水箱液位的模糊控制

1、绪论

1.1 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液。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。而随着我国工业自动化程度的提高，规模的扩大，在工程中液位控制的计算机控制得到越来越多的应用。液位控制系统的检测及计算机控制已成为工业生产自动化的一个重要方面。

经典控制理论和现代控制理论的控制效果很大一部分取决于描

述被控过程精确模型的好坏，这使得基于精确数学模型的常规控制器难以取得理想的控制效果。但是一些熟练的操作工人、领域专家却可以得心应手的进行手工控制。因此基于知识规则的模糊控控制理论在其应用中就有了理论和现实意义

1.2模糊控制的概述

人工智能包括推理、学习和联想三大要素，它是采用非数学式子方法，把人们的思维过程模型化，并用计算机来模仿人的智能的学科。许多科学家认为下一世纪生产力的飞跃寄托于人工智能技术，并认为人工智能的发展必将带来一次新的史无前例的技术革命，第五代计算机的研究充分体现了人类左脑的逻辑推理功能，而人工智能研究的下一步是模仿人类右脑的模糊处理功能。人工智能将在逻辑推理计算机、模糊计算机和神经网络计算机这三者的基础上，由两个方面来实现，即：一是利用现有的计算机技术模拟人类的智能；二是利用一种全新的技术来实现信息处理的模糊化和网络化。前者是实现人工智能

必需的先决条件；后者是实现人工智能的根本途径。

“模糊控制理论”是由美国学者加利福尼亚大学著名教授L.A.Zadeh于1965年首先提出，至今仅有20余年时间。它以模糊数学为基础，用语言规则表示方法和先进的计算机技术，由模糊推理进行判决的一种高级控制策略。它无疑是属于智能控制范畴，而且发展至今已成为人工智能领域中的一个重要分支。其理论发展之迅速，应用领域之广泛，控制效益之显著，实为世人醒目关注。特别是近一二年内，模糊控制与其他控制策略构成的集成控制，以及与神经网络相结合的模糊神经网络等得到迅速发展，更使诸多学者确信，它是一种全新的技术和高科技的发展方向。

“模糊控制”是近代控制理论中一种基于语言规则与模糊推理的高级控制策略和新颖技术。它是智能控制的一个重要分支，发展迅速，应用广泛，实效显著，引人关注。模糊控制比传统的PID等控制方法，在强时变、大时滞、非线性系统中的控制效果有着明显的优势。将模糊控制技术应用于家电产品在国外已是很普遍的现象。单片机是家用电器常用的控制器件，把二者结合起来，可是控制器的性能指标达到最优的目的。基于模糊控制技术的单片机控制的电热水器，是对传统的电热水器开关控制的改造，具有达到设定温度时间短、稳态温度波动小、反应灵敏、抗干扰能力强、节省电能等优点。

2 水箱水位模糊控制器的建立

本章利用模糊数学工具及模糊控制理论知识，建立一个水箱水位模糊控制器，水位模糊控制器可以设计为二维控制器，即输入量是水

位误差和误差变化率，输出量是阀门控制量，但由于过程计算量大，计算复杂所以此章仅采用一维系统，即单输入——单输出统，较复杂的二维系统将在下一章里利用MUTLAB软件构建，并仿真。图 3—1为水位模糊控制系统的基本结构。

压力传感器

设定

模糊控制器

反馈

M

控制量

图1水箱水位控制

已知系统的传递函数为：1/(10s+1)*e(-0.5s)。假设系统给定为阶跃值r=30，系统初始值r0=0。

3.基于simulink的模糊控制器的仿真及其调试：

（1）启动matlab后，在主窗口中键入fuzzy回车，屏幕上就会显现出如下图所示的“FIS Editor”界面，即模糊推理系统编辑器。

（2）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。

（3）在FIS Editor界面顺序单击菜单Editor—Rules出现模糊规则编辑器。

本次设计采用双输入（偏差E和偏差变化量EC）单输出（U）模糊控制器，E的论域是[-6,6]，EC的论域是[-6,6]，U的论域是[-6,6]。它们的状态分别是负大（NB）、负中（NM）、负小（NS）、零（ZO）、正小（PS）、正中（PM）、正大（PB）。语言值的隶属函数选择三角形的隶属度函数。控制规则选用Mamdain 控制规则。

该控制器的控制规则表如图所示：

Simulink仿真图如下：

在调试过程中发现加入积分调节器有助于消除静差，通过试凑法得出量化因子，比例因子以及积分常数。Ke，Kec，Ku，Ki分别是：

3 ，2.5 ，3.5 ，0.27

4本章小结

根据仿真图像，我们能看出模糊控制具有响应速度快、适应性较强，即鲁棒性好、超调量小稳定时间较长等优点，显示出预期良好的稳态性能。

5结论

自20世纪40年代以来用计算机方法去研究系统的特性成为科学发展的时尚，在计算机上对构成的系统模型进行试验，为模型的建立和试验提供了巨大的灵活性和方便性，利用计算机，使得数学模型的求解变得更加方便、快捷和精确，能解决问题的领域也大大扩展。

水箱水位控制系统在工业中利用广泛，本文仅以一级系统作为仿真实例，并利用计算机辅助控制其实并不符合实用的设计原则，在工业中一般简单的水位控制系统是不采用计算机控制的，甚至多数都并不采用其他的电子设备控制，而是直接采用浮漂、杠杆等简单的机械结构就已足够应用了，但是随着工业的发展，一些深加工行业（如化工）需要采用多级水箱，另外一些应用（如能源行业）存在各输入输出量严重耦合现象，在这些复杂、庞大的系统面前，传统的机械结构

已不能满足要求，甚至传统的PID控制也已捉襟见肘。因此利用模糊控制来实现水位控制的想法才能浮出水面，虽然本文用事倍功半的方法讨论了这个问题，但我认为其在此领域还是值得尝试的。