姓名指导教师毕业时间任务书一、题目单容水箱液位模糊控制系统设计二、指导思想和目的要求通过毕业设计使学生对所学自动化专业知识和理论加深理解，掌握自动控制原理以及过程控制系统和仿真的基本方法。

要求毕业设计中：1、建立系统的数学模型2、设计单容水箱液位单回路反馈控制系统，采用PID控制并进行仿真以及参数整定。

3、设计单容水箱液位模糊控制系统。

即设计一个两维模糊控制器，模糊控制器的设计为两个输入一个输出，模糊控制器的输出用来控制阀门的开度，调节水箱的液位。

4、模糊控制系统的理论设计计算以及仿真计算模糊控制规则可调整的液位控制系统的性能指标，进行参数整定。

5、比较水箱液位模糊控制和PID控制系统。

三、主要技术指标1、液位保持在480-510mm2、超调量≤5%3、稳定时间＜200S四、进度和要求1、1-3周：收集查阅资料；2、4-6周：完成总体方案设计和建模；3、7-8周：完成系统分析和控制规律设计；4、9-11周：完成仿真验证及修改；5、12-13周：完成毕业设计论文.五、主要参考书及参考资料（1）金以慧，《过程控制》清华大学出版社，1993.4 （2）刘永信，陈志梅，《现代控制理论》北京大学出版社，2006.9 （3）薛定宇，陈阳泉，《系统仿真技术与应用》清华大学出版社，2004.4 （4）胡寿松主编《自动控制原理》北京科学出版社，2007.6 （5）陈阳泉主编《过程控制与SIMULINK应用》北京电子工业出版社2001.4 （6）郝整清，《模糊控制及其MATLAB仿真》北京交通大学出版社208.3 （7）苏徽，《模糊PID研究》西安《工业化仪表与自动化装置》杂志社2001.4学生指导教师系主任摘要液位控制是工业控制中的一个重要问题,针对液位控制过程中存在大滞后,时变,非线性的特点,为适应复杂系统的控制要求,人们研制了种类繁多的先进的智能控制器,模糊控制器便是其中之一。

现代计算方法—水箱水位模糊控制

水箱水位模糊控制控制130337杨康一、问题描述1．使用MATLAB的模糊逻辑工具箱，建立模糊推理系统，进行水位系统的模糊控制。

受控对象为二阶有自平衡能力的对象，h（s）/Q（s）＝2/(s^2+1.2s+4)，其中h（s）是水位偏差，Q（s）是入口阀门开度偏差。

2．模糊控制规则参考如下：IF(水位低)then（阀门迅速打开）IF(水位高)then（阀门迅速关闭）IF(水位偏差小且变化率为零)then（阀门大小不变）IF(水位偏差小且变化率为负)then（阀门缓慢关闭）IF(水位偏差小且变化率为正)then（阀门缓慢打开）二、解决方案熟悉模糊逻辑工具箱，通过工具箱并按照规则参考设计模糊控制逻辑；在Simulink工具箱中加载模糊控制逻辑完成仿真。

通过与传统PID控制的比较，来分析各自的优缺点，加强对控制算法的认识。

三、算法实现1、模糊控制逻辑实现按照上述模糊控制规则分别对水位（level）、水位变化（levelrate）和阀门动作（output）三个变量进行设计。

（1）在水位变量设计时，范围为[-1 1]，其模糊子集为{high，okay，low}，其隶属度函数如图所示：图一、水位变量设计（2）在水位速率变化设计时，范围为[-1 1]，其模糊子集为{negative，none，positive}，其隶属度函数如下图所示：图二、水位变化速率设计（3）在阀门变化设计时，范围为[-7 7]，其模糊子集为{close fast, close slow, no change, open slow, open fast}，其隶属度函数如下图所示：图三、阀门变化设计（4）按照参考的规则设计模糊推理决策的算法：图四、模糊推理设计（5）对输出模糊量的解模糊：模糊控制器的输出量是一个模糊集合，通过反模糊化方法判决出一个确切的精确量，凡模糊化方法很多，我们这里选取重心法。

如图所示：图五、模糊量解模糊2、Simulink平台搭建将设计好的模糊控制器导入到workspace中，并搭建好仿真控制系统，如图所示：图六、模糊逻辑控制仿真平台其中，参考选为正弦波信号，并将误差值及其变化率信号输入到模糊逻辑控制器中进行处理；对象的传递函数为h（s）/Q（s）＝2/(s^2+1.2s+4)，四、结果分析与比较当参考信号为正选函数时，传统的PID控制会产生一定的相位差，从而导致控制效果变差，若采用模糊逻辑控制可以大大减少相位差。

