基于MATLAB的液位模糊控制系统设计

2. 3 模糊控制器的规则设计 确定模糊控制规则的原则是必须保证控制器 的输出能够使系统输出响应的动态特性达到最佳。 根据水箱液位系统的要求, 当实际的液位小于给定 的液位, 即输入量 e 大, 将阀门开度变大时, 实际液 位高度就会上升 , 这就设计出一条规则如下 : 如果误差 e 是 PB, 且液位变化率 de 是 PB, 则 控制 P 为 H I GH ER; 如果误差 e 是 PB, 且液位变化率 de 是 PS, 则 控制 P 为 H I GH ER; 根据这样的原理可设计出模糊控制器的 23
2. 4 解模糊 模糊控制器只有一个输出 , 解模糊的方法采 用重心法
[ 6]
,即
59
(p i )p i p
*
=
i= 1 59
(p i )
i= 1
式中: p i 表示输出 P ( 即阀门的开度 ) 的第 i 个语 言变量 ; ( p i ) 表示第 i条规则所得到的输出 p i 的 隶属函数值。
图 5 水箱液位模糊控制系统仿真框图
图 6 水箱液位模糊控制系统的仿真结果
图 7 水箱液位 PID 控制系统的仿真结果
4 结
论
输出改变调节阀的开度来改变水箱的液位高度, 达到用两维模糊控制器的方法来控制水箱系统的 液位高度, 同时将模糊控制器和 P I D 控制器比较, 仿真运行结果表明了水箱模糊控制系统获得更好 的控制性能指标。
( 下转第 270 页 )
图 1 水箱模糊控制系统示意图
图 4 输出量 p 的隶属度函数
中位水箱系统的模糊控制器设计为两个输入 一个输出, 一个输入为水箱的液位给定值与实际wenku.baidu.com 位 H 的误差 e, 另一个输入为误差 e 的变化率 de。 模糊控制器的输出是阀门开度 p, 阀门开度间接控 制容器的水位高度, 从而达到调节水箱的液位高 度。图 2所示为液位模糊控制系统框图。
A bstract : A two d i m ens ional fuzzy con tro lle r for water tank system is designed w ith dual inpu t and s ingle ou tput . T he fuzzy con tro ller ou tput regu lates valve and m akes the water tank leve l up to the set po int . The fuzzy contro ller w ith dual inpu t and sing le outpu t is m ade by us ing M ATLAB fuzzy too lbox. The curve o f the actual level track ing the desired level is gained through si m u link si m u la tion. S i m u lation resu lts show that th is fuzzy contro ller is superior to the trad itional PID con tro lle r . The w ater tank fuzzy con tro l system possesses good con tro l perform ance . K ey words: fuzzifie r ; defuzzifie r ; fuzzy contro lle r ; water tank syste m
中图分类号 : TP 273 . 4
Design of Level Fuzzy Control System Based on MATLAB
D ING Z ha o hon g
( School ofM echanica l and Autom ation Eng ineer ing, Shangha i Institute of Techno logy , Shangha i 200235 , China)
收稿日期 : 2009- 06- 26 基金项目 : 上海市教委科研基金资助项目 ( 07ZZ163) 作者简介 : 丁肇红 ( 1966- ) , 女 , 副教授 , 主要研究方向为系统辨识、 非线性控制和模糊控制 .
