1、 本科 毕业 论文 (设计 ) （二零 届） 基于模糊逻辑的水箱水位控制 所在学院 专业班级 电气工程及其自动化 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 - 1 - 摘 要 近几年模糊逻辑已经从理论发展成一门专门的模糊逻辑技术，应用在工业生产、家用电器中，并获得迅速发展。介绍常规 PID 控制器的设计方 法，研究常规PID 控制算法的特点及其存在的不足之处，熟悉模糊逻辑控制器的设计方法和特点，了解模糊逻辑控制系统设计与应用中的最新研究成果。 PID 控制器具有结构简单、容易实现、控制效果好、鲁棒性强等特点，模糊控制较 PID 控制的优点在于对模型的精确度要求不是很高，而 PID 控制
2、对于模型的变动比较敏感，改动传递函数的结构或者参数后需要重新调试 Kp、 Ki、 Kd 才能适应新模型，而模糊控制一旦调好参数后对变动的模型只需微调参数甚至不需要调参数就能达到较好的控制性能。以水箱水位控制为对象，设计出 PID 控制器和模糊逻辑控制器 ，使用 MATLAB 作为工具对控制系统进行仿真分析比较。分析这些不能或很难确定精确数学模型的情况下，用模糊逻辑控制是否能得到非常好的效果。 关键词： 模糊控制； PID 控制； MATLAB 仿真；控制系统 - 2 - Abstract In recent years, fuzzy logic theory has been develope
3、d into a specialized fuzzy logic technology, used in industrial production and household appliances, and has received a rapid development. PID control has many characteristics， such as its simple structure， it is easy to realize， good control effect and robustness， and so on，by far， which is the mos
4、t stable control method. Fuzzy control is better than PID control in the accuracy requirements of the model which is not very high， while PID control is more sensitive to the changes of the model. It needs to debug Kp， Ki and Kd to adapt to the new model after changing the structure of transfer func
5、tion or parameters. However， once the fuzzy control has debugged the parameters to the model which can achieve better control performance while only needs to fine-turning or even doesnt need to debug the parameters. Key Words: Fuzzy Control; PID Control; MATLAB Simulation; Control System - 3 - 目 录 1
6、 引言 . 错误 !未定义书签。 2 PID及模糊逻辑介绍 . 错误 !未定义书签。 2.1 PID控制简介 .2 2.1.1 PID控制原理 .2 2.1.2 PID控制器的参数整定 .3 2.2模糊控制的基本原理 . 错误 !未定义书签。 2.2.1模糊语言 .8 2.2.2 模糊控制规则及控制算法 .9 2.2.3模糊控制算法 .9 2.3模糊控制器的设计 .10 2.3.1输入量和输出的模糊化 . 11 2.3.2模糊规则的描述 . 11 2.3.3求模糊关系 .12 2.3.4模糊决策 .13 2.3.5控制量的反模糊化 .14 3 MATLAB仿真软件的应用 .15 3.1 MAT
7、LAB的基本介绍 .15 3.2 simulink仿真的基本介绍 .16 3.3水箱水位控制的 MATLAB的仿真实现 .17 3.4 仿真结果 .18 4 水箱水位模糊控制 .18 4.1 模糊控制器的实现 .19 4.2 控制器软件流程图 .20 5 总结 .21 致谢 .22 参考文献 .23 附录 模糊控制部分程序 .24 - 1 - 1 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。 水位控制系统在各个领域上都
