水位控制系统模糊控制器的设计与仿真-开题报告

中 北 大 学毕业设计开题报告学 生 姓 名： 学 号：学 院 、 系 ： 信息与通信工程学院电气工程系专 业 ： 电气工程及其自动化设 计 题 目 ： 水位控制系统模糊控制器的设计与仿真指 导 教 师 : 2013 年 3 月 10 日毕 业 设 计 开 题 报 告1结合毕业设计情况，根据所查阅的文献资料，撰写 2000 字左右的文献综述：文 献 综 述1模糊控制的产生和发展1965 年，美国加利福尼亚大学 l.a.zadeh 教授在他的fuzzyset中首先提出了模糊数学的概念。随之，模糊控制理论及其应用也迅速发展起来。1974 年，e.h.mamdan 首先用模糊控制语句组成模糊控制器，对一个试验性的蒸汽机使用了 24 条”if a then b then c”形式的语言规则实现了控制 15。1975-1976 年，荷兰、丹麦等国家在工业过程中应用了模糊控制，取得了满意的成果 16。1975 年英国的 p.j.king 和 e.h.mamdani 将模糊控制系统应用于工业反应过程的温度控制 17。1983 年，日本日立制造厂系统开发研究所的安信等人，用预测模糊控制方法对电气铁路列车的运行和停止进行控制。日本富士电机公司、明电舍公司、立石电机公司分别在 1987 年-1989 年生产出通用模糊控制器及相应的控制软件 1。目前模糊控制技术日趋成熟和完善，模糊芯片也己研制成功。对于一个熟练的操作人员，可以凭丰富的实践经验来控制一个复杂的过程。若能把这些熟练操作员的实践经验加以总结，并用语言表达出来，它就是一种不精确的控制规则。如果用模糊数学将其定量化就转化为模糊控制算法，从而形成了模糊控制理论 4。它有如下优点：（1）无需知道被控对象的数学模型 3；（2）是一种反映人类智慧四维的智能控制 2；（3）易被人们所接受；（4）构造容易；（5）鲁棒性好。模糊控制的主要缺点是：（1）信息简单的模糊处理将导致系统的控制精度降低和动态品质变差 7；（2）控制器设计尚缺乏系统性 13。2模糊技术在水位控制系统的应用水位控制系统在造纸行业得到广泛应用，如果液位控制不好，液位高了或低了，会影响纸张的质量。本文将模糊控制实现参数的在线调整，可以有效地解决系统的非线性和不确定性，同时随时根据系统的输入与反馈的偏差及偏差率来调节水位，实现水位的恒定。实验结果表明，这样既能防止超调又能提高响应速度，明显地改善了系统的动态和静态性能，在水的压力及负载变化的情况下也能保持水位的恒定 8。3计算机仿真1.概述仿真是以相似性原理，控制论，信息技术及相关领域的有关知识为基础。以计算机和各种专用物理设备为工具，借助系统模型对真实系统进行试验研究的一门综合性技术。它利用物理或数学方法来建立模型，类比模拟实现过程或建立假象系统，以寻求过程的规律，研究系统的动态特性，从而达到认识和改进实际系统的目的。相似性原理是仿真的主要理论依据。相似，是指各类事物或对象间存在的某些共性。相似性是客观世界的一种普遍现象，它反映了客观世界不同事物之间存在着某些共同的规律。采用相似性技术建立实际系统的相似模型就是仿真的本质过程 12。2.仿真算法和仿真软件在系统的数学模型建立后，需要将其转变成能够在计算机上运行的仿真模型，由于计算机只能进行离散的数值运算，因而必须推导出连续系统的递推数学公式，如解微分方程的龙格库塔算法。这实际上属于数值计算的内容，其发展已经相当完善了。这就是计算机仿真算法的设计，即把数学模型转化为能在计算机上运行的仿真模型。仿真软件是一类面向仿真用途的专用软件，它可能是面向通用的仿真，也可能是面向某个领域的仿真。它的功能可以概括为一下几点：（1） 为仿真提供算法支持。（2） 模型描述，用来建立计算机仿真模型。（3） 仿真实验的执行和控制。（4） 仿真数据的显示，记录和分析。（5） 对模型，实验数据，文档资料和其它仿真信息的存储，检索和管理。3.Matlab+Simulink 简介Matlab 是由 MathWorks 公司于 1984 年推出的一套数值计算软件，分为总包和若干个工具箱，可以实现数值分析、优化、统计、偏微分方程数值解、自动控制、信号处理、图像处理等若干个领域的计算和图形显示功能。他将不同数学分支的算法以函数的形式分类成库，使用时直接调用这些函数并赋予实际参数就可以解决问题，快速而准确。该软件有简单易学、代码短小高效、计算功能强大、强大的图形表达功能、可扩展性。Simulink 是一个用来对动态系统进行建模、仿真和分析的软件包。使用 Simulink 来建模分析和仿真各种动态系统（包括连续系统，离散系统和混合系统） ，将是一件非常轻松的事情。它提供了一种图形化的交互环境，只需用鼠标拖动的方法便能迅速地建立起系统框图模型，甚至不需要编写一行代码。它和 Matlab 的无缝结合使得用户可以利用Matlab 丰富的资源，建立仿真模型，监控仿真过程，分析仿真结果。参考文献：1汤兵勇，路林吉，王文杰.模糊控制理论与控制技术.北京：清华大学出版社，20022孙增圻. 智能控制理论与技术.北京：清华大学出版社，20003贺仲雄.模糊数学及其应用.