实验二：基于模糊控制的液位计算机控制系统设计
液位模糊控制系统的设计【毕业作品】
BI YE SHE JI（20 届）液位模糊控制系统的设计所在学院专业班级自动化学生姓名学号指导教师职称完成日期年月-II-摘要液位控制系统广泛存在于各个领域，是工业过程控制中的典型控制之一，液位控制早期运用PID控制方法实现。
常规的PID控制器具有无静态误差、高可靠行、算法简单等优点。
它的设计核心是整定参数，对于确定性的被控对象通过设定合适的PID控制器的三个参数，可以获得比较理想的控制效果。
但由于实际控制系统具有时变性、多变量、大滞后等特点，且在控制过程中会受到各种干扰因素的影响，要建立精确的数学模型很困难，也就不能达到预期效果。
近些年来，在很多控制过程中模糊控制都取得了成功，模糊控制器具有不依赖被控对象数学模型，适应性强的优点，在许多无法建立精确数学模型的复杂系统中表现出了其优越性，不仅获得了较好的控制效果，而且又能简化系统的设计。
因此，模糊控制在水箱液位控制系统中就成为较好的选择。
本文利用模糊控制理论设计一水箱水位模糊控制器，具体给出了系统设计方案。
首先详细的介绍了模糊控制的基本原理及模糊控制器的相关知识，其次讲述了对系统进行模糊控制的具体设计内容，在此基础上提出对水箱水位进行模糊控制的方案。
最后，充分利用MATLAB的模糊逻辑工具箱和Simulink相结合的功能得到实际液位跟踪给定液位的曲线，仿真结果证实水箱液位模糊控制系统能够获得良好的控制效果。
关键词：液位控制；模糊控制；MATLAB；SimulinkAbstract-II-Liquid level control system exists in each field extensively and is one of the typical control in industrial process control, the liquid level control most used PID control method in the early days. Conventional PID controller has lots of strong points, for instance, it has no static error, its algorithm is simple and it is reliable. The heart of its design is setting parameters; the certainty object can achieve satisfactory control effects through proper setting three parameters of PID. But the practical control systems have the characteristics of time-dependence, nonlinear, large lag and they will be influenced by various kinds of interference factors, so it is difficult to set up accurate mathematics model, then it is not possible to achieve the desired results.In the recent years, fuzzy control has achieved success in many control process. Fuzzy controller has outstanding merits that do not rely on mathematics model of object and whose adapting ability is strong, it shows its superiority in many complex systems which have no accurate mathematics model. It not only wins the better control results, but also can reduce system design. Therefore, control fuzzily become better choice on water tank level control system. This text designs a water tank level fuzzy control system according to the