水箱水位模糊控制系统实例与仿真

值作为判决结果。对所有输出模糊集合判决结果如下：u1=4、u2=3、u3=2、u4=1、u5=0、u6=-1、u7=-2、u8=-3、u9=-43.6水位模糊控制查询表将上述模糊控制器输入量化等级与其输出精确值相对应，得到下面的模糊控制查询表（表3—2）：e(xi)-4-3-2-101234u(zk)43210-1-2-3-4表3—2水位模糊控制查询表4利用MATLAB对水箱水位系统进行仿真在这章里我们要用MALAB软件来对水箱水位模糊控制系统进行仿真建模试验，基本分为三步，第一步利用此软件所提供的模糊逻辑工具箱建立水箱水位模糊控推理系统，第二步利用Smulink工具箱对此系统进行设计与仿真，第三部对传统的PID控制与模糊控制进行比较。4.1水箱水位模糊推理系统（FIS）的建立水箱水位控制，如图4—1图4—1水箱水位控制通过控制进水阀使得水箱水位保持在一定水平上。我们通常取水位误差e和误差变化率ec作为模糊控制器的输入变量。其中：e=r-y（误差=设定值-测量值）。选取误差e的论域范围为：[-1，1]，三个语言变量为：negative,zero,positive,他们的隶属度函数均取guassmf（高斯曲线）；水位变化率ec的论域为：[-0.1，0.1]，三个语言变量值为：ngative，zero，positive，他们的隶属度寒暑也取gaussmf。确定输出变量只有一个名字为u，5个语言变量值分别为closefast,closeslow,ochange,openslow,penfast隶属度函数选为trimf（三角形曲线）。我们在此只需输入自定的隶属函数，至于模糊推理，查询表，解模糊等fis系统会自己生成。选取edit菜单中的AddVariable…添加一个输入量然后按上面所说编辑各个输入输出量的隶属函数，其中输入输出的各具体隶属函数如图4—2所示：图4—2各隶属函数的图像根据经验判断：其中输入量e隶属函数参数（params）为negative:[0.3-1],zero:[0.30],positive:[0.31]。其中输入量ec隶属函数参数（params）为negative:[0.03-0.1],zero:[0.030],positive:[0.030.1]。其中输出量u隶属函数参数（params）为close_fast:[-1-0.9-0.8],close_slow:[-0.6-0.5-0.4],no_change:[-0.100.1],open_slow:[0.20.30.4],open_fast:[0.80.91]。其他参数图4—3选取：图4—3FIS相关参数设定编辑好后隶属函数如图4—4所示，然后根据经验编辑模糊控制规则，双击模糊控制器框进入规则编辑器：图4—4编辑好后的隶属函数和规则编辑器根据人工经验利用选框输入如下控制规则Ifeisnegativethenuisclose-fast;Ifeiszerothenuisno-change;Ifeispositivethenuisopen-fast;Ifeiszeroandecisnegativethenuisopen-slow;Ifeiszeroandecispositivethenuisclose-slow;在菜单view中的rules和surface选项分别对应得是规则观测器和曲面观测器，利用这两个工具我们可以方便的观察规则情况及调整不同的输入时所对应的输出情况，使其动静态特性一目了然：如图4—5，4—6，4—7所示：图4—5图4—6规则观测器图4—7曲面观测器至此利用MATLAB建立的水箱水位模糊推理系统建立完毕，要记得用菜单File——Export——Todisk…将建立的系统以tank为名称保存在磁盘中以防丢失，另外一定要用File——Export——ToWorkspace…将其保存在工作空间中以便在下一节simulink仿真设计中调用。