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MATLAB 设计报告

设计题目：模糊控制的水箱控制器

专 业 班: 电子信息工程123
姓 名： 赵 黎
学 号： 201232000094
指导老师： 漆 老 师

目 录
1。 绪论……………………………………………………………………………3
1。1设计背景及意义………………………………………………………………3
1。2 水箱水位系统概述……………………………………………………………4
2. 设计思路……………………………………………………………………… 4
3．设计方法及界面……………………………………………………………… 4
3.1水位控制的动态结构…………………………………………………………4
3.2模糊控制器的 FIS编辑…………………………………………………… 6
4 simulink仿真结果………………………………………………………………8
5.设计心得…………………………………………………………………………11

模糊控制的水箱控制器
一、 绪论
1。1设计背景及意义
美国加利福尼亚大学教授扎德（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确定性的系统进行有效控制的能力。
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.
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以克服的困难：
（１） 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。
（２） 由环境温度的不断变化给系统带来的不确定性。
（３） 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。
（４） 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.
（５） 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ＰＩＤ控制所不具备的特点能很好的克服以上所列的困难.
1。2 水箱水位系统概述
在能源、化工等多个领域中普遍存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
二、 设计思路
利用模糊数学工具及模糊控制理论知识,建立一个水箱水位模糊控制器,水位模糊控制器可以设计为二维控制器,即输入量是水位误差和误差变化率，输出量是阀门控制量,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。
三、设计方法及界面
3.1 水位控制的动态结构
水箱液位控制系统是一个简单控制系统，所谓水位控制通常是指由一个被控对象、一个检测变送单位、一个控制器和一个执行器所组成的单闭环反馈控制系统.

3。2模糊控制器的 FIS编辑
相应的输入变量、输出变量及他们的隶属度函数如下面的图所示：
变量水位的隶属度函数

变量水位的变化率隶属度函数

输出变量 （阀门开口)的隶属度函数

规则试图

用曲面观察器观察到的模糊控制器输入输出关系

四． Simulink中仿真结果
在Simulink下搭建执行机构和水箱模型的子系统
执行机构（Valve)子系统结构和参数设置窗口如下图:

与之相对应的参数设置窗口如下图所示：

其中的水箱模型子系统结构如下图所示:

与之相对应的参数设置窗口如下图所示

整个Simulink模型现在看起来如下图所示：

水位(红线）跟随给定信号（黄线）的仿真结果如下图所示：

五、设计心得
本设计通过对水箱系统液位偏差和液位偏差的变化率进行模糊化处理，利用控制经验知识建立了二维液位模糊控制规则，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。
模糊理论及其应用愈来愈受到人们的欢迎。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确定性的系统进行有效控制的能力。
通过利用模糊学控制水箱，简便、快捷，给人们提供方便。

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