fuzzy control theory and puts forward a design scheme specifically. Firstly, it introduces the fuzzy control theory and the related knowledge of the fuzzy controller. Then, it describes the detailed design things for the system design, and proposes a fuzzy control scheme for the liquid level of the water tank on this basis. At last, the system has also fully utilized the function that the fuzzy logic toolbox of MATLAB combines with SIMULINK, and obtains the curve of the actual level tracking the desired level. Simulation results show that the water tank fuzzy control system can possess good control performance.Keywords: liquid level control; fuzzy control; MATLAB; Simulink-II--IV-目 录摘要..............................................................Ⅰ Abstract..........................................................Ⅱ 目录.. (Ⅲ)第一章 引言 (1)1.1 模糊控制的研究背景和现状 (1)1.1.1 研究背景 (1)1.1.2 研究现状 (1)1.2 课题来源及研究的意义 (2)1.3 本课题的研究内容及任务 (3)第二章 模糊控制系统 (4)2.1 模糊控制的原理 (4)2.2 模糊控制器的组成 (4)2.2.1 模糊化 (5)2.2.2 数据库 (7)2.2.3 规则库 (8)2.2.4 推理机 (8)2.2.5 反模糊化 (8)2.3 模糊控制器的结构 (9)第三章 模糊控制器及模糊控制系统设计 (11)3.1 常规模糊控制器设计 (11)3.2 模糊控制器的输出形式 (13)3.2.1 位置式输出 (13)3.2.2 增量式输出 (14)3.3 模糊控制器参数与系统控制性能 (15)3.3.1 模糊控制器输入、输出变量的论域 (15)3.3.2 模糊控制器输入比例因子e K 及c K 的影响 (16)第四章 液位模糊控制系统的设计及仿真 (19)4.1 确定控制方案 (19)4.2 液位模糊控制系统的设计 (19)4.2.1 确定模糊控制器的结构 (19)4.2.2 定义输入、输出模糊集及其论域 (19)4.2.3 定义隶属函数 (19)4.2.4 建立模糊控制表 (21)4.2.5 模糊推理 (22)4.2.6 反模糊化 (22)4.3 模糊控制系统仿真 (22)4.3.1 系统仿真模型的建立 (22)4.3.2 水箱液位模糊推理系统（FIS）的建立 (22)4.3.3 对Simulink模型控制系统的构建 (25)4.3.4 对系统进行Simulink模型仿真 (27)结论 (31)参考文献 (32)致谢 (33)-IV-第一章引言1.1模糊控制的研究背景和现状1.1.1 研究背景控制技术被广泛地应用在各种工业技术领域里，成为现代高新技术的重要手段之一。
模糊控制案例001
10) 11) 12) 13) 14) 15) 16) 17) 18) 19)
If E=Z and EC=PB or PS then U=PS If E=Z and EC=Z then U=Z If E=NS and EC=NB or NS then U=Z If E=NS and EC=Z or PS then U=PS If E=NS and EC=PB then U=PM If E=NM and EC=NB then U=PS If E=NM and EC=Z or NS then U=PM If E=NB and EC=NS or NB then U=PM If E=NM and EC=PB or PS then U=PB If E=NB and EC=Z or PS or PB then U=PB
