双容水箱液位模糊控制

双容水箱模糊控制规则双容水箱模糊控制规则引言双容水箱是一种常见的水源供应系统，其通过两个容器间的自动切换来保证水源的持续供应。

在实际使用中，为了更好地控制水箱的切换和保障供水质量，需要采用模糊控制技术。

本文将对双容水箱模糊控制规则进行详细介绍。

一、双容水箱基本原理1.1 双容水箱结构双容水箱由两个相同的储水器和一个控制系统组成。

其中，每个储水器都有一个进口和一个出口，而控制系统则负责监测并调节两个储水器中的液位。

1.2 双容水箱工作原理当一个储水器中的液位下降到一定程度时，控制系统会自动切换到另一个储水器，并开启进口阀门将新鲜的自来水注入该储水器中。

同时，出口阀门会打开以保证该储水器中的液位不断上升。

二、模糊控制技术介绍2.1 模糊控制原理模糊控制是一种基于模糊逻辑理论的智能控制方法，其主要思想是将模糊的输入量通过一定的规则转化为模糊的输出量，从而实现对系统的控制。

2.2 模糊控制在双容水箱中的应用在双容水箱中，模糊控制可以通过对液位、进出水流量等参数进行监测和分析，从而实现对水箱切换和进出水阀门的精确控制。

三、双容水箱模糊控制规则3.1 液位监测规则液位监测是双容水箱模糊控制的基础。

在液位监测中，需要将液位高度转化为模糊变量，并根据不同的液位高度设置相应的隶属函数。

例如：- 高液位：隶属函数为“大”- 中等液位：隶属函数为“中”- 低液位：隶属函数为“小”3.2 切换规则当一个储水器中的液位下降到一定程度时，需要切换到另一个储水器。

此时，可以根据两个储水器中当前的液位高度以及进出水流量等参数来确定是否需要切换。

例如：- 当当前储水器中的液位低于“中”且另一个储水器中的液位高于“中”时，需要切换到另一个储水器。

- 当两个储水器中的液位都低于“小”时，需要启动进口阀门将新鲜的自来水注入当前储水器中。

3.3 进出水阀门控制规则进出水阀门控制是双容水箱模糊控制的核心。

在进出水阀门控制中，需要根据当前储水器的液位高度以及进出水流量等参数来精确控制进出水阀门的开关状态。

基于模糊 PID的双容液位控制系统设计摘要：针对双容液位控制系统的大滞后、非线性等特点，本文采用s7-1200作为控制器，运行SCL语言编写了模糊PID控制算法，采用MCGS设计了监控系统，实现了对双容液位的控制。

实验结果表明: 模糊PID 控制方法相比传统 PID 控制方法，有着更小的超调量和更快的调节时间，对双容液位控制系统得有良好的控制性能。

项目来源：广西高校中青年教师能力提升项目（2019KY1559）关键词：双容液位控制、模糊PID、PID 控制、MCGSAbstract: In view of the large lag and nonlinear characteristicsof the dual-volume liquid level control system, this paper uses s7-1200 as the controller, runs the SCL language to write the fuzzy PID control algorithm, uses MCGS to design the monitoring system, and realizes the dual-volume liquid level control system. bit control. The experimental results show that the fuzzy PID control method hassmaller overshoot and faster adjustment time than the traditional PID control method, and has good control performance for the dual-volume liquid level control system.Keywords: dual-volume liquid level control, fuzzy PID, PID control, MCGS引言：在工业生产过程控制中，液位控制系统是控制系统中非常重要的成员之一，液位控制质量水平也是影响连续过程系统的的重要因素，因此对液位控制系统的研究是非常重要的。

吉林化工学院毕业设计模糊控制在液位控制中的仿真应用设计Simulation Design Based on Fuzzy Controller in Liquid LevelControl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：2013.03.04～2013.06.23吉林化工学院Jilin Institute of Chemical Technology摘要本次设计主要论述了应用模糊控制理论控制水箱液位，详尽的介绍模糊控制理论的相关知识，提出水箱液位模糊控制的方案，建立基于水箱水位的数学模型并用MATLAB进行仿真设计。

首先根据双容水箱的系统结构，通过计算得到数学模型的传递函数；然后利用Matlab 工具箱设计模糊控制器，具体包括以下三步：（1）确定模糊控制器的结构；（2）输入输出的模糊化；（3）模糊推理决策算法设计；最后分别用常规PID控制与模糊控制对双容水箱系统仿真。

通过常规PID控制与模糊控制仿真结果的对比，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，显示出很强的抗干扰性能。

关键词：水位控制；模糊控制器；模糊规则; 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)1.1 模糊控制水箱水位系统概述 (1)1.2 模糊控制理论简介 (1)1.2.1 模糊控制理论的产生、发展及现状 (1)1.2.2 模糊控制理论运用于水箱水位系统控制的意义 (2)1.3 仿真建模工具软件MATLAB／SIMULINK简介 (2)1.4 本文的主要任务及内容安排 (4)第二章模糊理论及模糊控制基础 (6)2.1模糊理论基础 (6)2.1.1 从经典集合到模糊集合的转变 (6)2.1.2 模糊集合的基本概念 (8)2.1.3 模糊集合的基本运算 (11)2.2 模糊控制的基础知识 (13)2.2.1 模糊控制的一般概念 (14)2.2.2 模糊控制的回顾和展望 (15)2.2.3 模糊控制系统的结构 (15)2.3 本章小结 (20)第三章水箱水位模糊控制器的建立 (22)3.1 双容水箱的动态分析与建模 (22)3.2Matlab下模糊控制器的设计 (24)3.2.1 确定模糊控制器的结构 (24)3.2.2 输入输出的模糊化 (25)3.2.3 模糊推理决策算法设计 (26)3.3 本章小结 (29)第四章利用MATLAB对水箱水位系统进行仿真建模 (30)4.1 水箱水位模糊推理系统（FIS）的建立 (30)4.2 模糊规则的建立 (32)4.3 对SIMULINK模型控制系统的构建 (35)4.4Matlab对水箱液位的仿真设计 (36)4.4.1 常规PID对液位模型的仿真 (36)4.4.2 模糊控制对液位模型的仿真 (37)4.4.3 混合式模糊控制对液位的仿真 (38)4.4.4 干扰后常规PID与模糊控制仿真对比 (39)4.5 本章小结 (40)结论 (42)参考文献 (43)致谢 (44)第一章绪论1.1 模糊控制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，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。

