水箱液位模糊控制系统的仿真
模糊控制在液位控制中的仿真研究的开题报告
模糊控制在液位控制中的仿真研究的开题报告
一、选题背景和意义
随着工业化和城市化的快速发展，液位控制在工业生产和生活中的作用越来越重要。
液位控制是指通过对介质高度、压力等参数的检测，使介质在一定范围内保持稳定的高度或压力值。
传统液位控制方法采用PID控制器，其控制效果取决于系统模型的准确性和PID控制器的参数调节，难以满足复杂变化的控制需求。
因此，模糊控制作为一种基于经验的控制方法，其对模型精度和控制参数变化的适应性较强，因而越来越被人们所关注。
本文主要探讨模糊控制在液位控制中的应用，以探究新型的液位控制方式，为今后工业生产中的液位控制提供一种新的思路和方法。
二、研究内容和技术路线
本文将采用以下方法研究模糊控制在液位控制中的应用：
1.建立液位控制的数学模型，包括物理模型和控制模型。
2.设计模糊控制器，进行模拟分析。
主要包括设计模糊控制器的输入和输出，设置控制规则和隶属函数等。
3.对比分析传统PID控制方法和模糊控制方法的优缺点，评价其控制效果。
4.仿真分析不同控制参数对液位控制效果的影响。
三、预期成果和意义
本文预期能够探索出一种新型的液位控制方法，即模糊控制方法，并与传统PID 控制方法进行对比分析。
通过充分研究模糊控制在液位控制中的应用，进一步提高液位控制的控制精度和稳定性，为今后工业生产中的液位控制工作提供新的方案和实际指导意义。
过程控制课程设计三容水箱液位控制系统的建模与仿真
目录摘要 (1)1 两种三容水箱的工作原理 (1)1.1 三容水箱的结构 (1)1.2 三容水箱系统的特点 (2)2 两种三容水箱的理论建模 (3)2.1 假设及相关参数定义 (3)2.2 执行器（阀门）的数学模型 (4)2.3 阶梯式三容水箱的数学模型 (4)2.4 水平式三容水箱的数学模型 (6)3两种三容水箱模型的控制与仿真 (7)3.1 阶梯式三容水箱的简单PID控制 (8)3.2 阶梯式三容水箱的串级PID控制 (9)3.3 水平式三容水箱的简单PID控制 (11)3.4 水平式三容水箱串级PID控制 (12)4 总结 (14)5 心得体会 (14)5.1 顾振博心得体会 (14)5.2 陈冶心得体会 (15)5.3 谢海龙心得体会 (15)参考文献 (16)附录 (16)所用参数及其数值 (16)摘要三容水箱是工业过程中许多被控对象的典型抽象模型，在非线性、大惯性过程控制研究应用中具有广泛代表性。
近年来国内外许多学者对三容水箱系统的建模方法、控制算法及故障诊断等方面进行了探讨。
进一步研究三容水箱系统的控制算法并构建现在实验教学系统，在工业控制领域和工程控制论教学中都具有较为重要的理论和实际应用价值。
本设计通过对阶梯式、水平式这两种典型的水平式三容水箱系统分别进行理论建模，再分别加入了简单PID和串级PID控制器，并且在MATLAB的Simulink 仿真平台上搭建了相应的控制系统框图，对阶跃响应下的输出信号进行了仿真，实现了对两种三容水箱液位控制系统的控制。
1 两种三容水箱的工作原理1.1 三容水箱的结构三容水箱主体由3个圆柱型玻璃容器(Tankl(T1)、Tank2(T2)、Tank3(T3))、4个阀门(VT0、VT1、VT2、VT3、VT4)、一个增压泵、一个蓄水池和响应的连接部件组成。
实验台工作时，增压泵抽出储水箱内的水，通过比例电磁阀VT0注入容器T1，T1内的水再通过VT1、VT3依次流入T2和T3中，最终通过VT3流回蓄水池中，构成了一个封闭的回路。
模糊操纵在液位操纵中的仿真应用设计
吉林化工学院毕业设计模糊操纵在液位操纵中的仿真应用设计Simulation Design Based on Fuzzy Controller in LiquidLevel Control学生学号：09510441学生姓名：霍可栋专业班级：自动0904指导教师：吕春兰职称：副教授起止日期：吉林化工学院Jilin Institute of Chemical Technology摘要本次设计要紧论述了应用模糊操纵理论操纵水箱液位，详尽的介绍模糊操纵理论的相关知识，提出水箱液位模糊操纵的方案，成立基于水箱水位的数学模型并用MATLAB进行仿真设计。
第一依照双容水箱的系统结构，通过计算取得数学模型的传递函数；然后利用Matlab 工具箱设计模糊操纵器，具体包括以下三步：（1）确信模糊操纵器的结构；（2）输入输出的模糊化；（3）模糊推理决策算法设计；最后别离用常规PID操纵与模糊操纵对双容水箱系统仿真。
通过常规PID操纵与模糊操纵仿真结果的对照，咱们能看出模糊操纵较传统的PID操纵来讲具有响应速度快、适应性较强，即鲁棒性好、超调量小稳固时刻较长等优势，显示出很强的抗干扰性能。