以不是，甚至可以不是一个整数，经变
换后，是基本论域上的元素。
• 模糊控制的特点 所谓的模糊控制，既不是指被控制的 对象是模糊的，也不是模糊控制器是不确 定的，模糊控制有着自己的一套精确的理 论和算法。所谓的模糊是指在表示知识， 概念上的模糊性。虽然模糊控制器的算法 是通过模糊语言描述的，但它所完成的是 一项完全确定性的工作。
表4 模糊控制规则表格
E Ai
U Ck EC Bj
A1 PB
NM C6 R2 NB C7
A2 PM
NS C5 R4 NM C6 R5 NB C7 R3
A3 PS
Z C4 R6 NS C5 R7 NM C6 R6
A4 Z
PS C3 R10 Z C4 R11 NS C5 R9
A5 NS
PM C2 R14 PS C3 R13 Z C4 R12
A6 NM
PB C1 R18 PM C2 R16 PS C3 R15
基于模糊控制的清水池水位控制系统设计
系 统 模 糊 推 理 采 用 ｍａ ｍｄ ａ ｎ ｉ 法 ， 系统 模 糊 控 制 规 则 表 共
位 很 高 ，水 位 高 ，水 位 适 中 ，水 位 低 ，水 位很 低 ；选 择 偏 差 变
化率 Ｅ Ｃ 的模 糊 变 化 等 级 为 ｛ 一２ ，一１ ，０ ，１ ，２ ｝ ，模 糊 语 言 值为 ｛ ＮＢ （ 负大） ，ＮＳ （ 负小 ） ，０ （ 零） ，ＰＳ （ 正 小） ，Ｐ Ｂ
ＮＢ ＮＳ ｏ ＰＳ ＰＢ ＮＢ ＮＢ ＮＳ ＮＳ ｏ ＮＢ ＮＳ ＮＳ ＮＳ ｏ ＮＳ ＮＳ ｏ ＰＳ ＰＳ ｏ ＰＳ ＰＳ ＰＢ ＰＢ ＰＳ ＰＳ ＰＳ ＰＢ ＰＢ
定水位偏 差的变化率 为 ［ 一０ ． ０ ２ ｍ／ ｍｉ ｎ ，０ ． ０ ２ ｍ／ ｍｉ ｎ ｉ 。 系 统 有 ４台 水 井 水 泵 ，输 出为 运 行 水 泵 的 台数 ，确 定 输 出 “的 基 本 论域为 ［ Ｏ ，３ ］［ 。
（ ２ ）水位偏差变化率 ｅ ｃ 为 负 ，表 明 清水 池 水 位 偏 差 增 大 ； 水位偏差变化率 ｅ ｃ 为 正 ，表 明 清 水 池 水 位 偏 差 减 小 。
定 范 围 内变 化 。
根 据 操 作 人 员 的 工 作 经 验 ，当 水 位 偏 差 Ｅ 为 负 大 ，水 位 偏差变化率 Ｅ Ｃ 为负 大 时 ，表 明水 位 很 高 且 水 位 上 升 很 快 ，需
（ 正大 ） ｝ ，分 别 表 示 清 水 池 水 位 偏 差 增 大 很 快 ，偏 差 增 大 快 ， 偏 差 适 中 ，偏 差 减 小 快 ，偏 差 减 小 很 快 ；选 取 输 出 量 Ｕ 的模
糊变化等 级 为 ｛ 一２ ，一 １ ，０ ，ｉ ，２ ） ，模 糊 语 言 值 为 ｛ ＮＢ （ 负大） ，ＮＳ （ 负小） ，０ （ 零） ，ＰＳ （ 正小） ，Ｐ Ｂ （ 正大） ） ， 则 分 别 表 示 水 井水 泵 运 行 ０台 ，运 行 １台 ，运 行 ２台 ，运 行 ３ 台 ，运 行 ４台ｌ ４ ］ 。根 据 经 验 ，结 合 控 制 简 单 的 原 则 ，选 取 Ｚ形 隶 属 函数 、三 角形 隶 属 函 数 、ｓ形 隶 属 函 数 三 者 结 合 的隶 属 函 数 作 为 Ｅ、Ｅ Ｃ、Ｕ 的 隶 属 函 数 ，其 中 ＮＢ （ 负 大 ） 选 用 Ｚ形 隶 属 函数 ；ＮＳ （ 负小 ） ，０ （ 零） ，ＰＳ （ 正 小 ） 选 用 三 角 形 隶 属 函数 ；ＰＢ （ 正 大 ） 选 用 ｓ形 隶 属 函 数 。偏 差 Ｅ 的 隶 属 的 函 数 图如 图 ３ 所 示 ，ＥＣ和 Ｕ 的 隶 属 函数 与 Ｅ 相 同 。
实验2液位开关式计算机控制系统实验
实验2液位开关式计算机控制系统实验实验2、液位开关式计算机控制系统实验⼀、实验⽬的1、熟悉实验装置，了解⼆位式⽔箱液位控制系统的组成。
2、掌握位式控制系统的⼯作原理、控制过程和控制特性。
3、编写⼆位式控制程序，按偏差值预测处理程序，按偏差值调整进⽔阀开度的程序，使液位控制在20cm处，超调量不超过10%，稳态误差5%。
4、三个框图编程实验（按偏差值预测处理，按偏差值调整进⽔阀开的开度，按偏差值算法确定D/A值）按偏差值算法确定D/A 值实验要数值仿真选择系数使液位控制在20cm处，超调量不超过10%，稳态误差5%。
⼆、实验设备硬件：过程控制实验装置（⽔箱）、万⽤表、EasyArm2200开发套件、实验连接线，软件：ADS1.2集成开发环境。
三、实验原理1、⼆位式温度控制系统⼆位控制是位式控制规律中最简单的⼀种。
本实验的被控对象是⽔箱，被控制量是⽔箱液位，所谓⼆位控制实质上是⼀个典型的⾮线性控制。