双容水箱液位模糊串级控制系统的设计与MATLAB仿真薛松柏11.宿迁学院机电工程系，09自动化1班，20090704140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大滞后、时变、非线性的特点，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方法的优点，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。

本文先对双容水箱进行数学建模，将模糊控制和PID控制相结合，设计出了双容水箱液位模糊PID串级控制系统。

然后参照经验选取了合适的模糊控制规则和隶属度函数，设计了模糊控制器，建立了模糊控制表，供在线模糊控制查询使用。

最后应用MATLAB对双容水箱液位控制对象的常规PID串级控制系统和模糊PID串级控制系统进行了仿真比较，说明了模糊PID串级控制系统相对于常规PID串级控制系统，对于此设计具有明显的优越性。

关键字：PID控制；模糊控制；模糊PID串级控制；MATLAB仿真0 引言双容水箱液位控制系统，由于阀门的非线性、传输管道的纯滞后，用常规的PID控制不能取得满意的控制效果，而且双容水箱理论上的数学模型是很难建立的，所以用常规的PID控制更难取得满意的控制效果。

为此将模糊控制引入到双容水箱液位控制系统中来，根据人工控制的经验总结模糊控制的规律，用模糊控制和PID控制对双容水箱进行串级控制，可以取得满意的控制效果。

本文设计了双容水箱液位的模糊PID串级控制，用模糊控制和PID控制组成的双容水箱液位串级控制系统通过控制双容水箱的下液位，改善其控制性能，并借助MATLAB进行仿真，比较常规PID串级控制和模糊PID串级控制的性能。

1 双容水箱液位系统的组成双容水箱串级液位控制系统结构图如图 2.1所示。

实验二：模糊控制水箱液位调节一实验目的1．掌握模糊控制的原理2．加强模糊控制在实践中的应用二实验器材装有Matlab软件PC电脑一台三实验原理模糊控制的基本原理：它的核心部分为模糊控制器，模糊控制器的控制规律由有计算机程序实现。

详见P32(模糊控制原理)。

四原代码clear allclose allq1=0; %定义第一个水箱的入水量q2=0; %定义第一个水箱的出水量q3=0; %定义第二个水箱的出水量q4=0; %定义第三个水箱的出水量b=1.4; %定义第一个水箱入水量的控制系数a1=8.6; %定义第一个水箱出水量的控制系数a2=8.6; %定义第一个水箱出水量的控制系数h1=100; %定义第一个水箱中水的初始高度h2=100; %定义第二个水箱中水的初始高度h3=100; %定义第三个水箱中水的初始高度v=119; %定义sin函数的系数s=190; %定义水箱底面积k=10; %定义开关控制量e=0; %定义误差e_1=0;ec=0;H=130; %定义第三个水箱的期望高度e=H-h1;a=newfis('fuzz'); %误差函数a=addvar(a,'input','e',[-25,25]);a=addmf(a,'input',1,'NB','zmf',[-25,-10]);a=addmf(a,'input',1,'PS','trimf',[-25,-10,0]);a=addmf(a,'input',1,'Z','trimf',[-10,0,10]);a=addmf(a,'input',1,'PS','trimf',[0,10,25]);a=addmf(a,'input',1,'PB','smf',[10,25]);a=addvar(a,'output','u',[0,100]); %控制量输出函数a=addmf(a,'output',1,'NB','zmf',[0,30]);a=addmf(a,'output',1,'NS','trimf',[0,30,50]);a=addmf(a,'output',1,'Z','trimf',[30,50,70]);a=addmf(a,'output',1,'PS','trimf',[50,70,100]);a=addmf(a,'output',1,'PB','smf',[70,100]);rulelist=[1 1 1 1;2 2 1 1;3 3 1 1;4 4 1 1;5 5 1 1];a = addrule(a, rulelist);for i=1:1:8000tt(i)=i; %时间轴q1=b*k; %第一个水箱的进水量q2=a1*sqrt(h1); %第一个水箱的出水量h1=h1+(q1-q2)/s; %第一个水箱中水的高度q3=a2*sqrt(h2); %第二个水箱的进水量h2=h2+(q2-q3)/4; %第二个水箱中水的高度q4=v*abs(sin(2.3*pi*i+0.35)); %第二个谁想的出水量h3=h3+(q3-q4)/s; %第三个水箱中的高度hh(i)=h3;k=evalfis(e,a);e=H-h3;endplot(tt,hh)五、插图。

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，难以对其进行精确的控制，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。