关键词：水位操纵；模糊操纵器；模糊规那么; FISAbstractThis paper is primarily on the applied fuzzy control theory control level in the reservoir system, first introduced in detail the fuzzy control theory of knowledge, and Then put forward to realize the control of the water level in the water tank scheme using fuzzy theory,finally simulation design of mathematical model of fuzzy controller with MATLAB based on the water tank water level .Firstly, according to the system structure of double tank, transfer function is obtained through the calculation of mathematical model. Then use the Matlab toolbox to design the fuzzy controller, including the following three steps: (1)Determine the structure of fuzzy controller; (2)Fuzzy input and output; (3)Design of fuzzy reasoning and decision algorithms. Finally, by using the MATLAB fuzzy logic toolbox and SIMULINK combination function,Compare the simulation result of conventional PID control and fuzzy control for dual-tank system.By contrast to conventional PID control and fuzzy control simulation results, we can see the fuzzy control over the conventional PID control with fast response, strong adaptability, robustness, and overshoot advantages of a small stable for a long time, showing the expected good steady performance.Key Words：Level control; Fuzzy controller; Fuzzy rules; FIS目录摘要 (I)Abstract (II)第一章绪论 (1)模糊操纵水箱水位系统概述 (1)模糊操纵理论简介 (1)模糊操纵理论的产生、进展及现状 (1)模糊操纵理论运用于水箱水位系统操纵的意义 (2)仿真建模工具软件MATLAB／SIMULINK简介 (2)本文的要紧任务及内容安排 (4)第二章模糊理论及模糊操纵基础 (6)模糊理论基础 (6)从经典集合到模糊集合的转变 (6)模糊集合的大体概念 (8)模糊集合的大体运算 (11)模糊操纵的基础知识 (13)模糊操纵的一样概念 (14)模糊操纵的回忆和展望 (15)模糊操纵系统的结构 (15)本章小结 (20)第三章水箱水位模糊操纵器的成立 (22)双容水箱的动态分析与建模 (22)Matlab下模糊操纵器的设计 (25)确信模糊操纵器的结构 (25)输入输出的模糊化 (26)模糊推理决策算法设计 (27)本章小结 (30)第四章利用MATLAB对水箱水位系统进行仿真建模 (31)水箱水位模糊推理系统（FIS）的成立 (31)模糊规那么的成立 (33)对SIMULINK模型操纵系统的构建 (36)Matlab对水箱液位的仿真设计 (37)常规PID对液位模型的仿真 (37)模糊操纵对液位模型的仿真 (38)混合式模糊操纵对液位的仿真 (39)干扰后常规PID与模糊操纵仿真对照 (40)本章小结 (41)结论 (43)参考文献 (44)致谢 (45)第一章绪论模糊操纵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操纵系统，各类操纵方式在液位操纵系统中也层出不穷，如较经常使用的浮子式、磁电式和接近开关式。
水箱水位恒定的模糊PID控制(2)
4.3 模糊集选择及隶属函数设计（1）FC1模糊语言变量的设计：将变量E的语言值设定为8个，即{负大（NB），负中（NM），负小（NS），负零（NZ），正零（PZ），正小（PS），正中（PM）,正大（PB）。
将EC的语言值设定为7个，即{负大（NB），负中（NM），负小（NS），零（Z），正小（PS），正中（PM）,正大（PB）；将输出变量ΔKp的语言值设定为7个，即{负大（NB），负中（NM），负小（NS），零（Z），正小（PS），正中（PM）,正大（PB）并设定其隶属函数，如图4-6至4-8图4-6 FC1输入变量E的隶属函数图4-7 FC1输入变量EC的隶属函数图4-8FC1输出变量△Kp的隶属函数（2）FC2模糊语言变量的设计：将输入模糊变量E、EC和输出模糊变量ΔKi 的语言值都设定为7个，即{负大（NB），负中（NM），负小（NS），零（Z），正小（PS），正中（PM）,正大（PB）。
