基于MATLAB液位控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與仿真開(kāi)題報(bào)告

畢業(yè)論文(設(shè)計(jì)系

別：

電子電氣工程學(xué)院年

級(jí)：

2009級(jí)Page2專(zhuān)業(yè)(班)：學(xué)

號(hào)：學(xué)生姓名：指導(dǎo)教師：電氣工程與自動(dòng)化200908069007徐鳳俠

陳曉紅助教基于MTLAB液位控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與仿真1、選題目的和意義Page3

水箱控制系統(tǒng)正在為化工、電力、冶金、輕工、建材、核能等工業(yè)生產(chǎn)中各種最有優(yōu)濟(jì)指標(biāo)、提高經(jīng)濟(jì)效益、節(jié)約能源、改善勞動(dòng)條件、保護(hù)生態(tài)環(huán)境等方面起著越來(lái)越大的作用。而現(xiàn)在MATLAB仿真軟件在許多學(xué)科領(lǐng)域中已成為工程計(jì)算、控制設(shè)計(jì)、信號(hào)處理與通訊、圖像處理、信號(hào)檢測(cè)、金融建模設(shè)計(jì)與分析等領(lǐng)域研究和應(yīng)用開(kāi)發(fā)的基本工具和首選平臺(tái)。

在MATLAB工具箱中，把模糊推理系統(tǒng)的各部分作為一個(gè)整體，提供了模糊推理系統(tǒng)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)管理函數(shù)，用以完成模糊規(guī)則的建立、解析與修改，模糊推理系統(tǒng)的建立、修改和存儲(chǔ)管理以及模糊推理的計(jì)算及去模糊化等操作。

本仿真系統(tǒng)充分運(yùn)用MATLAB/Simulink中模糊邏輯控制箱（Fuzzy

logic

Toolbox），利用模糊控制和PID控制設(shè)計(jì)中的作用及優(yōu)點(diǎn)使得用此次設(shè)計(jì)的系統(tǒng)完全可以通過(guò)Simulink的圖形化界面進(jìn)行，這樣的結(jié)合使得一個(gè)比較復(fù)雜的水箱液位控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)變得比較簡(jiǎn)單并直觀。并通過(guò)計(jì)算機(jī)軟件MATLAB的仿真，綜合地應(yīng)用了各種專(zhuān)業(yè)技能知識(shí)，熟悉了模糊控制系統(tǒng)和PID控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法及MATLAB仿真方法；提高電氣工程與自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)的系統(tǒng)性、科學(xué)性、及全面性的設(shè)計(jì)素質(zhì)；開(kāi)拓自身的設(shè)計(jì)思路，增強(qiáng)理論知識(shí)與實(shí)踐相結(jié)合的能力。Page42、國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀綜述Page5交互式程序設(shè)計(jì)的高科技計(jì)算環(huán)境。它將數(shù)值分析、矩陣計(jì)算、科學(xué)數(shù)據(jù)可視化以及非線性動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的建模和仿真等諸多強(qiáng)大功能集成在一個(gè)易于使用的視窗環(huán)境中，為科學(xué)研究、工程設(shè)計(jì)以及必須進(jìn)行有效數(shù)值計(jì)算的眾多科學(xué)領(lǐng)域提供了一種全面的解決方案，并在很大程度上擺脫了傳統(tǒng)非交互式程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言（如C、Fortran）的編輯模式，代表了當(dāng)今國(guó)際科學(xué)計(jì)算軟件的先進(jìn)水平。

