模糊控制算法在水箱液位控制系统中的应用毕业论文.doc

模糊控制算法在水箱液位控制系统中的应用毕业论文 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 18 4 模糊控制算法在水箱液位控制中的应用 19 4.1 PID控制在双容水箱液位控制系统中的仿真研究 19 4.1.1 PID控制算法 19 4.1.2 PID参数对系统性能的影响 21 4.1.3 PID参数的整定方法 21 4.2 模糊自整定PID在双容水箱液位系统中的应用 25 4.2.1 模糊PID控制器的设计 25 4.2.2 模糊控制部分 25 4.3 仿真结果与分析 29 结 论 31 致 谢 32 参考文献 33 1 绪论 1.1 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。而实际工业生产过程中的被控对象往往具有非线性、时延的特点，应用常规的控制手段难以达到理想的控制效果，研究对非线性、时延对象的先进控制策略，提高系统的控制水平，具有重要的实际意义。 本文所提及的液位控制系统是一种可以模拟多种对象特性的实验装置。该装置是进行控制理论与控制工程教学、实验和研究的理想平台，可以方便的构成多阶系统对象，用户既可通过经典的PID控制器设计与调试，完成经典控制教学实验，也可通过模糊逻辑控制器的设计与调试，进行智能控制教学实验与研究。 1.2 模糊控制产生的背景与意义 随着现代科学技术的迅速发展，生产系统的规模越来越大，形成了复杂的大系统，导致了控制对象、控制器以及控制任务和目的的日益复杂化。另一方面，人类对自动化的要求也更加广泛，传统的自动控制理论和方法显得已不能适应复杂系统的控制。在许多系统中，复杂性不仅仅表现在很高的维数上，更多表现在： （1）被控对象模型的不确定性（2）系统信息的模糊性（3）高度非线性（4）多层次、多目标的控制要求。 因此，建立一种更有力的控制理论和方法来解决上述提出的问题，就显得十分重要。 模糊控制是智能控制的一种典型和较早的形式，作为智能控制的一个分支，1974年英国的Mandani成功将其应用于锅炉和蒸汽机的控制，近几年来得到了飞速的发展。模糊控制是模糊数学和控制理论相结合的产物，它利用了人的思维具有模糊性的特点，通过使用模糊数学中的隶属度函数、模糊关系、模糊推理等工具得到控制表格进行控制，它具有许多特点： （1）不需要建立被控对象的数学模型 （2）系统鲁棒性强 （3）模糊控制方法易于掌握。 因此，它特别适用于那些难以获得过程的精确数学模型及具有时变、时滞非线性、大滞后的复杂工业控制系统，具有较强的鲁棒性和抗干扰能力。现在模糊控制被越来越多地应用于工业过程、家用电器等复杂场合。 模糊控制系统的核心是模糊控制器，而模糊控制规则是设计模糊控制器的核心，它实际上决定了控制系统的性能及控制效果。 模糊控制也有缺陷： （1）以前，模糊控制规则完全是凭操作者的经验或专家知识获取的，这并不能保证规则的最优或次最优，达到最佳控制的目的 （2）规则的获取没有系统的步骤可以遵循 （3）在控制过程中，外界突加干扰，参数大幅度变化，原来总结的经验和规则不够等因素，都会严重影响控制质量。 工业生产过程控制中的被控对象往往是多输入多输出系统，回路之间存在着耦合的现象。即系统的某一个输入影响到系统的多个输出，或者系统的某一个输出受到多个系统输入的影响。有时对该多变量系统进行解耦能够获得满意的控制效果。液位控制系统实验装置模拟了工业现场多种典型的非线性时变多耦合系统，用常规的控制手段往往很难实现理想的控制效果，因此对其控制算法进行研究具有非常重要的实际意义。 1.4 本论文研究的主要内容 本论文主要包括四个内容：一是绪论主要介绍了模糊控制产生的背景与意义，液位控制系统的研究的意义等。二是综述了液位控制系统的构成与建模。三是模糊控制算法的介绍。四是传统PID控制器与模糊PID控制器的设计，并通过仿真结果把模糊PID控制器与传统PID控制器进行比较得出结论。 总之，作者在对液位控制系统建模与控制的深入学习和研究，阅读了大量的论文和报告后，提出了一些体会和想法，并通过仿真加以验证，同时获得了有益的实验结果，研究这一课题不仅具有较大的理论