模糊控制器FC2的输入输出模糊语言变量值隶属函数如图4-9至4-11图4-9 FC2输入变量E的隶属函数图4-10 FC2输入变量EC的隶属函数图4-11 FC2输出变量△Ki的隶属函数（3）FC3模糊语言变量设计：将变量E的语言值设定为6个，即{负大（NB），负中（NM），负小（NS），正小（PS），正中（PM）,正大（PB）。
将EC的语言值设定为7个，即{负大（NB），负中（NM），负小（NS），零（Z），正小（PS），正中（PM）,正大（PB）；将输出变量ΔKd的语言值设定为7个，即{负大（NB），负中（NM），负小（NS），零（Z），正小（PS），正中（PM）,正大（PB）并设定其隶属函数如图4-12至4-14图4-12 FC3输入变量E的隶属函数图4-13 FC3输入变量EC的隶属函数图4-14 FC3输出变量△Kd的隶属函数4.4 模糊规则集的设定参数Kp 、Ki 、Kd在不同的e 和ec 下的自调整要满足如下调整原则: (1) 当e 较大时,为加快系统的响应速度,防止因开始时e 的瞬间变大可能会引起的微分溢出,应取较大的Kp 和较小的Kd ,同时由于积分作用太强会使系统超调加大,因而要对积分作用加以限制,通常取较小的Ki值;(2) 当 e 中等大小时,为减小系统的超调量, 保证一定的响应速度, Kp 应适当减小;同时Kd 和Ki的取值大小要适中;(3) 当e 较小时,为了减小稳态误差, Kp 与Ki 应取得大些,为了避免输出响应在设定值附近振荡,同时考虑系统的抗干扰性能, Kd 值的选择根据|ec|值而定，ec较大时，Kd 取较小值，ec较小时，Kd取较大值，通常Kd 为中等大小。
模糊控制算法在水箱液位控制系统中的应用
模糊控制算法在水箱液位控制系统中的应用模糊控制算法在水箱液位控制系统中的应用摘要液位控制是工业控制中的一个重要问题，针对液位控制过程中存在时变、非线性等特点，为适应复杂系统的控制要求，人们研制了种类繁多的先进的智能控制器，模糊PID控制器便是其中之一。
模糊PID控制结合了PID控制算法和模糊控制算法的优点，可以在线实现PID参数的调整，使控制系统的响应速度快，过渡过程时间大大缩短，超调量减少，振荡次数少，具有较强的鲁棒性和稳定性，在模糊控制中扮演着十分重要的角色。
本文介绍了模糊PID控制在双容水箱的液位控制系统中的应用。
首先建立了液位控制系统数学模型，介绍了PID控制、模糊控制以及模糊PID的基本原理，然后利用MATLAB软件给出了设计结果，仿真结果验证了设计方法的有效性。
关键词：液位控制；模糊PID控制；仿真Application of fuzzy control algorithm in the tank liquid level control systemAbstractLiquid level control is an important problem in industrial control, for level control in big delay, time-varying and nonlinear characteristic, in order to adapt to complex system control requirements, people developed a wide range of advanced intelligent controller, fuzzy PID controller is one of them. Fuzzy PID control combined with PID control algorithm and the advantage of fuzzy control method, can realize adjustment of PID parameters online, and make the control system response speed, greatly shorten the transition time, overshoot less, fewer oscillations, has strong robustness and stability, and plays an important role in fuzzy control. This paper introduces the fuzzy PID control in the application of the double let water tank liquid level control system. Liquid level control system mathematical model is established first, and introduces the PID control, fuzzy control and the basic principle of fuzzy PID, and design result given by using MATLAB software, the simulation results verify the validity of the proposed design