在現(xiàn)在控制系統(tǒng)領(lǐng)域中所用的仿真軟件，MATLAB（MATLAB是一種面向科學(xué)和工程計(jì)算的高級(jí)語(yǔ)言）應(yīng)用最為常見(jiàn)。這是由于MATLAB使用時(shí)比較方便，不需要使用者具備高深的數(shù)學(xué)與程序語(yǔ)言的技能，也不需要使用者深刻地應(yīng)用算法與編程技巧，且提供了豐富的圖像處理功能等，所以得到了大家的應(yīng)用及推崇。特別是使用MATLAB對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行計(jì)算機(jī)仿真時(shí)，可以借助控制系統(tǒng)的傳遞函數(shù)，并在MATLAB的Simulink工具箱對(duì)其進(jìn)行計(jì)算機(jī)仿真。借助MATLAB不僅可以使復(fù)雜的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)變得簡(jiǎn)單、直觀和可靠,減少了勞動(dòng)強(qiáng)度,提高工作效率，還特別直觀的進(jìn)行圖像仿真。故研究MATLAB在控制系統(tǒng)中的應(yīng)用有著很重要的現(xiàn)實(shí)意義。Page6MATLAB研究現(xiàn)MATLAB是由美國(guó)mathwor狀ks公司發(fā)布的主要面對(duì)科學(xué)計(jì)算、可視化以及一種計(jì)算機(jī)數(shù)字控制技術(shù)。1965年美國(guó)的扎德創(chuàng)立了模糊集合論，1973年他給出了模糊邏輯控制的定義和相關(guān)的定理。1974年英國(guó)的Mamdani首先用模糊控制語(yǔ)句組成模糊控制器，并把它用于鍋爐和蒸汽機(jī)的控制，在實(shí)驗(yàn)室獲得成功，這一開(kāi)拓性的工作標(biāo)志著模糊控制論的誕生。

相對(duì)傳統(tǒng)控制包括經(jīng)典控制理論與現(xiàn)代控制理論。模糊控制能避開(kāi)對(duì)象的數(shù)學(xué)模型(如微分方程或傳遞函數(shù)等)，它力圖對(duì)人們關(guān)于某個(gè)控制問(wèn)題的成功與失敗和經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行加工，總結(jié)出知識(shí)，從中提煉出控制規(guī)則，用一系列多維模糊條件語(yǔ)句構(gòu)造系統(tǒng)的模糊語(yǔ)言變量模型，應(yīng)用CRI、全蘊(yùn)涵三Ⅰ算法等各類(lèi)模糊推理方法，可以得到適合控制要求的控制量，可以說(shuō)模糊控制是一種語(yǔ)言變量的控制應(yīng)用。

近年來(lái)模糊控制在許多控制應(yīng)用中都取得了成功，模糊控制應(yīng)用于控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)不需要知道被控對(duì)象精確的數(shù)學(xué)模型，對(duì)于許多無(wú)法建立精確數(shù)學(xué)模型的復(fù)雜系統(tǒng)能獲得較好的控制效果，同時(shí)又能簡(jiǎn)化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，因此，在水箱液位控制系統(tǒng)中，模糊控制就成為較好的選擇。Page7模糊控制研究現(xiàn)狀綜模糊控制系統(tǒng)是以模糊集合論、模述糊述語(yǔ)言變量和模糊邏輯推理為基礎(chǔ)的一、定義Page8經(jīng)典PID控制的調(diào)節(jié)器控制規(guī)律為比例、積分、微分控制，簡(jiǎn)稱(chēng)PID控制，又稱(chēng)PID調(diào)節(jié)。PID控制器問(wèn)世至今已有近70年歷史，它因結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、穩(wěn)定性好、工作可靠、調(diào)整方便而成為工業(yè)控制的主要技術(shù)之一，現(xiàn)今也在很多領(lǐng)域有應(yīng)用。尤其是當(dāng)被控對(duì)象的結(jié)構(gòu)和參數(shù)不能完全掌握或得不到精確的數(shù)學(xué)模型，控制理論的其它技術(shù)難以采用，系統(tǒng)控制器的結(jié)構(gòu)和參數(shù)又必須依靠經(jīng)驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試來(lái)確定時(shí)，應(yīng)用PID控制技術(shù)最為方便。PID控制原理3、選題研究?jī)?nèi)容Page9二、發(fā)展及應(yīng)用Page10PID控制及其控制器，產(chǎn)品已在工程實(shí)際中得到了廣泛的應(yīng)用。比如，工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中，對(duì)于生產(chǎn)裝置的溫度、壓力、流量、液位等工藝變量常常要求維持在一定的數(shù)值上，或按一定的規(guī)律變化，以滿(mǎn)足生產(chǎn)工藝的要求。PID控制器可以根據(jù)PID控制原理對(duì)整個(gè)控制系統(tǒng)進(jìn)行偏差調(diào)節(jié)，從而使被控變量的實(shí)際值與工藝要求的預(yù)定值一致。根據(jù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)：全世界過(guò)程控制領(lǐng)域使用的控制器84%仍是純PID調(diào)節(jié)器，若改進(jìn)型包含在內(nèi)則超過(guò)90%。三、經(jīng)典PID控制系統(tǒng)的分類(lèi)Page11P控制——這類(lèi)控制輸出的變化與輸入控制器的偏差成比例關(guān)系，輸入偏差越大輸出越大。單純的比例控制適用于擾動(dòng)不大，滯后較小，負(fù)荷變化小，要求不高，允許有一定剩余誤差存在的場(chǎng)合。其最大優(yōu)

