基于MATLAB的水箱水位模糊控制系统的设计

基于MATLAB 的水箱水位模糊控制系统的设计

摘要：本文利用模糊控制理论设计出一套水箱水位模糊控制器系统，具体给出了系统设计方案，并应用MATLAB 软件对该控制系统进行验证。仿真结果表明该系统取得了良好的预期效果，有效的提高了水位控制的精度。 关键字：水位; 模糊控制; MATLAB

Abstract: This paper designs a suit of water lever fuzzy controller system in the water tank using the fuzzy control theory, and gives us a system design project which is validated by the MATLAB. The final result shows that the project obtains an excellent anticipant result; it also enhances the precision of the water control.

Keywords: water lever; fuzzy control; MATLAB 0引言

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”。

本文针对水位控制对象及其环境、目标和任务的不确定性和复杂性而提出一种模糊控制器，很好的实现了水位的自动化控制。 1水箱水位自动调节系统设计

系统利用OMRON 公司生产的C200HE 型可编程控制器作为下位机，装有组态王6.51的个人电脑作为上位机，集工控组态技术、PLC 技术、DDE 通信技术和智能控制技术于一体，构

成一个完整的过程计算机控制系统，即水位自动控制系统[2]

。其工艺流程主要包括3部分：首先，通过PLC 将水位传感器检测到的水位模拟量送至上位机的CRT 上显示；其次，上位机可发出启停泵、阶跃实验等指令，并对上述指令信号动态采样，在CRT 上显示；再次，利用DDE 通信技术将组态王采集到的水位高度、水位高度误差等信号通过Excel 作为中间媒介读取到MATLAB 中，然后按照MATLAB 预先编好的模糊PID 控制算法计算出系统的控制量，最后MATLAB 也是利用DDE 技术将计算出的控制量送到组态王，再由组态王送到PLC 的DA 单元去控制变频器，从而实现水箱系统水位的自动调节。系统方框图如图1所示：

上图由DV707型交流变频器、C200HE 型可编程序控制器、CY3011A 型水位传感器、PC 机以及水泵等设备组成，

2水位模糊控制的设计

水位是在生产运行中需要严格控制的参数之一，它的主要动态特性包括:非线性、非最小相位特性、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。

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}。

依据控制经验，可建立单容水箱水位模糊控制系统的模糊控制规则如表1所示。

表1 模糊控制规则

3系统的仿真结果

经过不断的观察、调试后，本文设计的模糊-PID复合控制器获得了满意的控制效果。当使用此模糊-PID复合控制器对水箱水位进行自动控制时，在组态王的监控界面中观察水箱水位的实时趋势曲线图如图5所示。

图5 采用模糊-PID控制的水位实时趋势曲线图Ⅰ

上图所示为整个系统运行初始阶段的水位实时曲线图。而要对控制器的控制效果进行分析、比较，还需要有系统稳定运行阶段的实时曲线图，如图6。

图6采用模糊-PID控制的水位实时趋势曲线图Ⅱ

4结论：

由上面的两幅曲线图可以看出，水箱水位可以较快的上升到设定的高度，即具有较小的上升时间；水位第一次超过设定水位较小，即系统的最大动态误差较小；水位能够稳定在给定值附近，即此系统的稳态误差较小。综上，从以上三个方面和实际的水位曲线来看，说明了采用此模糊-PID控制器可以起到很好的控制效果，是一种比较理想的控制方案。

参考文献：

[1]刘淑荣，袁铮.水箱液面模糊控制及Matlab仿真实现[J],微计算机信息,2005 NO.31.

[2]刘满华,任正云. 监控平台软件与MATLAB的DDE通讯,微型电脑应用,2002,18(1):27～29

[3]闻新,周露等.MA TLAB模糊逻辑工具箱的分析与应用.北京：科学出版社,2001.48~56

[4]Zadeh LA.Fuzzy Algorithm Information Control,1968,12: 94～102