水箱水位模糊控制系统仿真建模.doc

1、中 华 人 民 共 和 国 教 育 部东 北 林 业 大 学毕 业 设 计论文题目： 水箱水位模糊控制系统建模仿真 学 生： 赵禹凇 指导教师： 孙丽萍 副教授 学 院： 机电工程学院 专 业： 电气工程及其自动化 2001 级 3 班 2005 年 6 月东北林业大学毕 业 设 计 任 务 书设计题目 水箱水位模糊控制系统建模仿真 指导教师 孙丽萍 副教授 专 业 电气工程及其自动化 学 生 赵禹凇 2005 年 1 月 8 日题目名称：水箱水位模糊控制系统建模仿真课题内容（包括计划时间安排、完成工作量与水平具体要求）主要研究内容：水箱水位控制系统属恒值调解系统，当干扰因素较多时，传统的 P

2、ID 控制难以保证系统的性能指标要求。模糊控制以其优越的以模糊量实现更优控制的特点可以很好的解决这一问题。本设计基于模糊控制理论知识实现水位控制系统的建模仿真设计。计划时间安排：3 月 1 日3 月 20 日 实习、查阅资料、调研； 13 月 21 日4 月 10 日 资料整理、研究方案的论证与确定； 24 月 24 日5 月 14 日 系统建模、仿真； 35 月 15 日6 月 15 日 设计撰写、做好答辩前的准备工作。 4工作量：说明书字数不少于 20000 字，网上查阅相关资料不少于 30 篇，参考文献不少于 130 篇，外文翻译量不少于 1500 字。将研究内容概括总结，反映研究内容的

3、摘要字数 400 字左右。 2设计所涉及的内容，模糊控制理论知识应熟练掌握。 3毕业设计要求打字、排版，统一按学校要求进行。 4学科（专业）负责人意见签名：年 月 日水箱水位模糊控制系统仿真建模摘 要水位控制系统在各个领域上都有广泛应用，虽然其结构简单但由于控制过程具有多变量，大滞后，时变性等特点，且在控制过程中系统会受到各种不确定因素的影响，难于建立精确的数学模型。虽然自适应、自校正控制理论可以对缺乏数学模型的被控对象进行识别，但这种递推法复杂，实时性差。近年来模糊控制在许多控制应用中都取得了成功，模糊控制应用于控制系统设计不需要知道被控对象精确的数学模型，对于许多无法建立精确数学模型的复杂

4、系统能获得较好的控制效果，同时又能简化系统的设计，因此，在水箱水位自动控制系统中，模糊控制就成为较好的选择。本文主要论述了应用模糊控制理论控制水箱水位系统，首先详尽的介绍了模糊控制理论的相关知识，在此基础上提出了用模糊理论实现对水箱水位进行控制的方案，建立了简单的基于水箱水位的模糊控制器数学模型。本试验系统还充分利用了 MATLAB 的模糊逻辑工具箱和 SIMULINK 相结合的功能，首先在模糊逻辑工具箱中建立模糊推理系统 FIS 作为参数传递给模糊控制仿真模块，然后结合图形化的仿真和建模工具，再通过计算机仿真模拟出实际系统运行情况。通过试验模拟，证明了其可行性。关键词： 水位控制；模糊控制；

5、MATLAB；SimulinkArtificial modeling of fuzzy control system of water level of the water tankAbstractWater level control system at each field it application not extensive, though it of simple structure have quantity , heavy to lag behind not changeable of control course of it, when characteristic chan

6、ging, it will be influenced by various kinds of uncertain factors and usually systematic in the course of controlling, so it is difficult to set up accurate mathematics model. Though self-adaptation, correct control theory can to lack mathematics model accuse of targets discerning by oneself, but th

7、is kind of method is complicated, real-time character is bad. In recent years fuzzy control in control of using achieving success, fuzzy control system is it accuse of target accurate mathematics model to know to need to design to control, can win the better control result to a lot of unable complic