本课题首先分析了双容水箱液位控制系统工艺流程，在MPCE-1000实验系统上模拟双容水箱系统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，液位控制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.The first issue of a dual-capacity water tank level control system and its mathematical modeling process.In experiments on MPCE-1000the 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, Level Control第一章 前 言 (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 模糊PID控制与MPCE1000试验系统简介 (4)2.1 改善模糊控制系统的稳态性能 (4)2.1.1 FuzzyPID混合控制器 (4)2.1.2比例模糊PI控制器 (5)2.2 MPCE1000试验系统 (6)2.2.1 小型流程设备台 (6)2.2.2动态数字模型 (6)2.2.3 硬件自动测试 (6)第三章 模糊控制理论基础 (7)3.1 双容水箱液位控制系统的数学建模 (7)3.2 模糊自动控制的基本思想 (8)3.3 模糊控制特点 (10)3.4 模糊控制系统的组成 (11)3.5 模糊控制系统的设计 (12)3.5.1模糊控制器的设计原则 (12)3.5.2 模糊控制器的常规设计方法 (13)3.5.3模糊控制器组成 (14)3.6 模糊控制与PID 算法的结合 (16)第四章 双容水箱液位控制系统的仿真研究 (19)4.1 MATLAB 简介 (19)4.1.1 模糊逻辑工具箱 (19)4.1.2 SIMULINK 工具箱 (19)4.1.3 MATLAB 在模糊控制仿真中的应用 (19)4.2 模糊PID 双容水箱液位控制的仿真 (20)4.2.1 模糊控制器的simulink 仿真 (20)4.2.2 双容水箱液位控制的模糊PID 仿真 (33)4.3 对比与结论 (33)第五章 结论与展望 (35)5.1 研究工作总结 (35)5.2 展望 (35)参 考 文 献 (37)致 谢 (38)第一章 前 言1.1 研究背景及意义1.1.1 选题背景双容水箱液位的控制作为过程控制的典型代表是众多过程控制学者研究的热点之一。

摘要双容水箱液位控制系统广泛应用于食品生产、工业化工等各个领域。

双容液位控制系统具有非时变、滞后等特点，根据这一特点，分别应用了PID控制、模糊控制等控制策略。

基于对过程控制实验装置的了解，建立了过程实验装置与西门子PLC的硬件连接。

然后，基于PLC实现了过程实验装置双容液位控制系统的设计，并对实验结果进行了对比分析。

在此基础上，基于OPC接口技术，建立西门子PLC与MATLAB 软件的数据通讯。

进而，采用模糊控制算法应用MATLAB软件中的模糊控制工具箱，实现了对过程实验装置双容液位的控制。

最后，对实验结果进行了对比分析，得出了模糊控制算法在双容液位控制系统中应用的优点。

关键词：双容液位；PLC；PID控制；模糊控制Process control device of Liquid Level Control System DesignABSTRACTTwin-tank water level control system is widely used in various fields such as food production, industrial chemicals. Liquid Level control system with a non-time-varying characteristics of the lag, according to this feature, each application of the PID control, fuzzy control and other control strategies.Based on the process control device of understanding, the course of the experiment apparatus connected to a Siemens PLC hardware. Then, based on PLC achieved during experimental apparatus Liquid Level Control System, and the experimental results were compared and analyzed. On this basis, based on the OPC interface technology, establish data communication Siemens PLC with MATLAB software. Furthermore, the use of the experimental device for Liquid Level Process Control Fuzzy Control MATLAB software fuzzy control toolbox achieved. Finally, the experimental results were compared and analyzed, we obtained advantages of fuzzy control algorithm in Liquid Level Control System.Key Words：Liquid Level; PLC; PID Control; Fuzzy Control目录摘要 (I)ABSTRACT (II)第1章绪论 (1)1.1选题的背景及意义 (1)1.2国内外研究现状 (2)1.2.1过程控制系统研究现状 (2)1.2.2双容液位控制概论 (3)1.2.3模糊控制研究现状 (4)1.3本文研究内容 (5)第2章过程实验装置的双容液位系统 (6)2.1装置介绍 (6)2.2对象特性分析 (9)2.3控制需求分析 (9)第3章过程实验装置的双容液位控制系统设计 (11)3.1 控制系统设计 (11)3.2 基于PLC的双容液位控制 (12)3.2.1PLC控制程序 (13)3.2.2PID参数整定 (15)3.2.3 传递函数的求解与OPC的连接 (15)3.3 实验结果分析 (22)3.4小结 (25)第4章基于PID的Matlab和模糊控制仿真 (27)4.1数据通讯系统 (27)4.2基于 PID控制器的模糊控制系统设计 (29)4.2.1模糊控制器的编写 (29)4.2.2模糊控制器的编写 (30)4.2.3模糊控制仿真设计 (37)4.3实验结果对比分析 (40)第5章总结 (44)参考文献 (45)附录A 附录内容名称 (46)致谢 (49)第1章绪论1.1选题的背景及意义双容水箱在工业生产过程中极其常见，是工业生产常用的控制设备之一。

双容水箱液位控制系统简介双容水箱液位控制系统是一种能够自动检测液位并控制液位的系统，通常用于工业生产中的水处理、冷却等环节。

它包括两个水箱和一套自动液位控制系统。

系统组成双容水箱液位控制系统主要由以下几部分组成：1.双个水箱：分别是进水箱和出水箱，供水系统在进水箱中存储新的水，然后将水处理后的水送到出水箱，最后再供应到整个系统中。