第 4期
丁肇红 : 基于 MA TLA B 的液位模糊控制系统设计
259
实际液位的误差 e, 另一个输入为误差 e的变化率 de, 模糊控制器的输出用来控制阀门的开关 , 从而 调节水 箱的 液位高 度。运 用 MATLAB 中 的 F IS 系统工具箱实现双输入单输出的模糊控制器, 并 结合 S i m u link 仿真得到实际液位跟踪给定液位的 曲线, 仿真结果证实水箱模糊控制系统获得良好 的控制性能指标。
[ 1]
出的 P I D 控制器也难以使系统达到超调量为 4 . 3 % 的较理想的控制效果。基于这种情况下, 模糊 控制就显得意义重大。因为模糊控制不用建立数 学模型 , 根据实际系统的输入输出的结果数据 , 参 考现场操作人员的运行经验, 就可对系统进行实 时控制。因此利用模糊控制技术来设计液位控制 系统将更直接、 更有效 , 是非线性控制的一种更有 力的控制 手段。模糊控 制技术已日趋成 熟和完 [ 2~ 6] 善 。本文水箱系统的模糊控制器设计为两个 输入一个输出, 一个输入为水箱的液位给定值与
图 3 输入量 e 和 de 的隶属度函数
2. 2 模糊控制器的输出设计 对于输出量的设计方法, 也与上面输入的设置 方法相类似将输出变量 p 的隶属度函数曲线命名 为 : Lower 、 Low、 Equal 、 H igh 、 H ig her , 得到的隶属度 函数曲线形状和参数, 并且在创建输出变量进行隶 属函数时应该有意识的把 Equal时的三角形曲线 形状设置的比较窄, 因为在输出变量平稳时, 误差 相对要小而分辨率和灵敏度应该相对要高。输出 u 的 5 个模糊子集和隶属函数如图 4 所示。
基于 MATLAB 的液位模糊控制系统设计
丁肇红
( 上海应用技术学院 机械 与自动化工程学院 , 上海 200235)
摘要:
对水箱系统设计一个两维模糊控制器 , 模糊控制器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 。运用 MATLAB 模糊工具箱实现双输入单 输出的模糊控制器, 并结合 Si m ulink 仿真得到实际液位跟踪给定液位的曲线 , 仿真结果证实该 模糊控制器优越于常规的 P ID 控制器, 水箱模糊控制系统获得良好的控制性能指标 。 关键词 : 模糊化 ; 反模糊化 ; 模糊控制器 ; 水箱系统 文献标识码 : A
传统控制方法均是建立在被控对象的精确数 学模型 之上的 , 随着系统复 杂程度的提高 , 将 难以建立系统的精确数学模型和满足实时控制的 要求。在实际工业生产中, 很多系统的影响因素 很多, 十分复杂。大多数实际系统都是非线性的, 建立精确的数学模型特别困难。双容对象受到扰 动后, 被控参数 ( 液面高度 ) 的变化速度并不是一 开始就最大 , 而是要经过一段时间之后才能达到 最大值。双容对象的数学模型是非线性的, 由于 建立的液位对象模型不够精确 , 采用此模型整定
本文通过对中位水箱系统液位偏差和液位偏 差的变化率进行模糊化处理, 利用控制经验知识 建立了两位液位模糊控制规则 , 再通过反模糊化
270
上海应用技术学院学报 (自然科学版 )
第 9卷
w e i au fbau der H efe[ J]. Ber D tseh Chem C es , 1907, 40 ( 4 ): 1027- 1047 . [ 7] S tark D. E xtractive b ioconversion o f 2- phenyle thano l from L - pheny lalan ine by Saccharo my ces cerevisiae[M ]. PhD thesis , Sw iss Federal In stitu te of Techn ology L ausanne , 2001. [ 8] E lena A lbertazz, i Rosanna Card illo , Stefano Serv.i B iogeneration of 2- phenylethano l and 2- phenyle thylacetate i m portant aroma componen ts [ J]. B io technology Letters , 1994, 16( 5): 491- 496. [ 9] Fabre C E, B lanc P J , Go m a G. S creen ing of yeasts producing 2- phenylethyl alcoho l[ J]. B io technology Techn iques , 1997 , 11 ( 8): 523- 525 . [ 10 ] E tschm ann M M W, Se ll D & Schrader J . Screen ing o f yeas ts for the p rodu ction of the aro ma co m pound 2- phenylethano l in a mo lasses based m ed ium [ J]. B io techno logy L etters , 2003, 25 ( 2 ): 531- 536. [ 11 ] H uang C J , Lee S