执⾏器只有“开”或“关”两种极限输出状态，故称这种控制器为两位调节器，理论上来说，我们的调节阀不适合做⼆位控制，可以使⽤更为合适的电磁阀（只有开、关两种状态）控制，但是由于实验设备的硬件构成环境，我们选⽤调节阀来模拟电磁阀⼯作，模拟过程：我们可以使调节阀处于两种状态，⼀是调节阀开度是％0（相当于电磁阀处于关），⼆是调节阀开度是10％（相当于电磁阀处于开），这⾥的10％也不是固定的，⾃⼰可以选择，但是阀门开度越⼩，精确度越⼤。
该系统的⼯作原理是当被控制的液位测量值HP=H⼩于给定值HS时，即测量值〈给定值，且当e=HS-HP≥dF时，调节阀处于开度状态。
随着液位H的升⾼，HP也不断增⼤，e 相应变⼩。
若H⾼于给定值，即HP 〉HS，e为负值，若e≤-dF时，则两位调节阀处于关闭状态，由于这种控制⽅式具有冲击性，易损坏元器件，只是在对控制质量要求不⾼的系统才使⽤。
图1 位式控制系统的⽅块图如图1位式控制系统的⽅框图所⽰，液位给定值在智能仪表上通过设定获得。
基于PLC的液位模糊控制系统设计
Abstract: the sewage disposal pump ing station is the kernel equipments of sewage disposal of under2 ground installation. W hether it is well controlled directly influences the effect of sewage disposal and the realization of the energy saving. This paper based on the study of a sewage disposal pump ing station, dis2 cusses the demerit of traditional control in respect of pump ing station, and introduces the characteristic as well as app lications of fuzzy control and sequential control on it. The p ractical operation has p roved that the p roject is rational and effective.
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基于远程液位模糊控制实验设计
基于远程液位模糊控制实验设计姜增如【摘要】应用Client/Server模式、C#编程语言和.Net Remoting技术进行了水箱系统的远程控制实验系统设计,并把模糊PID(proportion integration diffrentiation)控制加入到远程控制系统中,获得了很好的控制效果.由于液位控制装置属于大型实验设备,它受实验室面积、资金条件限制,一般数量为1台或2台.将该实验引入到网络后,使学生能在校园网内的计算机上实现远程操作控制,通过网络摄像机实时获得真实设备影像,并观察实验过程,实验不受实验时间、空间的制约,且充分利用了有限的设备资源.该方法不仅可作为远程教学演示平台用于多媒体教学中,还能达到对液位系统进行控制器参数设计和分析实验特性的目的.【期刊名称】《实验技术与管理》【年(卷),期】2010(027)007【总页数】5页(P37-41)【关键词】液位控制;远程控制;模糊PID控制器【作者】姜增如【作者单位】北京理工大学,自动化学院,北京,100081【正文语种】中文【中图分类】TP273;G642.4231 实验平台介绍液位控制属于典型的过程控制,三容水箱具有滞后、非线性、耦合性等特点,是控制理论、过程控制的很好的实验对象。
该实验的硬件以德国amira公司DTS200为实验平台,采用3个并行水箱的玻璃圆筒作为液位被控对象,3个容器分别命名为T1、T2、T3,容器之间通过阀门连接,其中,T1与T3之间阀门命名CV1,T3和 T2之间阀门命名CV3,容器 T2的右侧阀门CV2连接到蓄水槽中。
T1、T2、T3底部各自有一相应的泄流阀,分别命名为LV1、LV2、LV3,左右侧的2个水泵命名为 P1、P2,可分别给容器 T1、T2供水。
水泵的进水管连接底部蓄水槽,为容器供水。
容器中的液体可通过LV1、LV2、LV3和CV2排到蓄水槽中,水泵P1和P2给容器注水使用,这样形成了一个闭环回路系统。
开题报告(基于模糊PID的液位控制系统设计)
题目基于模糊PID的液位控制系统设计1本选题的意义及国内外发展状况1.1研究目的和意义人们生活以及工业生产经常涉及到液位和流量的控制问题，例如饮料、食品加工，居民生活用水的供应，溶液过滤，污水处理，化工生产等多种行业的生产加工过程，通常要使用蓄液池。