余热锅炉水位模糊自适应控制系统设计

余热锅炉水位模糊自适应控制系统设计1. 引言1.1 背景介绍余热锅炉是利用余热发电的重要设备，其水位控制是确保系统稳定运行的关键因素。

传统的水位控制系统存在许多问题，如响应速度慢、控制精度差等。

为了解决这些问题，本文提出了一种余热锅炉水位模糊自适应控制系统设计方案。

背景介绍部分将首先介绍余热锅炉的工作原理和重要性，以及当前水位控制系统存在的问题。

余热锅炉是一种能够利用工业生产中产生的余热来发电的设备，可以有效提高能源利用率和减少环境污染。

由于余热锅炉工作环境复杂，水位受多种因素影响，传统的水位控制系统往往无法满足实际需求，导致系统运行不稳定。

针对这些问题，本文引入了模糊控制算法和自适应控制策略，通过模糊逻辑推理和自适应参数调节，实现了对余热锅炉水位的精确控制。

本文将详细阐述系统结构设计、模糊控制算法应用、自适应控制策略等内容，展示模糊自适应控制系统在余热锅炉水位控制中的优势和实用性。

通过对实验结果的分析，验证系统设计的有效性和稳定性，为余热锅炉水位控制提供了新的解决方案。

1.2 研究意义余热锅炉是一种能够有效利用废热进行能源回收的设备，对于节能减排具有重要意义。

在余热锅炉的运行过程中，水位控制是至关重要的一环。

保持合适的水位不仅可以确保余热锅炉的安全稳定运行，同时也能提高其热效率，减少能源损耗。

传统的水位控制方法存在一定的局限性，难以满足余热锅炉在不同工况下的精准控制需求。

探索一种新的水位控制方法具有重要的研究意义。

本研究旨在设计一种余热锅炉水位模糊自适应控制系统，通过模糊控制算法和自适应控制策略的结合，实现对余热锅炉水位的精准控制。

该系统的设计与实现将为余热锅炉的水位控制提供一种新的思路和方法，能够提高余热锅炉的运行效率和安全性，减少能源浪费，为工业生产的节能减排做出贡献。

通过实验结果与分析，我们期望验证该系统的有效性和可靠性，为相关领域的研究提供参考。

在未来的研究中，我们还将进一步完善该系统，探索更多优化方法，推动余热锅炉水位控制技术的发展。

余热锅炉水位模糊自适应控制系统设计

余热锅炉水位模糊自适应控制系统设计本文介绍了一种余热锅炉水位模糊自适应控制系统的设计方法。

该系统由水位传感器、控制器和执行器组成，通过模糊自适应控制算法来实现对余热锅炉水位的精确控制。

该系统具有响应速度快、控制精度高、适应性强等优点，在工业生产中广泛应用。

1.引言余热锅炉是一种能够利用工业废气中的余热来发电或供热的装置。

其控制系统一般由水位传感器、控制器和执行器组成，通过控制水位来保证余热锅炉的稳定运行。

然而，由于水位受到多种因素的影响，如进水量、蒸汽需求量和汽包容积等，传统的PID控制方法往往存在控制精度不高、响应速度慢等问题。

2.系统设计余热锅炉水位模糊自适应控制系统的设计如图1所示。

该系统由三个基本模块组成：水位传感器、控制器和执行器。

其中，水位传感器通过监测余热锅炉中的水位，并将实时数据传送给控制器。

控制器通过计算并输出合适的控制信号给执行器，以控制余热锅炉水位的高低。

3.控制算法余热锅炉水位控制系统使用的是模糊自适应控制算法。

该算法的主要思想是将系统的控制器设计成一个模糊逻辑控制器（FLC），并通过自适应的方式来调整其输出，从而满足不同的控制需求。

具体实现上，我们可以将系统的控制器分为三个部分：前件部分、后件部分和规则库。

其中，前件部分用于通过传感器获取到的水位数据来确定当前水位的高低；后件部分则根据前件部分的输出，通过模糊规则来计算出控制器的输出，即Kp、Ki、Kd等控制参数；规则库则用于存储各种情况下的模糊规则，以便后件部分进行计算。