點(diǎn)就是控制及時(shí)、迅速。只要有偏差產(chǎn)生，控制器立即產(chǎn)生控制作用。但是不能最終消除剩余誤差的缺點(diǎn)限制了它的單獨(dú)使用。PI控制1F;1F;——克服剩余誤差的辦法是在比例控制的基礎(chǔ)上加上積分控制。積分控制器的輸出與輸入偏差對(duì)時(shí)間的積分成正比。它的輸出不僅與輸入偏差的大小有關(guān)，而且還與偏差存在的時(shí)間有關(guān)。只要偏差存在，輸出就會(huì)不斷累積，一直到偏差為零，累積才會(huì)停止。所以，積分控制可以消除剩余誤。PD控制——當(dāng)被控對(duì)象受到擾動(dòng)作用后，被控變量沒(méi)有立即發(fā)生變化，而是有一個(gè)時(shí)間上的延遲。因此要引入比例、微分作用，即PD控制。它比單純的比例作用更快。尤其是對(duì)容量滯后大的對(duì)象，可以減小偏差的幅度，節(jié)省控制時(shí)間，顯著改善控制質(zhì)量。④比例積分微分（PID）控制圖1

PID控制系統(tǒng)原理框圖Page12結(jié)論：Page13最為理想的控制為圖1所示的,比例-積分-微分控制即PID控制。它集三者之長(zhǎng)：既有比例作用的及時(shí)迅速，又有積分作用的消除剩余誤差能力，還有微分作用的超前控制功能。當(dāng)偏差擾動(dòng)出現(xiàn)時(shí)，微分立即大幅度動(dòng)作，抑制偏差的這種躍變；比例也同時(shí)起消除偏差的作用，使振蕩幅度減小。由于比例作用是持久和起主要作用的控制規(guī)律，積

分作用可以慢慢把剩余誤差克服掉，因此可使系統(tǒng)比較穩(wěn)定；只要三個(gè)作用的控制參數(shù)選擇得當(dāng)，便可充分發(fā)揮三種控制規(guī)律的優(yōu)點(diǎn)，得