method.Keywords：liquid level control；fuzzy PID control；simulation目录摘要 (I)ABSTRACT (II)1 绪论 (1)1.1课题研究的背景与意义 (1)1.2模糊控制产生的背景与意义 (1)1.3液位控制系统研究的意义 (2)1.4本论文研究的主要内容 (3)2 液位控制系统的分析与建模 (4)2.1引言 (4)2.2液位控制系统控制对象及控制策略 (5)2.3被控对象的分析与建模 (6)2.4本章小结 (8)3 控制算法研究 (9)3.1模糊控制算法 (9)3.1.1 模糊控制的产生及发展 (9)3.1.2 模糊控制的特点 (10)3.1.3 模糊控制的基本概念 (10)3.1.4 模糊控制的基本理论 (14)3.2本章小结 (19)4 模糊控制算法在水箱液位控制中的应用 (20)4.1PID控制在双容水箱液位控制系统中的仿真研究 (20)4.1.1 PID控制算法 (20)4.1.2 PID参数对系统性能的影响 (22)4.1.3 PID参数的整定方法 (22)模糊自整定PID在双容水箱液位系统中的应用 (26)模糊PID控制器的设计 (26)模糊控制部分 (27)4.3仿真结果与分析 (31)结论 (34)致谢 (35)参考文献 (36)1 绪论课题研究的背景与意义随着工业生产的飞速发展，人们对控制系统的控制精度、响应速度、系统稳定性与适应能力的要求越来越高。
水箱液位控制PID的MATLAB参数整定及仿真
水箱液位控制PID的MATLAB参数整定及仿真摘要：PID控制器主要针对控制对象来进行参数调节。
PID的归一参数整定法和试凑法费时，费力。
针对这一问题，探讨MATLAB实现PID参数整定及仿真，同时观察控制参数对PID控制规律的影响。
关键词：PID；参数整定；仿真1 引言PID控制器又称为PID调节器，是按偏差的比例P、积分I、微分D进行控制的调节器的简称，它主要针对控制对象来进行参数调节。
因为它算法简单、稳定性好、工作可靠、鲁棒性好，在工程上易于实现，但PID控制器的参数整定方法复杂，通常采用PID归一参数法和试凑法来确定，但较费时、费力。
针对这一问题，文中探讨用MATLAB实现PID参数整定及仿真的方法及控制参数对PID控制规律的影响。
利用MATLAB强大的计算仿真能力，解决了利用试凑法来整定参数浩繁的工作，可以方便、快速地找到使系统达到满意性能指标的参数。
2 PID控制器的原理与算法图1是典型PID控制系统结构图。
在PID调节器作用下，对误差信号分别进行比例、积分、微分控制。
PID控制算法的模拟表达式为μ (t) =Kp [ + +Td de(t) dt ]相应的传递函数为：Gc(s)= Kp(1 +S + TdS)3 水箱水位调节系统：一个典型的水箱水位自动控制系统如下图所示。
这个水位控制系统中，水池的进水量Q1来自手动控制开度的进水阀门，通过调节出水阀门调节出水量Q2，使水箱水位保持设定水位不变。
这个系统是个典型单冲量自动调节系统，在该系统中：系统中各组成单元的模型如下：水箱对象模型：G(s)=液位传感器：量程0~40cm执行阀：对应0~100%开度系统的方框图如图所示：4 PID控制器的MATLAB仿真PID控制器的参数Kp、Ti、Td分别对系统性能产生不同的影响。
在控制过程中如何把Kp、Ti、Td 3参数调节到最佳状态，需要深入了解PID控制中3参数对系统动态性能的影响。
下面讨论水箱水位调节系统中当一个参量发生变化，对应曲线的实时变化。
水箱系统-液位控制的仿真研究
图 4 基于 NCD 工具箱与优化函数的非线性系统仿真曲线
对比图 3 与图 4 仿真曲线可知 , 基于 NCD 与优 化函数相结合的非线性控制系统 , 不仅缩短了响应时 间 , 使系统在较短的时间内达到了稳态 , 而且超调量 也进一步下降了 , 从而使系统性能得到了进一步的改 善。
参考文献
1 李华. 基于 MA TL AB 环境下控制系统参数的优化设计 [J ] . 电气传动自动化 , 2003 , (2) : 29 - 31
符号说明 : Q1 —水箱流入量 ; Q2 —水箱流出量 ; A —水箱截面积 ; u —进水阀开度 ; f —出水阀开度 ; h —水箱液位高度 ; h0 —水箱初始液位高度 ;
收稿日期 :2005 - 10 - 25
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K1 —阀体流量比例系数 。 假设 f 不变 , 系统初始态为稳态 , h0 = 2m , K1 = 10 , A = 10m2 。 则:
使控制系统的计算机辅助设计向可视化的方向迈进了
《自动化与仪器仪表》 2006 年第 2 期 (总第 124 期)
一大步 。所以 , 我们针对 “水箱系统”液位控制 , 考 虑利用 Matlab 的 Simulink 对原系统进行仿真研究 。
首先 , 我们可以在没设计调节器 (可设 P = 1 , I = 0 , D = 0) 的情况下用 Simulink 对原系统进行仿真 分析 :
最终都可归结为 “水箱系统”的液位控制问题 。对 “水箱系统”的液位控制问题进行认真和透彻的研究 , 对从事自动控制系统的工程技术人员来说 , 具有很重 要的意义 , “水箱系统”液位控制系统的工艺过程原 理如图 1 所示 。
