-基于MATLAB的双容水箱液位的模糊神经控制

自动化专业综合实践报告
题目 双容水箱液位的模糊神经控制
学生姓名 教学院系 专业年级
学号 电气信息学院 自动化 20 级
指导教师
完成日期
2014 年 3 月 19 日
摘要
传统的控制理论如 PID 及其改进的控制方法可以实现对一些简单系统的控 制。然而在控制复杂或难以精确描述的控制系统时它们往往不能表现出良好的控 制效果。智能控制理论的提出有效解决了这一问题。目前，智能控制己经作为一 门独立的学科，iH 式在国际上建立起来，并被控制领域里的学者们广泛研究。 本文以双容水箱液位控制系统(存在大惯性滞后环节复杂控制系统的典型代表) 作为研究对象。首先，通过机理法分析并建立了系统的数学模型，得出控制系统 的传递函数；其次，详细论述了 PID 控制思想、模糊控制思想及神经网络控制 思想的相关理论及应用现状。并通过 MATLAB 中的 Simulink 模型，采用 PID 控 制、模糊控制及神经网络预测控制的方法对系统进行仿真。最后，通过对比三种 控制方法的控制仿真曲线，直观地得出结论。从而验证智能控制思想在复杂控制 系统中的应用价值。智能控制系统具有更加优秀的性能，具体表现为：系统超调 量小、调节时间短、容错能力及抗干扰能力强，表现出良好的鲁棒性。随着人工 智能技术、计算机技术的迅速发展，智能控制及其算法的研究与应用越来越成为 学术界所关注的热点问题，智能控制也必将迎来它的发展新时期。
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自动化 2010 级综合实践
Mendel 进一步在空间飞行器的学习控制系统中应用了人工智能技术，并提出了“人工 智能控制”的概念；1967 年，Leondes 和 Mendel 首先 JH 式使用“智能控制”一词。20 世纪 70 年代初，傅京孙、GlofisO 和 Saridis 等学者从控制论角度出发，将人工智能 技术与自适 1 北方工业大学硕士学位论文应、自学习控制的关系进行了总结，认为智 能控制是人工智能技术与控制理论的交叉，并创立人机交互式分级递阶的智能控制系 统结构。20 世纪 70 年代中期，以模糊集合论为基础，智能控制在规则控制研究上取 得了重要进展。1974 年，Mamdani 提出了基于模糊语言描述控制规则的模糊控制器， 将模糊集和模糊语言逻辑用于工业过程控制，之后又成功开发出自组织模糊控制器， 这使模糊控制器的智能水平得到较大提高。模糊控制的产生、发展及其与人工智能的 相互渗透，对智能控制理论的形成起了十分重要的推动作用。20 世纪 80 年代，专家 系统技术的逐渐成熟及计算机技术的迅速发展，使得智能控制和决策的研究也取得了 较大进展。1986 年，KJ.Astrom 发表的著名论文《专家控制》中，将人工智能中的专 家系统技术引入控制系统，组成了另一种类型的智能控制系统——专家控制。目前， 专家控制方法已有许多成功应用的实例。
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双容水箱液位的模糊神经控制
1 引言
1.1 研究背景
传统控制领域中的系统动态模式是否精确直接关系到控制效果的优劣，即系统的 动态信息越详细便越能达到精确控制的目的。传统的控制算法应用于明确系统有着强 而有力的控制能力如：采用 PID 及其相应改进算法可以实现对一些简車系统的控制。 其特点在于方便实现对被控对象的控制，并不要求很高的控制精度。而复杂或者难以 精确描述的控制系统的变量较多，难以准确描述系统的动态。因此我们利用各种方法 简化系统动态实现控制，但效果往往不尽人意。模糊控制在模糊逻辑中应用最为广泛。 模糊控制器是一种引入隶属度的概念，用条件语句表述控制规则从而实现控制的非线 性控制器。因此，它带有明显人类智能思维的特征。然而，模糊控制也存在一个缺陷， 即是没有一种良好的学习架构和方法。神经网络是基于人类神经网络解剖的基础上 的，它描述的是人类神经刚络传递、处理信息的微观过程。神经网络控制主要特点如 下：可以充分逼近任意复杂的非线性关系；所有定量或定性的信息都等势分布 C：存 于网络内的各神经元，故有很强的鲁棒性和容错性；采用并行分布处理方法，使得快 速进行大量运算成为可能；可学习和自适应不知道或不确定的系统；能够同时处理定 量、定性知识。便于给出工程上易于实现的学习算法。因此，引入神经网络的概念， 基于神经网络研究各种先进控制算法，越来越成为解决控制复杂控制系统的必要途 径。 1.2 智能控制
关键词：双容水箱；仿真实验；PID 控制；神经网络
目录
1 引言.............................................................................................................................1 1.1 研究背景..............................................................................................................1 1.2 智能控制..............................................................................................................1 1.2.1 智能控制的产生及研究现状 .......................................................................1 1.2.2 智能控制的类型及研究对象特点 ...............................................................2 1.2.3 智能控制的未来发展趋势 ...........................................................................2 1.3 研究内容及章节介绍..........................................................................................3
4 神经网络及控制方法...............................................................................................12 4.1 神经网络简介....................................................................................................12 4.1.1 神经网络概述 .............................................................................................12 4.1.2 神经网络的特征及性质 .............................................................................13 4.2 BP 网络学习过程及其算法 ..............................................................................13 4.3 神经网络控制方法简介....................................................................................15
1.2.1 智能控制的产生及研究现状
自 1932 年奈魁斯特(H.Nyquist)的有关反馈放大器稳定性论文发表以来，控制理 论的发展已走过了近 80 年的历程。前 30 年是经典控制理论的发展和成熟阶段，后 50 年是现代控制理论的形成和发展阶段。随着研究的对象和系统越来越复杂，借助 于数学模型描述和分析的传统控制理论已难以解决复杂系统的控制问题。智能控制是 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产生和发展起来的。从 20 世纪 60 年代起，计算机技术和人工智能技术迅速发展，为了提高控制系统的自主 学习能力，人工智能技术被学者们提出并广泛应用于控制系统。1965 年，美籍华裔 科学家傅京孙教授首先把人工智能的启发式推理规则用于学习控制系统；1966 年，
3 PID 控制及参数整定 ...............................................................................................10 3.1 PID 控制简介 ....................................................................................................10 3.2 双容水箱 PID 控制系统的仿真实验 ...............................................................10
2 系统建模与 MATLAB 环境 ......................................................................................4 2.1 过程控制系统的建模方法..................................................................................4 2.1.1 机理法 ...........................................................................................................4 2.1.2 测试法 ...........................................................................................................4 2.2 双容水箱液位控制系统的建模..........................................................................4 2.3 MATLAB 环境及 Simulink 模型 .......................................................................8 2.3.1 MATLAB 软件简介 .....................................................................................8 2.3.2 Simulink 模型................................................................................................8