L, Ch ou C C . Production and m olar y ie ld of 2 - Pheny leth anol by p ich ia fer m entam L - 5 as affected by some mediu m co m ponen ts[ J ]. Journal of B ioscience and B ioeng i neering, 2000, 90 ( 2 ): 142- 147. [ 12 ] E tschm ann M M W, Sell D, Schrader J . M ed ium op ti m ization for the production o f the aro ma co m pound 2 - phenylethano l u sing a genetic a l gorithm [ J ]. Journal of M olecular C atalys is B: Enzym atic , 2004, 29 ( 5 ): 187- 193. [ 13 ] Ju liano Garavaglia , Si m one H ick m ann F lo res , Tan ia M ara P izzo lato . B ioconversion of L - phen y lalan ine in to 2 - phenylethano l by K luyvero my ces m arx ianus in grape m ust cu ltures[ J]. W orld J M icrob io l B iotechno,l 2007 , 23 ( 6 ): 1273- 1279. [ 14 ] S tark D, Zala D, M nch T, et a. l Inh ib ition as pects o f the bioconvers ion o f L - phenylalan ine [ 21 ] [ 18 ] [ 17 ] [ 16 ] [ 15 ]
2 液位模糊控制器的设计
2. 1 模糊控制器的输入设计 将误差 e 和误差 e 的变化率 de 模糊化 , 根据 隶属函数遵循的基本原则
[ 5]
设计 e 和 d e 的 5 个
模糊子集及隶属函数如图 3 所示, 5 个模糊子集 为 NB、 NS 、 ZE、 PS 、 PB。
1 水箱液位模糊控制系统结构
过程控制系统由被控对象和控制装置两部分 组成。水箱系统的被控对象一般包括上位水箱、 中 位水箱、 下位水箱。控制装置有传感器、 调节阀、 交 流变频器、 流量传感器、 调节器等。本文选用的对 象为上位水箱和中位水箱的双容对象 , 模糊控制器 用来控制中位水箱的液面高度, 要求中位水箱控制 系统的超调量 5 % , 响应时间 10 s 。 图 1 为中位水箱模糊控制系统示意图。图中 模糊控制器根据水箱流出的水量, 确定流入水量。 其具体原理为模糊控制器 根据所设定的 模糊规 则 , 结合压力传感器检测实际的液位高度 H , 通过 控制阀门开度来控制水箱的流入水量 , 以达到维 持水箱液位高度稳定在一定值的目的。
图 2 液位模糊控制系统框图
条模糊控制规则如表 1 所示。
260
表 1 模糊控制规则表
de PB PS ZE NS NB e PB HI GHER LOW LOW ER LOW ER PS HIGHER EQUAL LOW LOW LOW ER ZE H IGHER H IGH EQUAL LO W LO W ER
第 9卷 第 4 期 2009 年 12月
上 海 应 用 技 术 学 院 学 报 (自 然 科 学 版 )
J OURNAL OF S HANGH AI INST ITUTE OF TECHNOLOGY ( NATURAL SC IENCE )
V o. l 9No . 4 D ec . 2009
文章编号 : 1671- 7333( 2009) 04- 0258- 03
上海应用技术学院学报 ( 自然科学版 )
第 9卷
3 M ATLAB 仿真与结果
NS HI GHER HI GH HI GH EQUAL LO W HI GHER HI GHER HI GHER HI GHER NB
在 Si m ulink 里搭建水箱液位模糊控制系统仿 真框图如图 5 所示, 主要由四部分组成: 信号发生 器 ; 水 箱 系 统 模 块 ; 模 糊 控 制 模 块 Fuzzy Logic Con tro lle r ; 示波器 Scope。在 S i m ulin k环境下运行 之 , 得到水箱液位模糊控制系统的仿真结果波形 图 6, 从图 6 可以看出系统的实 际输出液位能及 时跟踪给定的液位方波信号 , 超调量为 4 . 1 %, 稳 定性能很好 , 输出液位信号响应时间约 6 s, 稳态 误差控制在 5 % 之内, 达到了良 好的控制性能指 标。在图 5 中用 P I D 模块 ( P = 2 , D = 1) 取 代 Fuzzy Log ical Contro ller 可得水箱液位 PID 控制系 统的仿真结果波形图 7 , 从图 7 可以得出超调量 为 9. 3 % , 输出液位信号响应时间约 8 s 左右, 水 箱液位模糊控制器优越于水箱液位 P ID 控制。