图 1 “水箱系统”的液位控制工艺过程原理图
图 1 中 , 入口处的阀门由一个调节器控制 , 以保 持水位不变 , 出口处的阀门由外部操纵 , 可将其看成 一个扰动量 。
水箱液位PID调节控制系统及实物仿真调试
水箱液位PID调节控制系统及实物仿真调试【摘要】在人们生活以及工业生产等诸多领域经常涉及到液位和流量的控制问题，例如居民生活用水的供应，饮料、食品加工，溶液过滤，化工生产等多种行业的生产加工过程，通常需要使用蓄液池，蓄液池中的液位需要维持合适的高度，既不能太满溢出造成浪费，也不能过少而无法满足需求。
因此液面高度是工业控制过程中一个重要的参数，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，能收到很好的效果。
PID控制（比例、积分和微分控制）是目前采用最多的控制方法。
【关键词】水箱液位；PID控制；液位控制；Matlab仿真一．引言在人们生活以及工业生产等诸多领域经常涉及到液位和流量的控制问题，例如居民生活用水的供应，饮料、食品加工，溶液过滤，化工生产等多种行业的生产加工过程，通常需要使用蓄液池，蓄液池中的液位需要维持合适的高度，既不能太满溢出造成浪费，也不能过少而无法满足需求。
因此液面高度是工业控制过程中一个重要的参数，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，能收到很好的效果。
本论文利用PID算法在matlab中进行仿真并讲解实物搭接效果，具体如下：1、利用指导书中推导的模型和实际的参数，建立水箱液位控制系统的数学模型，并进行线性化；2、构成水箱液位闭环无静差系统，并测其动态性能指标和提出改善系统动态性能的方法，使得系统动态性能指标满足σ%≤10%0.5秒，静态误差小于2%；3、通过在matlab编程中求取合适的反馈变量K,然后与仿真模型结合构成最优控制的水箱液位系统，通过图形分析是否满足系统的性能参数；4、加入P、PI、PD、PID环节分别进行调试；5、选取合适的极点并通过图形分析是否满足系统的性能参数；6、比较加入各种不同PID 环节下的优缺点；7、实物搭接；8、比较在不加扰动和加扰动情况下以及在各种不同环节作用下系统性能。
二．水箱液位控制系统的设计及实物调试该题目包括MATLAB 软件仿真和硬件实物调试部分，软件仿真的目的是对 系统先进行建模，然后设计控制器使其满足任务书上的性能指标要求，并调整控制器参数，分析控制器各参数对系统稳定性的影响。
【论文】基于模糊PID的双容水箱液位控制研究
摘 要双容水箱液位控制系统具有过程控制中动态过程的一般特点:大惯性、大时延、非线性，难以对其进行精确控制，从而使其成为过程控制教学、试验和研究的理想实验平台。
因此，双容水箱液位控制系统在耦合非线性系统的监控和故障诊断算法的研究中得到了广泛的关注。
本文以双容水箱液位控制系统为对象，运用模糊PID算法，对双容水箱液位控制系统进行仿真研究。
本课题首先分析了双容水箱液位控制系统工艺流程，在实验的基础上推导双容水箱的数学模型并在Simulink上进行仿真。
由于双容水箱是一个典型的非线性时变多变量耦合系统，用常规的控制手段很难实现理想的控制效果。
因此，引入模糊控制技术，将模糊控制与传统的PID控制结合，设计出模糊PID控制器，并进行Simulink仿真。
仿真结果表明，模糊PID控制器的控制效果比常规PID 控制器的控制效果理想。
关键词:双容水箱，模糊PID，simulink仿真AbstractTwo-capacity water tank level control system is in the process control dynamic process of the general characteristics: large inertia, the time delay, non-linear, not their precise control, thereby making it a teaching process control, testing and research of the ideal experimental plat form . Therefore, the dual-capacity water tank level control system in the coupled non-linear system monitoring and fault diagnosis method in the study received widespread attention. Based on dual-capacity water tank level control system for the object, use fuzzy PID algorithm, the dual-capacity water tank level control system simulation.The first issue of a dual-capacity water tank level control system