最后，我们还需要对控制器加入自适应模块，以便实现对不同工况下的自适应控制。

自适应模块利用系统的反馈信息来不断调整控制器的参数，从而适应不同的工况要求，实现余热锅炉水位的精确控制。

4.实验结果为了验证本文提出的余热锅炉水位模糊自适应控制系统的设计方法，我们开展了一系列实验。

实验结果表明，该系统响应速度快、控制精度高、适应性强等优点，能够很好地满足现代工业生产的需求。

余热锅炉水位模糊自适应控制系统设计

余热锅炉水位模糊自适应控制系统设计一、引言余热锅炉是在工业生产中广泛应用的一种环保节能设备，它可以通过利用废热来产生蒸汽，从而帮助工厂节约能源成本。

在余热锅炉的运行过程中，水位控制是一个非常重要的参数，它直接影响锅炉的安全运行和蒸汽的质量。

在传统的水位控制系统中，存在着一些问题，比如对于水位变化的迟滞响应、外部环境干扰等。

设计一种水位模糊自适应控制系统对于提高余热锅炉的运行效率和安全性具有重要意义。

二、余热锅炉水位控制系统现状分析目前，余热锅炉水位控制系统主要采用PID控制算法。

PID控制器通过对水位变化进行反馈调节，来维持余热锅炉的水位在设定值范围内。

在实际应用中，PID控制系统存在着几个问题：一是对于水位变化的迟滞响应，即当水位出现波动时，PID控制器的调节过程需要一定的时间才能达到稳定状态；二是受外部环境干扰较大，比如给水泵的启停、排水泵的启停等，都会对水位控制系统产生干扰，影响系统的稳定性和可靠性。