到較為理想的控制效果。即當(dāng)我們不完全了解一個(gè)系統(tǒng)和被控對(duì)象，或不能通過(guò)有效的測(cè)量手段來(lái)獲得系統(tǒng)參數(shù)時(shí)，最適合用PID控制技術(shù)。然而伴隨著新的控制系統(tǒng)的不斷涌現(xiàn)，PID控制策略在控制非線性、時(shí)變、強(qiáng)耦合及參數(shù)和結(jié)構(gòu)不確定的復(fù)雜過(guò)程時(shí)，控制效果不理想。因此，它的應(yīng)用受到了很大程度上的限制。一、定義Page14模糊控制系統(tǒng)主要是模擬人的思維、推理和判斷的一種控制方法，它將人的經(jīng)驗(yàn)、常識(shí)等用自然語(yǔ)言的形式表達(dá)出來(lái)，建立一種適用于計(jì)算機(jī)處理的輸入輸出過(guò)程模型，是智能控制的一個(gè)重要研究領(lǐng)域。從信息技術(shù)的觀點(diǎn)來(lái)看，模糊控制是一種基于規(guī)則的專(zhuān)家系統(tǒng)。從控制系統(tǒng)技術(shù)的觀點(diǎn)來(lái)看，模糊控制是一種普遍的非線性特征域控制器。模糊控制原理二、原理結(jié)構(gòu)框圖圖2模糊控制原理框圖模糊控制器：是模糊控制系統(tǒng)的核心部分。其主要功能：模糊量化處理、 模糊推理、精確化處理。執(zhí)行機(jī)構(gòu)：是模糊控制器向被控對(duì)象施加控制作用的裝置。被控對(duì)象：是一種設(shè)備或裝置或若干個(gè)設(shè)備組成的群體，它們?cè)谝欢ǖ目?制條件下以實(shí)現(xiàn)某種動(dòng)作。Page15三、發(fā)展及應(yīng)用Page16模糊控制的研究主要體現(xiàn)在控制器的研究和開(kāi)發(fā)以及各類(lèi)實(shí)際應(yīng)用中，目前模糊控制已經(jīng)應(yīng)用在各個(gè)行業(yè)。各類(lèi)模糊控制器也非常多，模糊控制器的研究一直是控制界研究的熱點(diǎn)問(wèn)題，而關(guān)于模糊控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析則是模糊控制需要研究和解決的基本問(wèn)題。目前已經(jīng)出現(xiàn)了為實(shí)現(xiàn)模糊控制功能的各種集成電路芯片。開(kāi)發(fā)模糊控制系統(tǒng)的軟件工具也出現(xiàn)了不少。如：與其它智能控制的結(jié)合或融合（模糊PID控制器、自適應(yīng)模糊控制器、模糊控制與神經(jīng)控制的融合、遺傳算法優(yōu)化的模糊控制、模糊控制與專(zhuān)家控制相結(jié)合等）；模糊控制的軟硬件產(chǎn)品，為了更好的利用模糊控制，相繼有不少公司開(kāi)發(fā)了模糊控制的軟件工具和硬件集成電路。（其中一類(lèi)是開(kāi)發(fā)模糊系統(tǒng)的軟件工具，如FREEWARE、FIDE、東芝IFCS、FC-TOOL

V110。另一類(lèi)是通用模糊邏輯開(kāi)發(fā)工具，如CUBICALC、FUZZY-C、FUZZL

E

118等）。通過(guò)相關(guān)實(shí)驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)可知：雖然模糊控制與PID調(diào)節(jié)器相比而言，具有更快的相應(yīng)和更小的超調(diào)范圍，而且對(duì)過(guò)程參數(shù)的變化較敏感（具有較強(qiáng)的魯棒性），能夠克服非線性因素的影響，但是模糊控制器卻受到計(jì)算機(jī)儲(chǔ)存量的限制，只能取得一定范圍的控制等級(jí)，限制了模糊控制精度的提高，故在一些場(chǎng)合被認(rèn)為是粗糙的控制器。四、（開(kāi)關(guān)選擇式）模糊控制和PID控制控制框圖圖3