and its mathematical modeling process. In experiments on the basis of dual-capacity water tanks derived a mathematical model and simulation in Simulink on. Because of the capacity of water tanks is a typical multi-variable nonlinear time-varying coupling system, using conventional means of control difficult to achieve the desired effect of control. Therefore, the introduction of fuzzy control technology, fuzzy control with the traditional combination of PID control, designed fuzzy PID controller, and Simulink simulation.Key words：Two-capacity water tanks, fuzzy PID, simulink Simulation目录第一章绪论 (1)1.1研究背景及意义 (1)1.1.1选题背景 (1)1.1.2 研究意义 (2)1.2本文的主要研究内容 (3)第二章双容水箱液位系统组成及数学建模 (4)2.1双容水箱液位控制系统的组成 (4)2.2双容水箱液位控制系统的数学建模 (5)第三章常规PID控制原理 (6)3.1PID控制算法 (6)3.2模拟PID调节器 (6)3.3数字PID控制算法 (7)3.3.1 位置型PID控制算法 (8)3.3.2 增量型PID控制算法 (9)3.3.3 PID控制器的特点 (10)第四章模糊控制理论 (12)4.1模糊控制综述 (12)4.2模糊控制的基本理论 (13)4.2.1模糊控制的基本算法 (13)4.2.2 模糊控制器的基本理论 (16)4.3模糊控制与PID算法的结合 (21)第五章双容水箱液位控制系统的仿真研究 (24)5.1MATLAB简介 (24)5.1.1 模糊逻辑工具箱 (24)5.2.2 SIMULINK工具箱 (24)5.2.3 MATLAB在模糊控制仿真中的应用 (24)5.2双容水箱液位控制的仿真 (25)5.3模糊PID双容水箱液位控制的仿真 (28)5.3.1 模糊控制器的simulink仿真 (28)5.3.2双容水箱液位控制的模糊PID仿真 (38)5.4对比与结论 (39)第六章总结与展望 (40)6.1研究工作总结 (40)6.2展望 (40)参考文献 (42)致谢 (43)附录 (44)第一章 绪论1.1研究背景及意义1.1.1选题背景在现代工业控制领域，伴随着计算机技术的突飞猛进，出现了智能控制的新趋势，即以机器模拟人类思维模式，采用推理、演绎和归纳等手段，进行生产控制，这就是人工智能。
单容水箱系统建模及PID控制仿真
<1>由物料平衡得： Q1- Q2=A × dh/dt Q1=K1 ×u Q2=K1 × √h 代入方程得平衡方程：dh/dt=1/A ×(K1 × u- K1× √h) ① <2>上式是一个非线性方程，如果水位保持在小范围内变化，我 们可将上式线性化，首先把平衡方程改为增量形式。 在稳定平衡状况下：0=1/A×(Q10-Q20) ② 将① ②两式相减得方程增量形式： ΔQ1 - ΔQ2 = A × d Δ h/dt ③ ΔQ2=K1/(2 × √h0 ) × Δh ④ ΔQ1=K1 × Δu ⑤ <3>对①②③式进行拉普拉斯变化得: △Q1 ( s) -△ Q2 ( s) = s ×A ×△H( s) = 10s△ H( s) △Q1 ( s) = K1 ×△U ( s) = 10 ×△U ( s) △Q2 ( s) =K1/(2 ×√ h0)×△H( s) = 3.1536 ×△H( s)
1.4
比 例 积 分 作 用
1.2
p=10,i=100 p=10,i=10
1 p=10,i=0 0.8
yLeabharlann p=10,i=1 0.60.4
0.2
0
0
0.5
1
1.5
2
2.5 t
3
3.5
4
4.5
5
1. “水箱系统”的液位控制可以实现无静差 ,并且具有较好的动态过程控制; 2. 当 I参数设置较大 , 即积分作用较强时 , 可以出现衰减振荡过程。通常对 大多数的自动控制系统的动态过程 , 出现衰减振荡过程是人们所期望的 , 但如果仅对我们 这次所探讨的系统而言 , 应该是衰减振荡过程动态性 能不如非周期过程理想; 3. 本系统采用 PI调节作用 , 对抗干扰性能的要求也能很好地满足
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水箱液位模糊控制系统的仿真近年来模糊控制在许多控制应用中都取得了成功，模糊控制应用于控制系统设计不需要知道被控对象精确的数学模型，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，同时又能简化系统的设计，因此，在水箱水位自动控制系统中，模糊控制就成为较好的选择。