三、模糊自适应控制原理模糊自适应控制是一种结合模糊控制和自适应控制的方法，它能够在控制系统中实现对于未知系统参数的自动调整，并且具有较好的鲁棒性和适应性。

模糊控制是一种基于模糊逻辑的控制方法，通过对输入输出之间的非线性关系进行模糊化处理，以实现对于复杂系统的控制。

自适应控制则是一种能够实时对系统参数进行调整的控制方法，它能够有效地应对外部环境的变化和未知系统参数的影响。

四、余热锅炉水位模糊自适应控制系统设计1.系统结构设计：余热锅炉水位模糊自适应控制系统主要由传感器、模糊控制器、自适应控制器和执行机构组成。

传感器用于实时采集余热锅炉的水位数据，传输给模糊控制器和自适应控制器进行处理。

模糊控制器通过模糊化处理水位数据，得到模糊控制规则并输出控制信号，自适应控制器则根据系统的实际参数进行参数调整，以实现对于未知系统参数的自适应调整。

执行机构则根据控制信号来对余热锅炉的给水和排水进行调节，以维持水位在设定范围内。

余热锅炉水位模糊自适应控制系统设计

余热锅炉水位模糊自适应控制系统设计余热锅炉是一种利用工业废气和废热进行热能回收的设备。

在余热锅炉中，水位的控制对于保证设备的正常运行和安全性非常重要。

传统的水位控制方法可能受传感器精度、水位变化迟滞等因素的影响，导致控制系统的性能不佳。

本文将介绍一种基于模糊自适应控制的余热锅炉水位控制系统设计。

我们需要明确余热锅炉水位的变化规律。

由于锅炉中工艺参数的变化以及水位控制系统的响应延迟，水位的变化呈现一定的滞后性。

而传统的控制方法往往只关注当前水位值，无法充分考虑到滞后性对系统性能的影响。

我们需要引入模糊控制的思想，考虑滞后性对水位控制的影响。

我们需要建立水位控制系统的数学模型。

根据余热锅炉的工作原理和物理特性，可以建立锅炉水位与进出水量、蒸汽流量等参数之间的关系模型。

然后，根据模型，我们可以设计合适的模糊控制器。

在模糊控制器的设计中，我们首先需要确定输入和输出的模糊集合。

输入模糊集可以选择水位误差和水位变化率两个指标，输出模糊集可以选择调节阀的开度。

然后，我们需要确定模糊规则库，即每个输入模糊集对应的输出模糊集和控制规则。

针对余热锅炉水位的滞后性问题，我们还可以引入自适应控制的思想。

通过引入自适应机制，可以根据实际的水位变化情况自动调整模糊控制器中的参数，以提高控制系统的性能。

我们需要对设计的控制系统进行仿真验证。

通过建立仿真模型，可以模拟不同工况下的水位控制过程，并进行性能评价和参数调优。

通过仿真验证，可以验证所设计的模糊自适应控制系统的有效性和可行性。

余热锅炉水位模糊自适应控制系统设计

余热锅炉水位模糊自适应控制系统设计一、引言余热锅炉是一种能够利用工业生产过程中产生的余热来产生蒸汽或热水的设备，可以达到节能环保的目的。

在余热锅炉的工作过程中，水位控制是非常重要的，如果水位太低或者太高都会影响锅炉的正常工作。

设计一种有效的水位控制系统对于余热锅炉的安全稳定运行至关重要。

传统的水位控制系统往往采用PID控制算法，这种算法虽然能够满足基本的水位控制需求，但是在实际应用中存在着一定的局限性，尤其是对于余热锅炉这种工作条件可能会频繁变化的设备，PID控制系统的鲁棒性较差，难以满足复杂变化的工作条件。

本文将介绍一种基于模糊自适应控制的余热锅炉水位控制系统设计方案，该方案能够实现对余热锅炉水位的精准控制，并且具有良好的鲁棒性和适应性，能够更好地满足余热锅炉工作条件的需求。

1. 水位传感器水位传感器是水位控制系统的重要组成部分，它能够实时监测余热锅炉内水位的变化情况。

传统的水位传感器通常采用浮球测量原理，但是这种传感器存在着灵敏度低、易受压力影响等缺点。

本设计将采用高精度的压力传感器作为水位传感器，通过测量水位对应的压力值来实现对水位的准确监测。

2. 模糊自适应控制算法传统的PID控制算法在应对工作条件频繁变化的情况下存在着一定的局限性，因此本设计将采用模糊自适应控制算法来实现对余热锅炉水位的精准控制。

模糊控制通过建立模糊规则库和模糊推理来实现对系统的控制，能够较好地应对工作条件的变化。

自适应控制能够根据系统的实际运行情况实时调整控制参数，从而实现更加精准的控制效果。

3. 控制系统硬件设计余热锅炉水位控制系统的硬件设计需要考虑到现场环境的实际情况，包括温度、湿度、振动等因素。

本设计将采用工业级的控制器作为控制系统的核心，同时配备防水、防尘、抗干扰的外壳，以保证控制系统在恶劣的工作环境下能够稳定可靠地工作。

4. 系统集成与调试水位控制系统的集成与调试是整个设计过程中的重要环节。

在集成过程中，需要确保传感器、控制器、执行机构等各个部件能够良好地协同工作；在调试过程中，需要通过实际的工作情况对控制算法进行优化，从而实现对水位的更加精准的控制。

基于模糊控制的清水池水位控制系统设计

基于模糊控制的清水池水位控制系统设计
王小娟，刘俊霞，胡兵
（新疆工程学院，乌鲁木齐８３００１１）
摘要：清水池水位控制具有时变、滞后、突发性强等特点，难以准确建立合适的数学模型，为了达到快速维持清水池水位在期望值，避免所有水泵同时启停的目的，提出了一种清水池水位模糊控制的方法，该方法借助于ＭＡＴＬＡＢ软件对控制系统进行了仿真，验证了模糊控制算法在清水池水位控制系统中应用的合理性，并计算出模糊输出控制量表，为确定水泵启停台数提供指导；采用了Ｓ７－２００ＰＬＣ控制器和ＭＣＧＳ组态软件实现了清水池模糊控制系统的程序设计，给出相应的模糊控制ＰＬＣ程序，并应用于清水池水位控制系统中；结果表明，系统稳定性好，响应速度快，能够较好地满足控制要求；系统将模糊控制理论与实际控制相结合，满足了清水池水位控制的要求，延长了水泵使用寿命，节省电能，为清水池水位自动控制提供借鉴。
１系统 Βιβλιοθήκη 构及组成在工业控制中，ＰＬＣ由于其稳定性、可靠性和很高的性价比，应用广泛，文章提出以ＰＬＣ为为控制器，采用模糊控制算法，借助于上位机的组态软件，实现清水池水位控制。控制系统结构如图１所示，系统上位机安装组态软件作为监控界面，实时监控现场液位、管道压力、流量、水泵轴承温度等模
关键词：清水池；模糊控制；ＰＬＣ；ＭＣＧＳ；Ｓ７－２００
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