（開(kāi)關(guān)選擇式）模糊控制和PID控制控制框圖圖3中的控制器主要由純模糊控制器和PID控制器組成。它通過(guò)選擇開(kāi)關(guān)內(nèi)的設(shè)定值來(lái)選擇相應(yīng)控制器工作。（如可以設(shè)定為：當(dāng)誤差e和誤差變化ec比較值在閥值之外時(shí)采用模糊控制，以獲得良好的瞬態(tài)性能；在小偏差范圍內(nèi)，即誤差e和誤差變化ec比較值落到閥值之內(nèi)時(shí)自動(dòng)轉(zhuǎn)換成PID控制工作，以獲得良好的穩(wěn)態(tài)性能。）Page17結(jié)論：傳統(tǒng)PID線性控制器根據(jù)被控對(duì)象的不同，適當(dāng)?shù)卣{(diào)整PID參數(shù)，可以獲得比較滿(mǎn)意的控制效果。然而，傳統(tǒng)PID控制器的線性特性只有在工作點(diǎn)附近才能獲得較理想的效果，當(dāng)偏離工作點(diǎn)較遠(yuǎn)時(shí)，由于控制對(duì)象的非線性，系統(tǒng)的性能會(huì)變差，甚至不穩(wěn)定而模糊控制方法無(wú)須建立被控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型，在偏離工作點(diǎn)的區(qū)域可明顯改善控制的動(dòng)態(tài)性能，同時(shí)對(duì)噪聲也有較強(qiáng)的抑制能力，魯棒性較好。但模糊控制器本質(zhì)上屬于非線性控制方法，消除系統(tǒng)誤差的性能較差，難以達(dá)到較高控制精度，單純采用PID控制和模糊控制都不會(huì)取得較好的控制效果，而在不同范圍內(nèi)恰當(dāng)?shù)剡x擇模糊控制或者PID控制的控制方案是一種較好的控制方案，它能發(fā)揮模糊控制魯棒性強(qiáng)、動(dòng)態(tài)響應(yīng)好、上升時(shí)間快、超調(diào)小的特點(diǎn)，同時(shí)又具有PID控制器動(dòng)態(tài)跟蹤品質(zhì)和穩(wěn)態(tài)精度。Page184、本選題研究技術(shù)路線研究方法Page19一、研究技術(shù)路線、研究方法Page201）水箱液位系統(tǒng)特性和控制算法的研究。被控對(duì)象——水箱數(shù)學(xué)模型環(huán)節(jié)的處理。水箱液位控制在模糊控制系統(tǒng)和PID控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)。

a、基于Simulink的水箱液位數(shù)學(xué)模型的建立。b、將模型設(shè)計(jì)為模糊控制系統(tǒng)和PID控制系統(tǒng)。c、在MATLAB/simulink中實(shí)現(xiàn)仿真并進(jìn)行對(duì)比。二、要解決的關(guān)鍵問(wèn)題Page21a、在Simulink中如何建立水箱液位控制的數(shù)學(xué)模型。b、在MATLAB/simulink中將如何利用模糊規(guī)則實(shí)現(xiàn)對(duì)水箱液位的模糊控制。c、在MATLAB/simulink中將如何利用PID算法實(shí)現(xiàn)對(duì)水箱液位的PID控制。d、在Simulink中，如何調(diào)整相應(yīng)參數(shù)，使設(shè)計(jì)的液位系統(tǒng)達(dá)到設(shè)計(jì)要求。5、調(diào)研計(jì)劃及主要參考文獻(xiàn)Page22調(diào)研計(jì)劃：Page23確定選題、收集相關(guān)資料：2012年5月底-2012年7月22日文獻(xiàn)調(diào)研與綜述：2012年6月底-2012年9月15日撰寫(xiě)開(kāi)題報(bào)告與開(kāi)題：2012年9月底-2012年10月15日深入研究（調(diào)查研究、實(shí)驗(yàn)研究）2012年12月15日-2012年3月底形成論文初稿（設(shè)計(jì)雛形）：2013年4月10日前論文（設(shè)計(jì)）修改、定稿、打印：2013年5月20日前提交論文（設(shè)計(jì)）與答辯準(zhǔn)備：2013年5月25日前參加答辯：2013年6月10日-2013年6月20日前主要參考文獻(xiàn)：【1】黃忠林，控制系統(tǒng)MATLAB計(jì)算及仿真[M]北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2004.9【2】樓順天，胡昌華，張

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