本文主要论述了应用模糊控制理论控制水箱水位系统，首先详尽的介绍了模糊控制理论的相关知识，在此基础上提出了用模糊理论实现对水箱水位进行控制的方案，建立了简单的基于水箱水位的模糊控制器数学模型。
本试验系统还充分利用了MATLAB的模糊逻辑工具箱和SIMULINK相结合的功能，首先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，再通过计算机仿真模拟出实际系统运行情况。
通过试验模拟，证明了其可行性。
水箱液位模糊控制系统的描述本章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，即单输入——单输出统，较复杂的二维系统将在下一章里利用MATLAB软件构建，并仿真。
图1为水位模糊控制系统的基本结构。
图 1 水位模糊控制系统1.1输入输出语言变量语言值的选取及其赋值表我们选取误差语言变量、控制语言变量的语言值为5个，即{PL，PS，O，NS，NL}。
设误差、控制量语言变量的论域分别为X、Y，量化等级都为9个。
有X = Y = {-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4}图3—2 给出了输入、输出语言变量的隶属函数。
表3-1给出了语言变量的赋值表图 2 输入、输出语言变量的隶属函数图 量化等级隶属度语言值-4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 PLPS O NS NL0 0 0 0 10 0 0 0.5 0.50 0 0 1 00 0 0.5 0.5 00 0 1 0 00 0.5 0.5 0 00 1 0 0 00.5 0.5 0 0 01 0 0 0 0表 1 输入输出语言变量赋值表1.2 控制规则描述总结人的控制水位策略，设计水位控制器包括5条规则如下：R 1: if E = NL then U=PL R 2: if E = NS then U=PS R 3: if E = O then U=O R 4: if E = PS then U=NS R 5: if E = PL then U=NL1.3 水位控制模糊关系矩阵首先，求每条规则所描述的模糊关系R i ，然后，再求描述水位控制系统的总的模糊控制关系R ，即54321R R R R R R ∨∨∨∨=。
[]⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎣⎡=⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎣⎡==⨯=⨯=00000000000000000000000000000000000000000005.05.05.00000005.015.00000005.05.05.00000000000000005.015.000000000005.015.00)()(2 PS NS PS NS U PS E NS R T []⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎣⎡=⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎣⎡==⨯=⨯=0000000000000000000000000000005.05.05.00000005.015.00000005.05.05.00000000000000000000000000000005.015.00000005.015.0000)()(3 OO O O U O E O R T[]⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎣⎡=⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎣⎡==⨯=⨯=000000000000005.05.05.00000005.015.00000005.05.05.00000000000000000000000000000000000000000000000000005.015.0005.015.000000)()(4 NSPS NS PS U NS E PS R T[]⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎣⎡=⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎣⎡==⨯=⨯=00000005.010*******.05.000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000015.0000005.0115.00000000)()(5 NLPL NL PL U NL E PL R T ⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎣⎡=∨∨∨∨=00000005.01000005.05.05.05.0000005.015.000005.05.05.05.05.000005.015.000005.05.05.05.05.000005.015.0000005.05.05.05.00000015.0000000054321R R R R R R1.4 模糊推理1.4.1 输入量模糊化假设实际水位误差量化后等级分别为-4、-3、-2、-1、0、1、2、3、4，然后对这些量化等级进行模糊化。
