1、 本科毕业设计说明书学校代码： 10128学 号： 200811204050题 目 ： 水箱液位控制系统的设计内蒙古工业大学本科毕业设计说明书摘 要液位控制一般指对某控制对象的液位进行控制调节，使其达到所要求的控制精度。在工业生产过程中，有很多地方需要对控制对象进行液位控制，使液位准确的保持在给定的数值范围之内。在本课题中，以液位控制系统的水箱为研究对象，水箱的液位为被控制量。液位的时间常数 T 一般很大，有很大的容积迟延，如果采用常规单回路控制系统来控制，可能无法达到较好的控制质量，所以有必要寻求更有效的方法对液位进行控制，克服流量对液位造成的干扰。本文论述了模糊控制理论、模糊控制器的设计和
2、实现，并将控制系统在Matlab 软件环境下进行仿真，仿真结果表明模糊控制系统的鲁棒性强，干扰和参数变化对控制效果的影响被大大减弱，尤其适合于非线性、时变及纯滞后系统的控制，使得当液位控制系统的模型参数变化时，系统能具有良好的控制效果。关键词：水箱液位；模糊控制；双容水箱内蒙古工业大学本科毕业设计说明书AbstractLevel control of a generally refers to control and adjustment the liquid level control object , enables it to achieve the required control p
3、recision. In the industrial production process, a lot of places that need to control the liquid level control objects, keep accurately in a given level of numerical range. In this topic, the water tank of level control system is the research object, liquid level of water tank is controlled variable.
4、 The liquid level time constant T is large, there is much volume delay, if use the conventional single loop control system to control, may be not able to achieve a good control quality, it is necessary to seek more effective methods of liquid level control, overcome interference of liquid level caus
5、ed by flow. This paper discusses the fuzzy control theory, the fuzzy controller design and implementation and simulation in Matlab software environment, the simulation result show that the robust of fuzzy control system is strong, disturbance and parameter variation on the control effect is greatly
6、reduced, especially suitable for control of nonlinear, time and pure time-delay system, of so as the liquid level control system model parameters change, the system can have good control effect.Keywords: water level; Fuzzy control; Matlab simulation内蒙古工业大学本科毕业设计说明书目 录第一章 绪论 .11.1 引言 .11.2 研究的意义和目的 .
7、11.3 模糊控制的研究现状 .21.4 本课题的主要工作 .3第二章 液位控制系统及模型建立 .42.1 液位控制系统 .42.1.1 液位控制系统组成 .42.1.2 液位控制系统的控制目标 .42.2 建立液位控制系统的水箱模型 .42.2.1 双容水箱被控对象的动态数学模型 .52.2.2 水箱模型的过程辨识 .10第三章 常规模糊控制器的设计 .113.1 模糊控制的基本思想 .113.2 模糊控制的基本原理 .123.3 模糊控制器的设计步骤 .123.3.1 模糊控制器结构 .133.3.2 模糊化 .143.3.2.1 语言变量的选取 .143.3.2.2 定义各模糊变量的模糊