8、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。 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
9、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 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
10、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。 - 2 - 2 PID 及模糊控制介绍 模糊控制是 20 世纪 60 年代末到 70 年代中期开始崛起的一种新技术，模糊控制诞生后，就是依赖于微型机这种工具而不断发展的。在实际应用中，这种控制技术要想深入到家庭和人们的日常生活，就不可避免地采用单片机 1。 2.1 PID 控制简介 PID 控制作为最早发展起来的控制策略之一，它将系统误
11、差的比例（ P）、积分（ I）和微分（ D）通过线性组合构成控制量，对被控对象进行控制。因其具有算法简单、鲁棒性好和可靠性高等优点，被广泛应用于工业过程 控制。 PID 控制器设计的主要设计难点是如何确定比例、积分和微分增益系数，其合适的增益系数的获得，传统的 PID 控制采用线性定常组合的方法，需要经过大量实验，工作量很大，难以协调快速性和稳态特性之间的矛盾，在具有参数变化和外干扰的情况下，其鲁棒性也不够好，随着对系统性能要求的不断提高，传统的 PID 控制往往不能满足要求，在这种情况下吸取智能控制的思想，并利用计算机技术优势对传统 PID 进行改造，形成了自适应 PID、模糊 PID 和神
12、经网络 PID等新型 PID 控制方法，使其适应新的要求，在控制过程中不仅 PID 参数的整定不依赖于对象数学模型，而且还可以在线调整，能够满足实时控制的要求 2。 2.1.1 PID 控制原理 常规 PID 控制系统由图 2-1所示由模拟 PID 控制器和被控对象组成， PID 控制器是一种线性控制器，它根据给定值 r（ t）与实际输出值 y（ t）构成控制偏差 e（ t） =r（ t） -y（ t），将偏差的比例（ P）、积分（ I）和微分（ D）通过线性组合构成控制量，对被控对象进行控制。 PID 控制规律由公式（ 2-1）可见。 t dt tT D d edttep 0 )()(1T1
13、e ( t )Ku ( t )（ 2-1） 其中 u（ t）为 t时刻的控制量， Kp， T1， TD为比例系数积分，时间常数和微分时间常数 3。简单说来， PID 控制器各校正环节的作用如下： - 3 - （ 1）比例环节 即时成比例地反映控制系统的偏差信号 e（ t），偏差一旦产生，控制器立即产生控制作用，以减少偏差。 （ 2）积分环节 主要用于消除静差，提高系统的无差度。积分作用的强弱取决于积分时间常数 T1， T1 越大，积分作用越弱，反之则越强。 （ 3）微分环节 反映偏差信号的变化趋势，并能在偏差信号值变得太大之前，在系统中引入一个有效地早期修正信号，从而加快系统的速度 减小调节时
14、间图 2-1 PID 控制结构图 2.1.2 PID 控制器的参数整定 PID 控制器控制参数的选择，可按连续 -时间 PID 参数整定方法进行。在选择 PID 参数之前，首先应该确定控制器结构。对允许有稳态误差的系统，可以适当选择 P或 PD 控制器，使稳态误差在允许的范围内。对必须消除稳态误差的系统，应选择包含积分控制的 PI 或 PID 控制器。一般来说， PI、 PID 和 P 控制器应用较多。 而其中 对于有滞后的对象 ,往往都加入微分控制 ，即 D控制 4。 控制器结构确定后 ，即可开始选择参数。参数的选择，要根据受控对象的具体特性和对控制系统的性能要求进行。工程上，一般要求整个闭
15、环系统是稳定的，对给定量的变化能迅速响应并平滑跟踪，超调量小；在不同干扰作用下，能保证被控量在给定值；当环境参数发生变化时，整个系统能保持稳定，等等 5。这些要求，对控制系统自身性能来说，有些是矛盾的。我们必须满足主要的方面的要求，兼顾其他方面，适当地折衷处理。 P I 传感器 被控对象 D 输入给定量 误差 反馈信号 - 4 - PID 控制器的参数整定，可以不依赖于受控对象的数学模型。工程上， PID控制器的参数常常是通过实验 经验或实验凑试 来确定 。 (1)实验凑试法 实 验凑试法是通过闭环运行或模拟，观察系统的响应曲线，然后根据各参数对系统的影响，反复凑试参数，直至出现满意的响应，从
