模糊控制—水位控制系统设计

模糊控制
——基于matlab的锅炉水位控制系统设计
郑州大学
物理工程学院
测控技术与仪器1班
杜佰林
20102240103
一、应用背景
由于锅炉水位具有大滞后、多变量、强耦合等非线性特性，因此采用经典控制理论和现代控制理论的控制方法都不能取得理想的控制效果。

针对锅炉水位的实际运行情况，采用模糊控制策略，设计了锅炉水位的模糊控制系统，并且使用MATLAB时，主要使用模糊逻辑工具箱构建模糊控制器，使用进行SIMULINK动态仿真技术。

二、锅炉水位动态特性
锅炉给水控制系统的操作变量是给水流量，主要是使水位维持在给定的范围内。

给水流量增加后，就从原来有饱和水中吸收部分热量，这使得水位下汽包容积有所减少，当水位下汽包的变化过程逐渐平衡时，水位的变化就完全反应了汽包储水量增减。

当给水量做阶跃变化时，汽包水位在起始状态不会立即增加，而要呈现出起始惯性段，水位H与水流量W 之间的传递函数类似于一个积分环节和时滞环节的串联。

系统特性可表示为：
式子中，s为拉式算子；k为给水流量改变单位流量时水位的变化速度；T为时间常数。

由于所选用的锅炉的供气量是120t/h，依据此项指标，选用液位变送器的量程160mm 流量计的量程为150t/h，水流量与水位的传递函数为：
三、模糊控制系统结构
模糊控制系统是一种自动控制系统，它以模糊数学、模糊语言形式的知识表示和模糊逻辑的规则推理为基础，是采用计算机控制技术构成的一种具有反馈通道的闭环结构的数字控制系统。

因此，模糊控制系统的组成具有常规计算机控制系统的结构形式，通常由模糊控制器、输入/输出接口、执行机构，被控对象和测量装置五部分组成.
从理论上讲,模糊控制器的维数越高,控制越精细.但是维数太高,模糊控制规则变得过于复杂，控制算法的实现相当困难。

因此，目前被广泛采用的均是二维模糊控制器。

本设计的锅炉水位模糊控制系统也采用二维结构。

锅炉水位的模糊变量：
水位误差为e，水位误差变化率ec作为模糊控制器的输入变量，模糊控制器的输出变量控制直流伺服电动机SM两端电枢电压的大小和极性。

根据水位的变化和变量的大小及极性的改变的，控制伺服电动机正/反转和转速的快慢，从而达到由伺服电动机控制给水调节阀的进水、出水和开度的大小，以及调节阀动作的快慢和响应时间长短。

锅炉水位模糊控制系统框图如下图所示：
四、模糊控制器设计
在锅炉运行过程中：
水位要求保持在额定值【-80mm, +80mm】，
水位误差e的基本变化范围为【-0.08， +0.08】；
水位误差变化率ec为【-0.02， +0.02】；
直流伺服电动机两端电枢电压U的基本变化范围为【-110， +110】；
语言值的隶属度函数选用高斯形和三角形隶属度函数。

在本设计中，输入变量e、ec和输出变量u都采用7个词汇来描述，即
{负大、负中、负小、零、正小、正中、正大}
以上变量的模糊子集为{NB、NM、NS、ZO、PS、PM、PB}。

输入e，ec以及输出u 的论域均为【-3，-2，-1, 0, 1, 2, 3,】。

则量化因子为
K(e)=3/0.08=37.5, K(c)=3/0.02=150
比例因子为
K(u)=3/110=0.27
在MATLAB主窗口中单击工具栏中的SIMULINK，快捷图标。

从相关模块库中一次把Signal Generator（信号源）、Subtract（减运算）、Gain（增益）、Derivative(微分)、Mux（合成）、Fuzzy Logic Controller（模糊逻辑控制器）、Transfer Fcn（传递函数）和Scope（显示器）模块拖入模型编辑窗口，并连成如下图所示的仿真模型图。

接下来设计模糊控制推理系统。

本系统包含两个输入变量，故在FIS编辑器界面上，添加Variable，即可成为二维模糊推理系统，并在变量窗口修改变量名称，结果如下图所示。

在隶属函数编辑器中编辑输入变量 E EC 输出变量U类型。

编辑完成后如下图所示
模糊控制规则表可以用7*7=49条模糊条件语句来完成，并且该表是在手动工作控制经验的基础上总结提炼出来的，尽可能包含了现场可能出现的情况。

模糊规则控制表如表所示。

将上述规则输入到Rules编辑器中，结果如下图所示：
在“FIS Editor”窗口执行菜单命令“View”——“Rules”弹出对话框如下图所示：
对话框包含系统的两个输入变量E、EC和一个输出变量U，共有49条规则；游标线的位置标明当前输入变量的值；最后一列的输出变量图框显示出每条规则的结论。

输入、输出之间的整体情况如下图：
从上图可以看出，输出变量u是两个输入变量e，ec的非线性函数u=F(e,ec),曲面越平缓、光滑，该系统的性能越好。

将光标放置在图形上，按下鼠标左键即可旋转图形，该曲面较平缓、光滑时，满足设计要求。

至此，锅炉水位模糊控制器设计完成。

五、模糊控制系统仿真
对模糊控制系统仿真模型进行仿真时，首先需要将FIS与SIMULINK链接。

锅炉汽包水位控制系统仿真模型已建立，此时将FIS嵌入到仿真模型的模糊控制模块即可。

执行菜单命令“Simulink”——“Start”，得到仿真结果如下图所示。

六、实验总结
随着仿真实验的进行，我对于模糊控制以及MATLAB 的Fuzzy理解也一步步的加深，同时也非常感谢赵老师将我领入模糊控制的殿堂，我相信，本次仿真实验的结束并不代表我对模糊控制学习的技术，在将来的工作中，将会接触到更多关于模糊控制的应用。

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参考文献：
《基于MATLAB与fuzzyTEGH的模糊与神经网络设计》周润景张丽娜著；
《计算机控制理论》
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