8、子集 .153.3.2.3 精确量的模糊化 .153.3.3 模糊控制表的运算合成 .163.3.3.1 模糊控制规则 .163.3.3.2 模糊推理 .173.3.3.3 清晰化 .173.3.4 论域、量化因子、比例因子的选择 .183.4 模糊液位控制器的设计 .193.4.1 精确量的模糊化 .19内蒙古工业大学本科毕业设计说明书3.4.2 定义模糊控制器的模糊集合及其隶属度函数表 .203.4.3 建立模糊液位控制器的模糊控制规则表 .213.4.4 计算模糊液位控制器的模糊控制表 .21第四章 水箱液位模糊控制系统仿真 .224.1 模糊液位控制系统的 SIMULINK 仿真 .2
9、24.1.1 液位控制系统仿真 .224.1.2 控制系统在各扰动下的仿真 .234.2 系统模型发生改变的仿真 .294.3 模糊液位控制系统的性能分析 .30总 结 .31参考文献 .32谢 辞 .34内蒙古工业大学本科毕业设计说明书1第一章 绪论1.1 引言正常运行的生产设备必须保证产品满足一定的数量和质量的要求，同时也要保证生产设备的安全性和经济性。因此，要求生产设备在规定的工况下运行。但是生产过程在进行的时候总是在许多因素的影响下，如果不加以操作和控制就不能保证生产过程的正常进行。通常来讲，液位控制的本质是通过控制某一执行机构，进而达到控制液面的效果。控制过程中被控对象的液位往往被选
10、择为主要被控参数，控制的目的就是使液位值能够稳定的保持在工业生产要求给定的范围之内。在很多行业生产运行过程中，液位检测都是非常重要的，如在电力企业安全生产中，汽包水位的正常就是锅炉运行的一个重要监控参数，它间接反映了锅炉蒸汽负荷与给水量之间的平衡关系，维持汽包水位的正常是保证锅炉和汽轮机安全运行的必要条件。在本课题中，以液位控制系统的水箱为研究对象，水箱的液位为被控制量。液位的时间常数T一般很大，有很大的容积迟延，如果采用常规单回路控制系统来控制，可能无法达到较好的控制质量，所以有必要寻求更有效的方法对液位进行控制，克服流量等对液位造成的干扰。为了改善其调节过程的动态性能，我们采用串级控制，其
11、副回路可以很快的消除作用于内回路的扰动。本文主要研究模糊控制这个先进的控制方法在本课题中的应用，以期达到良好的控制效果。论述了模糊控制理论、模糊控制器的设计和实现。本文所设计出的模糊控制器用在液位控制系统中，并通过Matlab软件进行仿真，当液位控制系统的模型参数变化时，系统能具有良好的控制效果。1.2 研究的意义和目的传统的控制器参数的整定往往是由人工实现的，采用的一般是试验加试凑方法，这样的整定过程不仅要以人类长期工作积累的经验和技巧为基础，而且还需要耗费大量的时间。除此之外，传统的控制器是建立在精确的数学模型之上的，所以适应能力较差。在控制过程中，如果被控对象的模型发生改变，那么控制器就
12、必须随之做出相应的调整，甚至需要重新进行整定。考虑到工业生产过程的连续性和经济性，重新整定的工作实际很难进行，甚至几乎是不可能的。将模糊控制技术应用于类似系统的控制中的理念就应运而生了。随着近年来对模糊控制的重视度不断提高，以及模糊控制思应用于众多领域中取得的良好效果，人们逐渐认识到将模糊控制应用到非线性系统中，凭借其适应性强即鲁棒性能优越、控制过程无超调、动态响应迅速等特点，可以内蒙古工业大学本科毕业设计说明书2有效解决系统的非线性问题。如在液位控制系统中，可以获得很好的控制性能。因此在液位控制系统的控制器设计中采用模糊控制，在实际应用中也取得了较好的效果。美国加州大学 L.A.Zadeh
13、博士于 1965 年发表了关于模糊集的论文，之后，模糊数学的飞速发展，促使了一种把人们长期工作生产得到的经验转化为具有逻辑规则的语言，从而控制被控量的思想的诞生。这一思想为模糊控制理论的形成提供了坚实的理论依据，非线性系统中模糊控制的应用也成为克服非线性的一种重要手段。到目前为止，模糊控制已经广泛的应用于各领域，并且取得了很好的成绩。尤其是在工业生产领域更是取得了长足的发展，在家电行业模糊相机、模糊洗衣机、模糊冰箱等“模糊 ”产品的出现，可见一斑。模糊控制理念也得到了越来越多的工程技术人员的欢迎和认可，究其原因，较常规的精确逻辑控制，模糊控制的工程运用中具有以下特征：(1)控制系统的建立不要求
14、被控对象具有精确数学模型，只需提供长期生产过程中积累的经验及数据。(2)鲁棒性好。无论被控对象是线性的还是非线性的，都能进行有效的控制，具有较强的适应性。(3)以语言变量代替常规的数学变量，易于构造形成专家权威的理念和知识。(4)容易被人们接受认可。设计过程类似于人类思考的方式，以人类长期工作生活获得的经验为依据，因而易被人们接受和理解。 (5)模糊逻辑没有硬性的指标要求，表现十分柔性。对于一个既定的系统，我们可以很容易的直接加以处理和研究，并不需要从起步开始着手。这样一来，与传统成熟的控制理论与技术相结合就变的十分容易。仍需说明的是，模糊控制系统的建立往往不需要将原有的传统控制方法彻底删除，