16、而确定 PID 控制参数。 整定步骤 ： 实验凑试法的整定步骤为先比例，再积分，最后微分。 整定比例控制 将比例控制作用由小变到大，观察各次响应，直至得到反应快、超调小的响应曲线。 整定积分环节 若在比例控制下稳态误差不能满足要求，需加入积分控制。先将步骤 中选择的比例系数减小为原来的 50 80，再将积分时间置一个较大值，观测响应曲线。然后减小积分时间，加大积分作用，并相应调整比例系数，反复试凑至 得到较满意的响应，确定比例和积分的参数。 整定微分环节 若经过步骤 ， PI 控制只能消除稳态误差，而动态过程不能令人满意，则应加入微分控制，构成 PID 控制。先置微分时间 TD=0，逐渐加大
17、TD，同时相应地改变比例系数和积分时间，反复试凑至获得满意的控制效果和 PID控制参数 【 4】 。 (2)实验经验法 1.衰减曲线法 先在单纯 P 作用下凑试比例度值，找出满足规定衰减比 N 下的比例度 0（ %）。对随动系统，取 N=10： 1，同时测出上升时间 tr（即从被控变量明显地开始变化到接近第一个峰值所需的时间）。对定值系统，取 N=4:1，同时测出工作周期 TP。如果准备采用单纯 P作用，就采用 s 值，在一般情况下则按下表确定调节器参数，如下表 2-1 为整定参数 6。 - 5 - 表 2-1 采用衰减曲线法的整定参数 % Ti Td P 2 S PI 1.2 S 2tr 或
18、 0.5Tp PID 0.8 S 1.2tr 或 0.3Tp 0.4tr 或 0.1Tp 本法的缺点是有时候衰减比读不清楚，调节过程很快时更是难定。作为近似，曲线震荡两次后基本平稳可认为衰减比达到 4:1。 2.临界比例度法 系统达到等幅震荡状况可观察得相当清楚，在临界 比例度法中，先用单纯 P作用，比例度自大而小作调整，达到等幅震荡的比例度称为临界比例度 k，这时候的工作周期是临界周期 Tk，然后按下表确定调节器参数。 要用本法整定调节器参数，必须注意以下两点： (1)在整定过程中一定要出现等幅振荡，必须考虑工艺上是否容许，特别是在振幅很宽的情况，更须注意。 (2)从理论上说， k 以后，被
19、控变量将呈现扩大振荡，但在实际上很多环节都有饱和特性，因此振幅仍是有限的，与等幅振荡没有差别。所以在采用临界比例度法时。比例度必须自大而小，吧开始出现等幅振荡没有差别。所以在采用临界比例 度法时，比例度必须自大而小，把开始出现等幅振荡的比例度作为临界比例度，如下表 2-2为采用临界比例法整定参数 7。 表 2-2 采用临界比列法的整定参数 % Ti Td P 2 S Pl 2.2 S 0.85Tp PID 1.7 S 0.50Tp 0.125Tp 3.调节器参数整定的反应曲线法 从完全凭经验的方法到纯粹的理论计算，期间可以有多种层次。当操纵变量作阶跃变化时，被控变量随时间的变化曲线称为反应曲线
20、。对有自衡的菲振荡过程，广义对象的传递函数与公式（ 2-2）近似。 K0、和 T可用图解 法等得出。- 6 - 调节器参数整定的反应曲线是依据广义对象的 K0、和 T 确定调节器参数的方法。 1sT eK(s )G .s00 (2-2) 本法也是 Ziegler 和 Nichols 在 1942 年提出的，但是直到近年仍有不少改造，并赋予新的内容。理论分析如下： (1)纯时滞对象 s00 eK(s)G ,达到稳定边缘的 KcK0=1，振荡频率 =0.5 /，工作周期 TP=2。 (2)对有时滞的一阶对象，如 /T 很小，则达到稳定边缘的 KcK0 ,振荡频率 =0.5 /，工作周期 TP=4。
21、 (3)对有时滞的一阶对象，如 /T 不是太小，则达到稳定边缘为 KcK0 1，工作周期在（ 2 4）范围内。 (4)有时滞的二阶对象，达到稳定边缘的工作周期可能超过 4。 由上可见， PID 控制器是最简单实用的控制器，但他的的参数整定往往需要一定的经验和凑数的方法来实现，这样整定参数非常麻烦和困难，而且往往只对线性系统适用，所以尝试与新型算法相结合是发展 PID 的必经之路 8。 2.2 模糊控制的基本原理 在模糊控制中，对模糊量的描述是以模糊集合为基础的， 模糊控制的核心在于模糊控制器的设计。模糊控制器要和客观环境中的精确量进行信息交换，或者输出模糊控制量要想控制被控对象时，必须解决环境中的精确量转换成模糊量和模糊量转换成精确量的问题，才能使精确量能在模糊控制器中得到正确的处理，同时向控制对象提供精确的控制输出变量，达到控制对象的目的。另一个更为重要的问题是，模糊控制器在控制中接收输入模糊量后，是以何种机理产生恰当的模糊控制量输出的。这涉及到模糊控制器的推理形式、推理的合理程度、推理的速度及具体算法等。 模糊控制是一种建立在模糊数学理论基础之上的基于规则的智能 控制方法，它的理论方法、实现技术都和传统的控制理论和技术有极大的区别。作为一种较新的智能控制方式，模糊控制也要遵循一定的规律和法则，也即模糊控制具有一
