文献总结报告

最优控制与智能控制基础文献总结报告基于模糊控制的单容水箱液位控制系统学生姓名：班级学号：3134110任课教师：段洪君提交日期：2016.06.22成绩：1研究背景及意义液位是过程控制中的一个重要参数，它对生产的影响不容忽视。为保证生产的安全和高效，有必要进行先进的液位控制方法和策略的研究与开发[2]。为了保证安全生产以及产品的质量，对液位进行及时有效地控制是非常必要的。水箱液位控制是液位控制中的一个主要问题，它在工业过程中普遍存在，具有代表性且非常实用[3]。液位控制的策略对液位精度有着重要的影响，因此，根据不同的需要选择适当的控制算法极为重要[4]。模糊控制作为一种典型的智能控制方法，因其不依赖于过程模型、鲁棒性好、抗干扰能力强等优点而备受关注。目前模糊控制的理论研究较为深入，但模糊控制的应用尚不成熟。本文将模糊控制理论应用于过程控制装置的单容水箱液位控制系统的设计中，实现对单容水箱的液位模糊控制。2液位模糊控制的研究现状2.1研究现状我们的过程控制实验装置是基于工业过程物理模拟对象，集自动化仪表技术、计算机技术、通信技术、自动控制技术为一体的多功能实验装置，包括流量、温度、液位、压力等热工参数。过程控制系统的被控对象包括上位水箱、中位水箱、下位水箱，控制装置有传感器、调节阀、交流变频器、流量传感器、调节器等。本文所论述的液位模糊控制系统构造如下：①被控对象为上单容水箱；②采用液位传感器扩散硅压力变送器感测上位水箱和中位水箱液位，仪表变送器通电预热后分别在零压力和满量程压力下检查输出电流值。在零压力下调整零点电位器，使输出电流为4mA，在满量程压力下调整量程电位器，使输出电流为20mA。传感器精度为0.5级。因为二线制，故工作时需提供24V直流电源；③采用电/气动调节阀作为执行机构，其输入信号气动为（0.02～0.1）MPa，电动为0～10、4～20mA（带电/气阀门定位器）；2.2水箱水位模糊控制器的建立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，输出量是阀门控制量，但由于过程计算量大，计算复杂所以此章仅采用一维系统，即单输入——单输出统，较复杂的二维系统将在下一章里利用MUTLAB软件构建，并仿真。图2—1为水位模糊控制系统的基本结构。图2-1水位模糊控制系统2.2.1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2—2给出了输入、输出语言变量的隶属函数。表2-1给出了语言变量的赋值表图2-2输入输出语言变量的隶属函数图量化等级隶属度语言值-4-3-2-101234PL00000000.51PS000000.510.50O0000.510.5000NS00.510.500000NL10.50000000表2-1输入输出语言变量赋值表2.2.2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：R1:ifE=NLthenU=PLR2:ifE=NSthenU=PSR3:ifE=OthenU=OR4:ifE=PSthenU=NSR5:ifE=PLthenU=NL2.2.3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Ri，然后，再求描述水位控制系统的总的模糊控制关系R，即2.3模糊推理2.3.1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。2.2.6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U1、U2、U3、U4、U5、U6、U7、U8、U9。计算如下2.3.2模糊判决对上述输出模糊集合U1、U2、U3、U4、U5、U6、U7、U8、U9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U1、U2、U3、U4、U5、U6、U7、U8、U9进行模糊判决。由于U2、U4、U6、U8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=-42.3.3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2—2）：e(xi)-4-3-2-101234e(xi)43210-1-2-3-42.4利用MATLAB对水箱水位系统进行仿真建模输入输出变量隶属函数模糊控制器输入输出曲面图2.5总结自20世纪40年代以来用计算机方法去研究系统的特性成为科学发展的时尚，在计算机上对构成的系统模型进行试验，为模型的建立和试验提供了巨大的灵活性和方便性，利用计算机，使得数学模型的求解变得更加方便、快捷和精确，能解决问题的领域也大大扩展。水箱水位控制系统在工业中利用广泛，本文仅以一级系统作为仿真实例，并利用计算机辅助控制的设计原则，在工业中一般简单的水位控制系统是不采用计算机控制的，甚至多数都并不采用其他的电子设备控制，而是直接采用浮漂、杠杆等简单的机械结构就已足够应用了，但是随着工业的发展，一些深加工行业（如化工）需要采用多级水箱，另外一些应用（如能源行业）存在各输入输出量严重耦合现象，在这些复杂、庞大的系统面前，传统的机械结构已不能满足要求，甚至传统的PID控制也已捉襟见肘。因此利用模糊控制来实现水位控制的想法才能浮出水面。随着科学技术的发展，智能控制技术必会日趋完善，并且能够在多领域应用。但在实际应用中还应考虑实际的影响因素，例如环境对控制系统的影响、人为因素对控制系统的影响等。面对实际问题时应具体问题具体分析。有不足的地方再加以改进。3参考文献1王耀南，孙炜．智能控制理论及应用．北京：机械工业出版社，20082杨旭，周悦，于广平.水箱液位控制系统的设计与研究.制造业自动化，2011,33(8):128-130.3孙红英，颜德文，李斌.基于参数自整定模糊PID的三容水箱液位控制.电气控制，2006，25(8):97-99.4曹荣敏，关静丽，张维.非参数模型控制在液位控制系统中的应用研究.计算机工程与设计，2008，29(15):4093-40965P.J.King，et.TheApplicationofFuzzyControlSystemtoIndustrialProcesses.Automat.1975，13（3）6W.J.M.Kickert，et.ApplicationofaFuzzyControllerinawarmwaterPlant.Automat.1976，12（4）