15、而是仅仅在原有的控制策略上做简单的修改，便可以加以使用。1.3 模糊控制的研究现状 尽管在众多的生产实践中，模糊控制理论凭借其自身的优势取得了巨大的进步很发展，但是，相较于其他领域，模糊控制理论的发展依旧落后于其应用的发展，成熟理论指导的缺失是限制模糊控制理论长足发展的一个重要原因。模糊控制理论的研究与发展，首先需要创建一个工作结构与框架，这样做的目的就是为了通过研究模糊控制算法的演变推理过程，进而了解模糊控制器的工作原理和实质，并且凭借着这样的原理和大量的实践，寻求出模糊控制与常规的控制方法之间的异同之处与内在关联。这样的构建，具有深远的意义，它可以将已然成熟并应用于实际的常规控制理论服务内
16、蒙古工业大学本科毕业设计说明书3于模糊控制领域，弥补因理论缺失而裹足不前的模糊理论发展进程，进而为模糊控制理论的进步和发展提供强大的动力。除此之外，我们还可以利用成熟的常规控制理论去解析模糊控制器的内在结构与决策方法，更好地了解模糊控制器的工作原理，进而方便工作人员更好地建立模型与编辑模糊逻辑规则。可以预见，这必将是推动模糊控制发展的一条必经之路。1.4 本课题的主要工作1.本文根据水箱液位过程的基本工作原理及其控制过程中的动态特性，首先建立起被控对象（液位系统的水箱）的模型。2.针对水箱液位控制系统，制定出模糊控制隶属度函数及模糊控制规则，设计出模糊控制器，确定调节器的参数。3.设计出水箱液
17、位控制过程的仿真模型，根据模型对模糊控制液位控制系统进行仿真研究。4.研究仿真过程中控制系统的动态特性，分析仿真结果，比较水箱模型改变后对系统性能的影响。5.对仿真结果进行比较分析，说明本课题设计的系统有利于改善系统的动态能，控制性能良好，是一种有效的控制方法。 内蒙古工业大学本科毕业设计说明书4第二章 液位控制系统及模型建立2.1 液位控制系统本课题中液位控制系统的设计是针对双容水箱的动态过程控制。系统控制的主要目的是将下水箱的液位维持在正常生产过程给定的范围之内。系统的主要干扰源为随机流入水箱的水使水箱液位波动。若流入量过大，则超出水箱的警戒水位；若流入量不足，则液位下降，出于生产需求等方
18、面的考虑，不能使水位低于某一临界值。2.1.1 液位控制系统组成整个液位控制系统的结构如图 2-1 所示。图 2-1 液位控制系统结构液位控制系统由上水箱、下水箱、储水箱、液位变送器、控制器、电动调节阀等结构组成。电动调节阀的开度大小决定上水箱进水量的多少，液位变送器用于实时监测上、下水箱的液位，将监测值送入控制器，促使控制作出判断，进而发出指令作用于控制阀，控制阀门开度的大小。2.1.2 液位控制系统的控制目标本课题中双容水箱的液位值变化区间为 H=0100mm，设计的目标是通过设计正确的模糊控制器，能够使双容水箱过程中下水箱的液位值快速、准确、稳定地维持在要求的变化区间之内，进入稳态后液位
19、的稳态误差不大于 5mm，运行过程中，当系统有随机的扰动干扰时，被控量在控制器的作用下能够快速做出响应，进而控制执行器动作，使被控量再次恢复到要求的范围之内。内蒙古工业大学本科毕业设计说明书52.2 建立液位控制系统的水箱模型由于在后续的仿真过程中需要用到被控对象的数学模型，所以本节旨在建立水箱液位控制的模型，以方便后续研究。液位控制系统中，控制器通过控制电动调节阀的开度进而控制水箱的液位，电动调节阀即为执行机构。本文采用机理建模的方法来获得它的数学模型。2.2.1 双容水箱被控对象的动态数学模型图 2-2 分离式双容液位过程如图 2-2 所示，分离式双容液位过程由两个管路分离的水箱串联而成。
20、它有两个储水容器，称之为双容过程。整个系统不断有水流入，同时也不断有水流出，水的流入量由电动执行器控制阀门 1 的开度控制。系统流出量 Q3 根据生产的需求通过负载阀门 3 控制。为保证调节参数的要求，主调节器参数选取下水箱的液位值，上水箱的液位作为副调节参数，串接起来形成串级控制系统。与下水箱相连接的液位传感器将检测到的下水箱液位实时值与系统的给定值进行比较分析后传送到模糊控制器，经模糊控制器的运算后，其输出值作为电动控制阀的操作指令，进而使调节阀做出相应动作，控制进水量的大小，从而控制水箱的液位。忽略由于两容器间管道的时间迟延以及容器的蒸发量，以阀门 1 的开度 u 为过程输入，以下水箱的液位高度 为输出，建立该过程的数学模型。根据物料的动态平衡关系，列出双容过程的的增量方程dthAQ121uQ2Q1Q3阀门 3阀门 1阀门 2