2.液位控制器：一种能够检测并控制液位水平的控制器，通过传感器收集水位信号，并将数据传输到中控系统中。

3.中央控制器：用于处理液位信号和控制整个系统，开启或关闭水泵和控制进出水箱之间的流量。

系统工作原理当水处理系统开始工作时，水泵会将新的水送入水箱中。

同时，液位控制器会监测进水箱的液位，发送信号到中央控制器。

当进水箱的液位降到最低时，中央控制器会打开进水阀门，并将水流至进水箱中。

当进水箱液位升高到预设液位时，液位控制器会停止进水。

如果进水箱液位超过了预设值，控制器会关闭进水阀门，以避免水溢出。

同样的，出水箱也安装有液位控制器，监测出水箱液位，当液位达到最高限制时，中央控制器会打开出水阀门，并控制出水量。

当出水箱的液位降至预设值时，中央控制器会关闭出水阀门，以避免水泵过载。

优势双容水箱液位控制系统的优势主要在于以下几点：1.自动化程度高：整个水箱液位控制系统实现了全自动化的工作流程，大大减少了人工干预的频率和工作强度。

2.稳定性好：水箱液位控制系统能够实时监测液位变化，并根据水量来调整水泵流量，保证了流量平稳且不会超载，同时可以避免水流过大或过小带来的问题，提高了整个系统的稳定性和安全性。

应用场景双容水箱液位控制系统适用于以下场合：1.工业生产：工业生产中通常需要大量的水，而这些水又需要简单地进行过滤以保证生产质量。

双容水箱液位控制系统能够有效地满足这些需求。

2.冷却系统：在冷却系统中，温度是一个至关重要的因素。

过高或过低的温度都会导致整个系统的损坏，而恰当的水流量和水温可以保持整个系统的适宜温度和稳定性。

双容水箱液位模糊控制一、实验目的熟悉双容液位控制系统的组成原理。

通过实验进一步掌握模糊控制原理及模糊控制规则的生成。

了解量化因子和比例因子对控制效果的影响。

掌握解模糊方法及实现。

二、实验设备实验对双象为TKGK-1双容液位系统TKGK-1型实验装置：GK-06、GK-07-2万用表一只计算机系统三、实验原理图1 双容水箱液位模糊控制系统方框图图1为双容水箱液位控制系统。

控制的目的是使下水箱的液位等于给定值，并能克服来自系统内部和外部扰动的影响。

双容水箱液位系统如图2，该被控对象具有非线性和时滞性，建立精确的数学模型比较困难；模糊控制不仅可以避开复杂的数学模型，通常还能得到比较好性能指标。

模糊控制器的结构图如图3。

模糊控制器的输入为误差和误差变化率：误差e=r-y，误差变化率ec=de/dt，其中r和y分别为液位的给定值和测量值。

把误差和误差变化率的精确值进行模糊化变成模糊量E和EC，从而得到误差E和误差变化率EC的模糊语言集合，然后由E和EC模糊语言的的子集和模糊控制规则R（模糊关系矩阵）根据合成推理规则进行模糊决策，这样就可以得到模糊控制向量U，最后再把模糊量解模糊转换为精确量u，再经D/A转换为模拟量去控制执行机构动作。

图3 模糊控制器组成原理图模糊量化：根据精确量实际变化范围[a,b]，合理选择模糊变量的论域为[-n,n]，通过量化因子k=，将其转换成若干等级的离散论域，如七个等级为{负大，负中，负小，零，正小，正中，正大}，简写为{NB,NM,NS,O,PS,PM,PB}。

确定模糊子集的隶属函数曲线。

一般常采用三角形、梯形和正态分布等几种曲线。

然后由隶属函数曲线得出模糊变量E、EC、U 的赋值表。

根据经验，E模糊子集的隶数度函数取正态分布曲线，则赋值表见表一：表一：变量E隶属函数赋值表模糊控制规则：模糊控制规则是操作经验和专家知识的总结，是进行模糊推理的依据。

在设计模糊控制规则时，必须考虑控制规则的完备性、交叉性和一致性。

资料范本本资料为word版本，可以直接编辑和打印，感谢您的下载水箱液位的模糊控制地点：__________________时间：__________________说明：本资料适用于约定双方经过谈判，协商而共同承认，共同遵守的责任与义务，仅供参考，文档可直接下载或修改，不需要的部分可直接删除，使用时请详细阅读内容1、绪论1.1 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1.2模糊控制的概述人工智能包括推理、学习和联想三大要素，它是采用非数学式子方法，把人们的思维过程模型化，并用计算机来模仿人的智能的学科。

许多科学家认为下一世纪生产力的飞跃寄托于人工智能技术，并认为人工智能的发展必将带来一次新的史无前例的技术革命，第五代计算机的研究充分体现了人类左脑的逻辑推理功能，而人工智能研究的下一步是模仿人类右脑的模糊处理功能。

人工智能将在逻辑推理计算机、模糊计算机和神经网络计算机这三者的基础上，由两个方面来实现，即：一是利用现有的计算机技术模拟人类的智能；二是利用一种全新的技术来实现信息处理的模糊化和网络化。

前者是实现人工智能必需的先决条件；后者是实现人工智能的根本途径。

“模糊控制理论”是由美国学者加利福尼亚大学著名教授L.A.Zadeh于1965年首先提出，至今仅有20余年时间。

它以模糊数学为基础，用语言规则表示方法和先进的计算机技术，由模糊推理进行判决的一种高级控制策略。

目次之袁州冬雪创作摘要2一．PID节制原理、优越性，对系统性能的改善2二．被控对象的分析与建模3三．PID参数整定方法概述43.1 PID节制器中比例、积分和微分项对系统性能影响分析43.1.1 比例作用43.1.2 积分作用53.1.3 微分作用63.2 PID参数的整定方法63.3 临界比例度法83.4 PID参数的确定10四．节制布局104.1 操纵根轨迹校正系统104.2 操纵伯德图校正系统124.3 调整系统节制量的恍惚PID节制方法13144.3.2 PID节制部分16五．节制器的设计16错误!未定义书签。