天津：天津科学技术出版社，19834应浩.关于模糊控制理论与应用的若干问题.自动化学报，2001.27（4）5章卫国，杨向忠.模糊控制理论与应用.西安：西北工业大学出版社，19996诸静.模糊控制理论与系统原理.北京：机械工业出版社，20057余永权.模糊控制技术与模糊家用电器.北京：航空航天大学出版社，20008张茂刚.液位过程模糊控制系统设计J.自动化技术与应用，2010，29（12）：17209王立新.模糊系统与模糊控制教程.北京：清华大学出版社，200310冯冬青.模糊智能控制.北京：化学工业出版社，200011韦巍.智能控制技术.北京 ：机械工业出版社，199912张晋格.计算机控制原理与应用.北京：电子工业出版社，199513冯冬青，谢宋和.模糊智能控制.北京：化学工业出版社，199814窦振中.模糊逻辑控制技术及其应用.北京：北京航空航天大学出版社，199515Dubey RVAn Efficient Gradient Projeetion Optimization Scheme for a SevenDegree Freedom Robot with Spherical WristCProceedings of IEEE International Conference on Robotics ，Philadelphia，USA，198916 Baillieul JKinematic Programming Alternatives for Redundant ManipulatorsCProceedings of IEEE Intemational Conference 0n Robotics and Automation，Boston，MA，USA，198517 APerez，JMMcCarthySizing a Serial Chainto Fita TaskTrajectory UsingClifford Algebra ExponentialsCIEEE International Conference on Robotics and Automation (ICRA2005),Pocatello,lD，2005 毕 业 设 计 开 题 报 告本课题要研究或解决的问题和拟采用的研究手段（途径）：一模糊控制的基本原理模糊控制是以模糊集合理论、模糊语言及模糊逻辑为基础的控制，它是模糊数学在控制系统中的应用，是一种非线性智能控制。模糊控制是利用人的知识对控制对象进行控制的一种方法，通常用“if 条件，then 结果”的形式来表现，所以又通俗地称为语言控制。一般用于无法以严密的数学表示的控制对象模型，即可利用人(熟练专家)的经验和知识来很好地控制。因此，利用人的智力，模糊地进行系统控制的方法就是模糊控制。模糊控制的基本原理如图所示：模糊控制系统原理框图它的核心部分为模糊控制器。模糊控制器的控制规律由计算机的程序实现，实现一步模糊控制算法的过程是：微机采样获取被控制量的精确值，然后将此量与给定值比较得到误差信号 E；一般选误差信号 E 作为模糊控制器的一个输入量，把 E 的精确量进行模糊量化变成模糊量，误差 E 的模糊量可用相应的模糊语言表示；从而得到误差 E 的模糊语言集合的一个子集 e(e 实际上是一个模糊向量);再由 e 和模糊控制规则 R(模糊关系)根据推理的合成规则进行模糊决策，得到模糊控制量 u 为：式中 u 为一个模糊量；为了对被控对象施加精确的控制，还需要将模糊量 u 进行非模糊化处理转换为精确量：得到精确数字量后，经数模转换变为精确的模拟量送给执行机构，对被控对象进行一步控制；然后，进行第二次采样，完成第二步控制。这样循环下去，就实现了被控对象的模糊控制。二MATLAB 语言的基本使用方法1.MATLAB 表达式最常见的形式有两种：（1）表达式（2）变量=表达式表达式由运算符、函数、变量名和数字组成。1）数字表达式2）常用的运算符MATLAB 的常用运算符有+（加法） 、- （减法） 、（幂） 、*（乘法） 、/ （右除）和 (左除).3）运算次序算式从左向右执行，幂次方的优先级最高，乘、除次之，最后是加、减，如果有括号，则括号优先执行。在系统默认中，MATLAB 的变量是以 double 的精度进行运算和存储的，不需要进行指定，同时 MATLAB 也提供了更加高级的功能，可以将计算结果以不同精度的数字格式显示，这主要是考系统提供的 format 命令来实现的。2.变量定义：所谓的变量是指在程序执行过程中其值可以变化的量。变量名：是指变量的名字。MATLAB 对变量名的规定：1）变量名由字母、数字和下划线组成，字母间不能有空格，而且第一个字符必须为字母。2）变量名中的英文字母大小写不同。3）变量名不能超过 19 个字符。三 水位控制系统 系统总体分析系统工作原理：当电位器电刷位于中点位置时，电动机不动，控制阀门有一定的开度，使水箱中流入水量与流出水量相等，从而液面保持在希望高度上。一旦流入水量或流出水量发生变化，水箱液面高度便相应变化。例如，当液面升高时，浮子位置亦相应升高，通过杠杆作用使电位器电刷从中点位置下移，从而给电动机提