8、ated systems which set up the accurate mathematics model, it is at the same time for it can not reduced system design, so, on water tank level control automatic system, control fuzzily and become better choice. This text has expounded the fact mainly that uses the fuzzy control theory to control the

9、 water level system of water tank, exhaustive introduction fuzzy relevant knowledge of control theory, is it is it go on scheme that control with fuzzy theory to water tank water level to realize to put forward on this basis at first, set up a simple one based on water level of the water tank to her

10、d households of controller mathematics model. This pilot system has also fully utilized the function that the fuzzy logic toolbox of MATLAB combines with SIMULINK, is it set up fuzzy reasoning systematic FIS is it give as parameter fuzzy to control the artificial module to transmit to build among fu

11、zzy logic toolbox at first, combine emulation and modeling tool of figure, produceactual system running situation through computer artificial simulation and then. Through simulation have proved its feasibility. Key words：Water level control; fuzzy control;MATLAB; Simulink目 录摘要Abstract1 绪论 11.1 水箱水位系

12、统概述 11.2 模糊控制理论简介 11.2.1 模糊控制理论的产生、发展及现状 11.2.2 模糊控制理论运用于水箱水位系统控制的意义 21.3 仿真建模工具软件 MATLABSIMULINK 简介 21.4 本文的主要任务及内容安排 42 模糊理论及模糊控制基础 52.1 模糊理论基础 52.1.1 从经典集合到模糊集合的转变 52.1.2 模糊集合的基本概念 62.1.3 模糊集合的基本运算 92.2 模糊控制基础 102.2.1 模糊控制的回顾和展望 112.2.2 模糊控制系统的结构 112.3 本章小结 163 水箱水位模糊控制器的建立 173.1 输入输出语言变量语言值的选取及其

13、赋值表 173.2 控制规则描述 183.3 水位控制模糊关系矩阵 183.4 模糊推理 203.4.1 输入量模糊化 203.4.2 模糊推理 213.5 模糊判决 223.6 水位模糊控制查询表 223.7 本章小结 224 利用 MATLAB 对水箱水位系统进行仿真建模 234.1 水箱水位模糊推理系统（FIS）的建立 234.2 对 SIMULINK 模型控制系统的构建 274.3 进行 Simulink 模型仿真 304.4 本章小结 31结论 32参考文献 33致谢 35东北林业大学毕业设计1水箱水位模糊控制系统仿真建模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

14、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 模糊控制理论简介1.2.1 模糊控制理论的产生、发展及现状美国加利福尼

15、亚大学教授扎德（L.A. Zadeh）在 1965 年撰写的论文Fuzzy Set开创了模糊逻辑的历史，从此，模糊数学这门学科渐渐发展起来。1966 年，P. N. Marinos 发表了模糊逻辑的研究报告，这标志着模糊逻辑真正地诞生。后来，扎德又提出模糊语言变量这个重要的模糊逻辑概念。1974 年，扎德又进行模糊逻辑推理的研究。自 1974 年英国的 E. H. Mamdani 教授成功地将模糊逻辑应用于锅炉和蒸汽机控制以来，模糊控制已逐渐得到了广泛的发展并在现实中得到成功的应用。从此，模糊逻辑成为专家学者、控制工程师们研究的一个热门课题。特别是在日本，模糊理论的应用得到空前发展，最引人注目

16、的是 1987 年 7 月仙台市采用模糊逻辑进行控制的地下铁路运输系统成功地投入运行。目前，模糊理论及其应用愈来愈受到人们的欢迎，在学术界也受到不同专业研究工作者的重视，在化工、机械、冶金、工业炉窑、水处理、食品生产等多个领域中发挥着重要的作用。究其原因，主要在于模糊逻辑本身提供了一种基于专家知识（或称为规则）甚至语义描述的不确定性推理方法。控制系统的设计不要求知道被控对象的精确数学模型，只需要提供专家或现场操作人员的经验知识及操作数据，因而对于许多无法建立精确数学模型的复杂系统能获得较好的控制效果，同时又能简化系统硬件电路的设计。充分显示了其对大规模系统、多目标系统、非线性系统以及具有结构不