错误!未定义书签。

参考文献17摘要：针对双容水箱大滞后系统，采取PID方法去节制.首先对PID节制中各参数的作用停止分析，采取根轨迹校正、伯德图校正的方法，对系统停止校正.最后采取调整系统节制量的恍惚PID节制的方法，对该二阶系统停止节制.同时，在MATLAB下，操纵Fuzzy工具箱和Simulink仿真工具，对系统的稳定性、反应速度等各指标停止分析.关键字：双容水箱，大滞后系统，恍惚节制，PID，二阶系统，MATLAB ，SimulinkAbstract：For Two-capacity water tankbig lag system，using PID to control this system. First, to analyze the effectofeach parameter of PID. And the root-locus technique and bode diagram is adopted to design the correcting Unit.Then, fuzzy PID control method was used to adjust this second-order system.And a simulation model of this system is built with MATLAB Fuzzy and SIMULINK,with it analyzing the system stability ,reaction velocity and other indexs.Keywords:two-capacity water tank,big lag system,fuzzy control,PID,second-order system一．PID节制原理、优越性，对系统性能的改善当今的自动节制技术绝大多数部分是基于反馈.反馈实际包含三个基本要素：丈量、比较和执行.丈量关心的是变量，并与期望值相比较，以此偏差来改正和调节节制系统的响应.反馈实际及其在自动节制的应用的关键是：作出正确的丈量与比较后，如何将偏差用于系统的改正和调节.在过去的几十年里，PID节制，即比例-积分-微分节制在工业节制中得到了广泛的应用.虽然各种先进节制方法不竭涌现，但PID节制器由于布局简单，在实际应用中较易于整定，且具有不需切确的系统模子等优势，因而在工业过程节制中仍有着非常广泛的应用.而且许多高级的节制技术也都是以PID节制为基础的.下面是典型的PID节制系统布局图：图1-1其中PID节制器由比例单元（P）、积分单元（I）和微分单元（D）组成.（1）比例（P）调节作用是按比例反应系统的偏差，系统一旦出现了偏差，比例调节当即发生调节作用用以减少偏差.比例作用大，可以加快调节，减少误差，但是过大的比例，使系统的稳定性下降，甚至造成系统的不稳定.（2）积分（I）调节作用是使系统消除稳态误差，提高无差度.因为有误差，积分调节就停止，直至无差，积分调节停止，积分调节输出一常值.积分作用的强弱取决与积分时间常数Ti，Ti越小，积分作用就越强.反之Ti大则积分作用弱，加入积分调节可以使系统稳定性下降，动态响应变慢.积分作用常与另两种调节规律连系，组成PI调节器或PID调节器.（3）微分（D）调节作用微分作用反映系统偏差信号的变更率，具有预见性，能预见偏差变更的趋势，因此能发生超前的节制作用，在偏差还没有形成之前，已被微分调节作用消除.因此，可以改善系统的动态性能.在微分时间选择合适情况下，可以减少超调，减少调节时间.微分作用对噪声干扰有放大作用，因此过强的加微分调节，对系统抗干扰晦气.此外，微分反应的是变更率，而当输入没有变更时，微分作用输出为零.微分作用不克不及单独使用，需要与别的两种调节规律相连系，组成PD或PID节制器.二．被控对象的分析与建模该系统节制的是有纯延迟环节的二阶双容水箱，示意图如下：图2-1其中12A A 分别为水箱的底面积，123q q q 为水流量，12R R 为阀门1、2的阻力，称为液阻或流阻，经线性化处理，有：2R h q ∆=∆.则根据物料平衡对水箱1有：拉式变换得：对水箱2：拉式变换得：则对象的传递函数为：其中211R A T =为水箱1的时间常数，322R A T =水箱2的时间常数，K 为双容对象的放大系数.若系统还具有纯延迟，则传递函数的表达式为：其中0τ延迟时间常数.在参考各种资料和数据的基础上，可设定该双容水箱的传递函数为：三．PID 参数整定方法概述3.1 PID 节制器中比例、积分和微分项对系统性能影响分析在MATLAB 中建立对象的传递函数模子5022()100201s G S e s s -=++，在饬令行中输入： sys=tf(2,[10020 1],'inputdelay',5);sysx=pade(sys,1);比例作用分析在分歧比例系数下，系统的阶跃响应图，输入饬令：P=[0.1 0.5 1 5 10];figure,hold onfor i=1:length(P)G=feedback(P(i)*sys,1);step(G)end得到图形如下：图3-1图中分别绘出了K为0.1，0.5，1，5，10时的阶跃响应图，可知当K增大时系统的稳态误差不竭减小，响应时间加快，并出现振荡.积分作用分析在分歧积分常数下，系统的阶跃响应图，输入饬令：Ti=[3:0.5:5];t=0:2:100;figure,hold onKp=1;for i=1:length(Ti)Gc=tf(Kp*[1,1/Ti(i)],[1,0]);G=feedback(Gc*sys,1 );step(G,t)end得图形如下：图3-2由图可知，积分作用虽可消除误差，但加入积分调节可以使系统稳定性下降，途中甚至可出现不稳定的情况，同时动态响应变慢，调节时间变大.