规定等级-4、-2、0、2、4模糊化后的模糊集合分别为：NL 、NS 、O 、PS 、PL 。
而-3属于模糊集合NL 、NS 的隶属度都等于0.5，-1属于模糊集合NS 、O 的隶属度也等于0.5，1属于模糊集合O 、PS 的隶属度都等于0.5，3属于模糊集合PS 、PL 的隶属度也等于0.5。
因此：（1）当输入误差量化等级为-3时，其输出控制量的模糊集合相应于输出论域元素的隶属度，应为当输入为NL 、NS （或量化等级为-4、-2）时输出控制量集合相应于输出论域元素的隶属度和的一半。
或者认为：当输入误差量化等级为-3时，其输出控制量的精确值，为当输入为NL 、NS （或量化等级为-4、-2）时输出控制量精确值的一半。
（2）当输入误差量化等级为-1时，其输出控制量的模糊集合相应于输出论域元素的隶属度，应为当输入为NS 、O （或量化等级为-2、0）时输出控制量集合相应于输出论域元素的隶属度和的一半。
或者认为：当输入误差量化等级为-1时，其输出控制量的精确值，为当输入为NS 、O （或量化等级为-2、0）时输出控制量精确值的一半。
（3）当输入误差量化等级为1时，其输出控制量的模糊集合相应于输出论域元素的隶属度，应为当输入为O 、PS （或量化等级为0、2）时输出控制量集合相应于输出论域元素的隶属度和的一半。
或者认为：当输入误差量化等级为-3时，其输出控制量的精确值，为当输入为O 、PS （或量化等级为0、2）时输出控制量精确值的一半。
（4）当输入误差量化等级为3时，其输出控制量的模糊集合相应于输出论域元素的隶属度，应为当输入为PS 、PL （或量化等级为2、-4）时输出控制量集合相应于输出论域元素的隶属度和的一半。
或者认为：当输入误差量化等级为-3时，其输出控制量的精确值，为当输入为PS 、PL （或量化等级为2、4）时输出控制量精确值的一半。
1.4.2 模糊推理对上述量化等级-4、-3、-2、-1、0、1、2、3、4模糊化后对应的模糊集合，分别进行模糊推理，得到的输出模糊集合分别为U 1、U 2、U 3、U 4、U 5、U 6、U 7、U 8、U 9。
计算如下[][]15.05.05.00000000005.01000005.05.05.05.0000005.015.000005.05.05.05.05.000005.015.000005.05.05.05.05.000005.015.0000005.05.05.05.00000015.0000000000000005.011=⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎣⎡== RNL U[]5.05.015.05.05.00003==R NS U []05.05.05.015.05.05.005==R O U []0005.05.05.015.05.07==R PS U []000005.05.05.019==R PL U[]75.05.075.05.025.025.0000)(21312=+=U U U []25.05.075.05.075.05.025.025.00)(21534=+=U U U[]025.025.05.075.05.075.05.025.0)(21756=+=U U U[]00025.025.05.075.05.075.0)(21978=+=U U U1.5 模糊判决对上述输出模糊集合U 1、U 2、U 3、U 4、U 5、U 6、U 7、U 8、U 9进行模糊判决，得到控制量的精确值，乘以比例因子才能施加给被控对象。
这里采用最大隶属度法分别对输出模糊集合U 1、U 2、U 3、U 4、U 5、U 6、U 7、U 8、U 9进行模糊判决。
由于U 2、U 4、U 6、U 8中各有两个论域元素的隶属度最大且相等，所以对它们取最大隶属度对应元素的平均值作为判决结果。
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=-41.6 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(x i) -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4u(z k) 4 3 2 1 0 -1 -2 -3 -4表 2 水位模糊控制查询表2 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。
2.1 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2—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。