位需要维持合适的高度，这就需要用到液位控制系统。
不仅如此，液位控制系统也是工业过程中的一种典型控制系统，特别是在动态的状态下，采用适合的方法对液位进行检测、控制，能收到很好的生产效果，如蒸馏塔中液位控制的精度可直接影响产品的质量，锅炉等高压设备中液位控制的精度则于生产安全紧密相关。
由此可见，液位控制不论对人们的生活还是工业发展皆具有非常重要的意义。
液位控制系统是一种可以模拟多种对象特性的实验装置。
常规的PID控制器在非线性时变，滞后较大的系统中鲁棒性不强，控制效果不理想。
而模糊PID 控制器既具有模糊控制灵活而适应性强的优点,又具有常规PID控制精度高的特点, 在工业控制中得到广泛的应用。
本设计以单水箱液位控制系统为研究对象，结合模糊控制和PID控制方法设计液位控制器，同时针对液位控制过程中存在的滞后现象，利用Smith预估方法进行补偿以消除滞后影响。
1.2国内外发展情况PID控制器问世至今凭借其结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便等优点成为工业控制的主要技术之一。
常规的PID控制器在非线性时变，滞后较大的系统中鲁棒性不强，控制效果不理想[1]。
而模糊PID控制器既具有模糊控制灵活而适应性强的优点,又具有常规PID控制精度高的特点,在工业控制中得到广泛的应用。
目前，PID控制及其控制器或智能PID控制器（仪表）已经很多，产品已在工程实际中得到了广泛的应用，有各种各样的PID控制器产品，各大公司均开发了具有PID参数自整定功能的智能调节器（intelligent regulator），其中PID控制器参数的自动调整是通过智能化调整或自校正、自适应算法来实现。
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。
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实验二：基于PID控制和模糊控制的液位计算机控制系统设计一、实验目的：
1掌握模糊控制原理。
2 掌握模糊控制器的设计
（1）掌握模糊化方法－隶属度函数的设计
（2）掌握模糊规则的建立
（3）掌握解模糊化方法的设计。
4 掌握PID控制基本原理
3 学习和完成基于PID控制和模糊控制的液位计算机控制系统设计
二、实验内容：
1 学习fuzzy命令，建立模糊控制器。
2 学习基于PID控制和模糊控制的液位计算机控制系统，分别调整PID参数和模糊控制器，完成液位的控制。
图1 基于模糊控制的液位计算机控制系统
三实验结果与分析
1:启动matlab，命令行输入sltank，既可打开水位模糊控制仿真模型。
2:设置const大于等于0,系统工作于PID控制模式,设置const小于0，系统工作于模糊控制模式
3: 修改模型参数PID参数的调整可以直接双击PID Controller模块设置，此时ＰＩＤ的参数为2,0,1。
运行后发现有超调量，故增加微分值D为4，此时超调消失。
逐渐增加D值（保持P值不变），此时系统输出波形失真，不稳定。
在保持快速性和无超调量的前提下将PID 值设置为100，0，60，系统运行符合要求。
因此要适当的调节微分值D。
4：这里着重介绍模糊控制器参数的修改。
用到的主要命令如下：
函数名功能说明fuzzy 打开模糊推理系统GUI，fuzzy name打开name的fis系统。
readfis 读取已有fis，例如readfis('tank')可打开水箱控制的fis showfis 文本形式显示已存在的fis
在这里通过模糊推理的用户界面来修改水位控制的规则库，查看对控制效果的影响。
具体步骤如下：
（1）输入sltank打开simulink仿真界面（2）输入fuzzy tank打开FIS界面，可编辑变
量和推理规则。
打开tank的模糊规则编辑界面，将规则4和5删除，新的规则如下：
单击File —Export—to workspace，弹出的对话框直接点ok，运行sltank，控制效果如下，
可见调节效果比PID控制还差，系统变得不稳定。
如图，只删除规则1，运行sltank，控制效果如下
只保留规则2和规则3，控制效果如下：
5：结论
将模糊控制器和PID控制器比较,仿真运行结果表明了模糊控制系统获得更好的控制性能指标。
模糊控制效果取决于模糊推理规则，如果规则设置不当，则控制效果会比传统PID 控制效果更差。
模糊控制一般和其他智能控制算法结合使用，比如模糊PID，模糊神经网络
等，其主要作用是智能控制算法中的一些控制参数进行模糊调节。