微分作用分析在分歧微分时间常数下，系统的阶跃响应图，输入饬令：Td=[1:4:20];t=0:1:100;figure,hold onfor i=1:length(Td)Gc=tf([5*Td(i),5,1],[5,0]);G=feedback(sys*Gc,1) ;step(G,t)end得图形如下：图3-3图中绘出了Td为1逐渐增大至20时的系统阶跃响应变更趋势，可知微分时间常数增加时，系统上升时间增加了，但是调节时间减少，更重要的是由于带有预测作用，惯性系统的超调量大大减小了.3.2 PID参数的整定方法采取PID节制器时，最关键的问题就是确定PID节制器中比例度PB、积分时间Ti和微分时间Td.一般可以通过实际计算来确定这些参数，但往往有误差，不克不及达到抱负的节制效果.因此，今朝，应用最多的有工程整定法：如经历法、衰减曲线法、临界比例度法和反应曲线法，各种方法的大体过程如下：（1）经历法又叫现场凑试法,即先确定一个调节器的参数值PB和Ti，通过改变给定值对节制系统施加一个扰动，现场观察断定节制曲线形状.若曲线不敷抱负，可改变PB或Ti，再画节制过程曲线，经反复凑试直到节制系统符合动态过程品质要求为止，这时的PB和Ti就是最佳值.如果调节器是PID三作用式，那末要在整定好的PB和Ti的基础上加进微分作用.由于微分作用有抵制偏差变更的才能，所以确定一个Td值后，可把整定好的PB和Ti值减小一点再停止现场凑试，直到PB、Ti和Td取得最佳值为止.显然用经历法整定的参数是准确的.但花时间较多.为缩短整定时间，应注意以下几点：①根据节制对象特性确定好初始的参数值PB、Ti和Td.可参照在实际运行中的同类节制系统的参数值，或参照表3-4-1所给的参数值，使确定的初始参数尽可以接近整定的抱负值.这样可大大减少现场凑试的次数.②在凑试过程中，若发现被控质变更缓慢，不克不及尽快达到稳定值，这是由于PB过大或Ti过长引起的，但二者是有区此外：PB过大，曲线漂浮较大，变更不规则，Ti过长，曲线带有振荡分量，接近给定值很缓慢.这样可根据曲线形状来改变PB或Ti.③PB过小，Ti过短，Td太长都会导致振荡衰减得慢，甚至不衰减，其区别是PB过小，振荡周期较短；Ti过短，振荡周期较长；Td太长，振荡周期最短.④如果在整定过程中出现等幅振荡，而且通过改变调节器参数而不克不及消除这一现象时，可以是阀门定位器调校不准，调节阀传动部分有间隙（或调节阀尺寸过大）或节制对象受到等幅动摇的干扰等，都会使被控量出现等幅振荡.这时就不克不及只注意调节器参数的整定，而是要检查与调校其它仪表和环节.（2）衰减曲线法该方法是以4：1衰减作为整定要求的，先切除调节器的积分和微分作用，用凑试法整定纯比例节制作用的比例度PB（比同时凑试二个或三个参数要简单得多），使之符合4：1衰减比例的要求，记下此时的比例度PBs和振荡周期Ts.如果加进积分和微分作用，可按相应的表格给出经历公式停止计算.若按这种方式整定的参数作适当的调整.对有些节制对象，节制过程停止较快，难以从记录曲线上找出衰减比.这时，只要被控量动摇2次就可以达到稳定状态，可近似认为是4：1的衰减过程，其动摇一次时间为Ts.（3）临界比例度法用临界比例度法整定调节器参数时，先要切除积分和微分作用，让节制系统以较大的比例度，在纯比例节制作用下运行，然后逐渐减小PB，每减小一次都要认真观察过程曲线，直到达到等幅振荡时，记下此时的比例度PBk(称为临界比例度)和动摇周期Tk，然后按对应的表给出的经历公式求出调节器的参数值.按该表算出参数值后，要把比例度放在比计算值稍大一点的值上，把Ti和Td放在计算值上，停止现场观察，如果比例度可以减小，再将PB放在计算值上.这种方法简单，应用比较广泛.但对PBk很小的节制系统不适用.（4）反应曲线法前三种整定调节器参数的方法，都是在预先不知道节制对象特性的情况下停止的.如果知道节制对象的特性参数，即时间常数T、时间迟延ξ和放大系数K，则可按经历公式计算出调节器的参数.操纵这种方法整定的成果可达到衰减率φ=0.75的要求 .3.3 临界比例度法在本设计中，我们组采取了临界比例度法来停止PID参数的整定，下面是用临界比例度法整定PID参数的过程在simulink中设计简单的PID节制系统布局图如下：图3-4采取临界比例度法整定PID参数，先切除积分和微分作用，让节制系统以较大的比例度，在纯比例节制作用下运行，然后逐渐减小PB，直到达到等幅振荡时，记下此时的比例系数约为2.45 (称为临界比例度)和动摇周期Tk约为32s，如下图：图3-5然后按对应的表给出的经历公式求出调节器的参数值.仅加入比例环节时，设P为1.225，系统阶跃响应图如下：图3-6由图知系统超调量较小，调节时间为120s左右，但是存在较大的稳态误差为0.3左右，由前面分析欲减小稳态误差需加入积分环节，设P为1.1，Ti为0.0375，此时系统阶跃响应图如下：图3-7由图知加入积分环节后系统的稳态误差大大减小，也验证了其消除误差的作用，但是调节时间加长到约为140s，同时超调量加大近38%，使用PID节制器：图3-8系统稳态误差基本为零，调节时间略有减小，但是超调量接近50%，远远达不到系统动态性能的要求.减小比例系数后发现系统超调量逐渐下降，但是响应速度逐渐减慢，调节时间增加，于是增大微分时间常数以加快响应速度，根据经历法逐步伐整各参数，得基本知足系统动态性能的图形如下：图3-9此时系统各项指标基本使人称心，只是调节时间稍长，为80s 左右.采取临界比例度法得到的PID 参数为：Kd=43.4 PID 参数的确定该节制器采取的是临界比例系数法对PID 参数停止初步整定，然后根据节制的效果，对PID 参数停止调整.最后确定的PID 参数为：四．