17、确定性的系统进行有效控制的能力。东北林业大学毕业设计2我国模糊控制理论及其应用方面的研究工作是从 1979 年李宝绶，刘志俊等对模糊控制器性能的连续数字仿真研究开始的，大多数是在著名的高等院校和研究所中进行理论研究，如对模糊控制系统的结构、模糊推理算法、模糊语言和模糊文法、自学习或自组织模糊控制器，以及模糊控制稳定性问题等的研究，而其成果主要集中应用于工业炉窑、机床及造纸机等的控制。近年来，模糊控制已渗透到家用电器领域。国内外现在已有模糊电饭煲、模糊洗衣机、模糊微波炉、模糊空调机等在市场上出现。1.2.2 模糊控制理论运用于水箱水位系统控制的意义采用传统的控制方法对锅炉实施控制时存在以下一些难

18、以克服的困难：（）在一些应用中系统存在严重耦合，如在密封容器中水与气体的耦合。（）由环境温度的不断变化给系统带来的不确定性。（）对于多级复杂的水箱水位控制系统存在时间滞后，包括测量带滞后、过程延迟和传输时滞等。（）在一些工作环境恶劣的条件下，在测量信号中存在大量噪声。（）一些工作环境经常变化和应用广泛的设备的水位控制系统其运行参数的设定值需要经常变化。模糊控制理论以其非线性控制、高稳定性、较好的“鲁棒性” 、对过程参数改变不灵敏、参数自调整功能等众多经典控制所不具备的特点能很好的克服以上所列的困难。1.3 仿真建模工具软件 MATLABSIMULINK 简介MATLAB 软件(又称为 MATL

19、AB 语言)，是由美国 New Mexico 大学的 CleveMoler 于 1980 年开始开发的，是一个包含数值计算、高级图形与可视化、高级编程语言的集成化科学计算环境。开发该语言的最初目的是为线性代数等课程提供一种方便可行的实验手段，该软件出现以后一直在美国 New Mexico 等大学作为教学辅助软件使用，同时作为面向公众的免费软件广为流传。1984 年由 CleveMoler 等人创立的 Mathworks 公司推出了 MATLAB 的第一个商业版本。由于该软件的使用极其容易，且提供了丰富的矩阵处理功能，所以很快就吸引了控制领域研究人员的注意力，并在它的基础上开发了专门的控制理论

20、CAD 应用程序集（又称为工具箱） ，使之很快地在国际控制界流行起来，目前它已经成为国际控制界最流行的语言。除了流行于控制界，MATLAB 还在图象信号处理、生物医学工程、通讯工程等领域有广泛的应用。MATLAB 当前的功能包括可靠的数值运算(不局限于矩阵运算)、图形绘制、数据处理、图象处理、方便的 GUI（GraphicUser Interface,图形用户界面）编程，同时有大量配套的工具箱，如控制界最流行的 控 制 系 统 工 具 箱 (Control systems toolbox) ， 系 统 辨 识 工 具 箱 (Systemidentification toolbox)，鲁棒控制工

21、具箱(Robust control toolbox)，多变量频域设计工具箱(multivariable frequency design toolbox)， 分析与校正(-analysis andsynthesis toolbox)，神经网络工具箱(neural network toolbox)，最优化工具箱(optimization toolbox)，信号处理工具箱(signal processing toolbox)以及集成仿真环境 SIMULINK。参与编写这些工具箱的设计者很多是国际控制界的名流，包括 Alan Laub，MichaelSofanov ，Leonard Ljung，Jan Maciejowski 等这些在相应领域的著名专家，所有这些当然的提高了 MATLAB 的声誉与可信度，使得 MATLAB 风靡国际控制界，成为最重要