4.2对SIMULINK模型控制系统的构建VALUE代表阀门，其结构图见图4-8：图4—8阀门底层结构图WATERTANK代表水箱它是一个子系统模块，其结构图见4—9：图4—9水箱底层结构图PID为传统PID控制器结构见图4—10：图4—10PID底层结构图添加完控件后开始连线，构建好的水箱水位模糊控制系统模型见图4—11：图4—11构建好的水箱水位模糊控制系统模型双击模糊控制器（FuzzyLogicController），在FISFileStructure文本框中输入tank，调用上一节制作的模糊推理系统。成功链接如图4—12图4—12tankFIS结构与模糊控制器模块的成功链接到此就已经构建好了整个Simulink模型系统，下一步就可以对所构建的模糊系统进行仿真。4.3进行Simulink模型仿真在仿真之前，还需要设置仿真参数，参数的设置如图4—13：图4—13仿真参数设计这里只用设置Solver选项卡，其余的选项卡用默认设置即可。本节的任务主要是观察在所给定的输入信号下水箱水位随时间的影响情况，并比较传统PID控制器和模糊控制器的控制效果。选择菜单Simulation——Start，系统便开始仿真，const元件的常数设定为-1时系统由模糊控制器控制，其设定值为1时由PID控制器控制，示波器change，scope2，scope4分别显示的是误差变化率、水箱的溢水情况、水箱流出水流量随时间的变化的波形，主要用来监视工作状态的，而示波器Comparison是显示控制器输出的波形的，仿真运行时双击此元件即可看到动态的波形输出。模糊控制器与PID控制器的输出波形如图4-14所示：图4—14模糊控制器与PID控制器输出结果的比较小结根据上一节仿真结果的比较，我们能看出模糊控制较传统的PID控制来讲具有响应速度快、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。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。随着科学技术的发展，智能控制技术必会日趋完善，并且能够在多领域应用。此设计是基于MATLAB的模糊控制系统，通过调试及仿真，可以初步得出水箱水位控制的关系原理，从而为在实际应用中提供一个参考，但在实际应用中还应考虑实际的影响因素，例如环境对控制系统的影响、人为因素对控制系统的影响等。面对实际问题时应具体问题具体分析。有不足的地方再加以改进。参考文献[1]马明远．人工智能与专家系统导论．北京：清华大学出版社，2006[2]韩力群．智能控制理论及应用．北京：机械工业出版社，2008[3]王耀南，孙炜．智能控制理论及应用．北京：机械工业出版社，2008[4]韩俊峰，李玉惠等．模糊控制技术．重庆：重庆大学出版社，2003[5]李祖枢，涂亚庆．仿人智能控制．北京：国防工业出版社，2003[6]李友善,李军.模糊控制理论及其在过程控制中的应用[M].北京：国防工业出版社,1993.[7]李晔．谈谈水池及水箱水位控制装置的设计，牡丹江：牡丹江林业勘查设计院，2000，8：33-37[8]赵延东．模糊控制器的分析和改进，沈阳：东北大学，2002，7：22-26[9]姚俊、马松辉，Simulink建模与仿真，西安:西安电子科技大学出版社,2002，8[10]陈在平、杜太行等，控制系统计算机仿真与CAD：MATLAB语言应用，天津：天津大学出版社，2001.9[11]李士勇等．模糊控制和智能控制理论与应用．哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，1991[12]诸静等．模糊控制原理与应用．北京：机械工业出版社，2001[13]汤兵勇、路林吉，王文杰．模糊控制理论与应用技术．北京：清华大学出版社，2002[14]韩启纲、吴锡祺．计算机模糊控制技术与仪表装置．北京：中国计量出版社，1999[15]旺光阳．基于模糊工具箱和SIMULINK的模糊控制系统计算机仿真．安徽工业大学学报，2001，8：56-57[16]熊先愣、肖田元、张燕云．计算机仿真应用．清华大学出版社，1998[17]楼顺天、胡昌华、张伟．基于MATLAB系统的分析与设计．西安电子科技大学出版社，2001[18]全杰、秦世引、段建民．基于MATLAB命令方式的模糊控制系统仿真及可视化实现计算机仿真．2002，9：113-116[19]H.W.KwanandJ.H.Anderson,"Mathemati