节制布局在这次设计中，我们首先对系统的传递函数5022()100201s G S e s s -=++停止根轨迹校正和波的图校正，然后采取调整系统节制量的恍惚节制PID 节制方法，对系统的节制器停止分析.4.1 操纵根轨迹校正系统校正前开环系统根轨迹如下：图4-1设定系统校正指标要求为：稳态误差≤0.05，超调量p σ≤15%，s t 20s ≤∆（=0.02），则校正过程如下： MATLAB 中输入如下饬令：>> KK=20;bp=0.15;ts=20;delta=0.02;>> ng0=[2];dg0=[100,20,1];g0=tf(KK*ng0,dg0); ；建立传递函数模子s=bpts2s(bp,ts,delta)s =-0.2034 + 0.3368i ；期望的闭环主导极点>> [ngc,dgc]=rg_lead(KK*ng0,dg0,s); ；根轨迹法求带惯性的PD节制器gc=tf(ngc,dgc)Transfer function:----------------s + 0.5583 ；校正环节传递函数>> g0c=tf(g0*gc);b1=feedback(sys,1);b2=feedback(g0c,1); ；单位负反馈step(b1,'r--',b2,'b');grid on ；校正前后系统的阶跃响应图4-2验算时域性能指标：[pos,tr,ts,tp]=stepchar(b2,delta)从验算成果来看，稳态误差及调节时间达到设计要求，但超调量太大远远不克不及知足要求，需要调整闭环主导极点的位置.检查此时预设的主导极点的阻尼比和无阻尼自然频率： >> [kosi,wn]=s2kw(s)再提高阻尼等到自然频率的值分别为0.99，0.99得闭环极点：>>s=kw2s(0.99,0.99) 再运行PD 节制器设计得： Transfer function: --------------- 阶跃响应图如下：图4-3验算各性能指标：>> [pos,tr,ts,tp]=stepchar(b2,delta) 完全知足设计性能指标要求. 4.2 操纵伯德图校正系统校正指标要求： 40v K ≥，60γ︒=，c 5rad/s ω=，幅值裕度≥15dB .KK=20;Pm=60;wc=5;ng0=KK*[2];dg0=[100,20,1];g0=tf(ng0,dg0);w=logspace(-1,3);[ngc,dgc]=fg_lead_pm_wc(ng0,dg0,Pm,wc,w);gc=tf(ngc,dgc);g0c=tf(g0*gc);b1=feedback(sys,1);b2=feedback(g0c,1);step(b1,'r--',b2,'b');grid onfigure,bode(sys,'r--',g0c,'b',w),grid on校正前后伯德图如下：图4-4得校正前后阶跃响应如下：图4-5调节时间分明减小，响应速度加快.验算各性能指标如下：[gm,pm,wcg,wcp]=margin(g0c)得截止频率为1.33，离设计相差较大，相角裕度为73度也偏大，效果不是太抱负，还需加入二级节制装置.4.3 调整系统节制量的恍惚PID节制方法该节制方法采取的是恍惚节制和PID节制相连系，这类节制器的特点是在大偏差范围内操纵恍惚推理的仿佛调整系统的节制量U，而在偏差范围内转换成PID节制，二者的+ yy r图4-6当switch的输入误差值的相对值≥0.5时，采取恍惚节制；当switch的输入误差值相对值＜0.5时，采取PID节制.恍惚节制部分（1）恍惚集及论域定义对误差E、误差变更EC及节制量U的恍惚集及论域定义如下：E、EC和U的恍惚集均为{NB,NM,NS,ZO,PS,PM,PB}E和EC论域均为{-3，-2，-1，0，1，2，3}U的论域为{-4.5，-3，-1.5，0，1.5，3，4.5}E的从属函数图形如下图图4-7EC的从属函数图形如下图图4-8U的从属函数图形如下图图4-9（2）恍惚节制规则恍惚节制规则如下表表4-1NB NM NS O PS PM PBNB NMNSOPSPMPBPSNSNMNBNBNBNBPSPSNSNMNMNBNBPSPSONSNSNMNMPSPSOOONSNSPMPMPSPSONSNSPBPMPMPMPSPSNSPBPBPMPMPMPSNS -（3）恍惚变量的赋值表恍惚变量E的赋值分别如表4-2恍惚变量EC的赋值分别如表4-3恍惚变量U的赋值分别如表4-4得到的恍惚节制器的输出曲面如图图4-104.3.2 PID节制部分PID部分是当输入的|e|＜0.5时，主要是节制系统的稳定性.PID参数的主要通过临界比例度法停止整定，然后根据实际的节制效果，停止调节.最后确定的PID参数如下：Kp=0.465五．节制器的设计恍惚节制器的输入为误差和误差变更率：误差e=r-y，误差变更率ec=de/dt，其中r和y分别为液位的给定值和丈量值.把误差和误差变更率的切确值停止恍惚化变成恍惚量E和EC，从而得到误差E和误差变更率EC的恍惚语言集合，然后由E和EC恍惚语言的的子集和恍惚节制规则R（恍惚关系矩阵）根据合成推理规则停止恍惚决议计划，这样便可以得到恍惚节制向量U，最后再把恍惚量解恍惚转换为切确量u，再经D/A转换为摹拟量去节制执行机构动作.图5-1该节制器的特点是在大偏差范围内操纵恍惚推理的方法调整系统的节制量U，可以获得较好的动态性能，反应时间加快.而在小范围偏差范围内转换成PID节制，获得较好的静态性能.从仿真曲线和性能指标可以看出，与惯例的PID 节制相比，恍惚PID节制器能使系统响应的超调减小，反应时间加快.尤其是在系统具有延迟的模子布局和参数不确定的情况下，恍惚PID节制具有更佳的节制效果.本设计采取了Matlab的Simulink工具箱和Fuzzy工具箱停止了系统仿真，其中系统的传递函数为其中Simulink的仿真计算图如下图6-1当只有PID调节，没有加入恍惚节制时的仿真曲线如下：图6-2增加了恍惚节制后的仿真曲线：图6-3增加了随机动态扰动后的仿真曲线：图6-4从上面的图像对比可知，恍惚节制可以使得反应时间加快，分明改善了系统的动态特性.而在增加了随机扰动后，可以看到系统任然可以坚持较好的稳态特性，说明PID节制器在具有较强的抗扰动才能.参考文献[1] 王海英，袁丽英，吴勃. 节制系统的MATLAB仿真与设计. 北京：高等教导出版社，2009.[2] 胡寿松. 自动节制原理.第4版. 北京：迷信出版社.2001.[3] 黄忠霖. 节制系统MATLAB计算及仿真[M].2版. 北京：国防工业出版社，2004.[4] 黄永安. 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摘要在工业过程控制中，被控对象通常具有纯滞后、时变性、非线性以及存在种类繁多的干扰，采用常规的PID控制方法，难以获得满意的动、静态性能。

模糊控制作为智能控制领域的一个分支，由于其本质是非线性控制和自适应控制，对于参数时变,纯滞后和不精确模型等复杂控制系统，具有较强的鲁棒性。

本文针对典型的二阶惯性纯滞后系统，设计研究了模糊控制和常规PID的复合控制、PID参数的模糊自整定控制和PID-模糊Smith控制三种智能控制方法。

计算机仿真结果表明：这三种智能控制在二阶滞后系统中的控制效果均优于传统的PID控制效果，能够改善系统的动、静态特性，使控制系统的鲁棒性和抗干扰性得到显著提高。

论文最后通过建立系统的组态工程，将模糊控制方法应用到二容水箱液位控制系统，给出了系统的硬件设计结构，开发了组态画面，并且根据模糊PID控制规则编制了模糊控制程序。

试验结果验证了模糊控制算法的有效性，表明模糊控制在控制性能上优于传统的PID控制。

关键词：纯滞后；模糊控制；鲁棒性；参数自整定；二容水箱AbstractIn the industrial process control, the control objects usually own the time delay, nonlinear, time-vary characteristic accompanied with diverse interferences. So, it is hard to acquire satisfying static and dynamic characteristics by using common PID control. fuzzy control, as a branch of intelligent control field, is adapted to complicated systems with the characteristic of parameter time-vary, model mismatch and time delay, due to its essence of nonlinear and adaptive control and strong robustness.For the system of representative two steps time-delay, fuzzy-PID hybrid control,fuzzy PID control with parameters self-tuning and PID fuzzy Smith complex control are studied in this paper. The simulation shows that the control effects of the above three intelligent control are better than traditional PID control, and the dynamic and steady characteristics are improved. In addition, the robustness and anti-interference are advanced.By means of building a configurative project, the fuzzy control strategy is applied to the two-container water tank, and a set of completed hardware and structure diagram is provided. What’s more, the program is designed according to fuzzy PID control rule. The experiment shows that the arithmetic of fuzzy control is efficient and the capability of fuzzy control is superior to the traditional PID control.Keywords: pure time-delay; fuzzy control; robustness; parameter auto-tuning; two-container water tank目录摘要 (I)Abstract ........................................................................................................................................................... I I 1. 绪论 .. (1)1.1 引言 (1)1.2 复杂工业过程控制所面临的问题 (1)1.3 国内外模糊控制的现状与展望 (2)1.3.1模糊控制的现状 (2)1.3.2 模糊控制展望 (3)1.3本课题研究的目的及意义 (3)本章小结 (4)2. 模糊控制理论 (5)2.1模糊控制概论 (5)2.2模糊控制器的基本原理 (5)2.2.1 模糊控制器的基本设计方法 (6)2.2.2 模糊控制算法 (10)2.2.3控制规则自调整模糊控制器基本原理 (12)本章小结 (14)3. 模糊PID控制方法的研究 (15)3.1 模糊控制器和常规PID的复合控制 (16)3.1.1系统仿真实验 (17)3.2 常规PID参数的模糊自整定控制 (18)3.2.1 PID控制器参数自整定原则 (19)3.2.2 各变量隶属度函数的确定 (21)3.2.3系统仿真实验 (22)本章小结 (23)4. PID-模糊Smith智能控制方法的研究 (24)4.1施密斯（Smith）预估控制 (24)4.2 PID-模糊Smith预估控制 (25)4.2.1模糊Smith控制 (25)4.2.2模糊Smith及PID的复合控制 (26)4.3系统仿真实验 (26)本章小结 (28)5. 模糊控制技术在二容水箱液位控制系统中的应用 (29)5.1 二容水箱液位控制系统结构组成 (29)5.1.1 系统硬件结构 (29)5.1.2 系统硬件组成 (29)5.1.3 MCGS通用监控系统组态软件 (30)5.2二容水箱液位特性测试 (32)5.2.1原理说明 (32)5.2.2 测试内容与步骤 (33)5.2.3 测试曲线及其数学模型 (34)5.3组态界面开发与系统试验 (37)5.3.1组态界面的开发 (37)5.3.2 MCGS脚本程序 (38)5.3.4系统试验结果及分析 (39)5.4 本章小结 (40)总结 .............................................................................................................................. 错误！未定义书签。