水箱液位控制系统的设计毕业设计说明书(编辑修改稿)

水箱液位控制系统的设计毕业设计说明书(编辑修改稿)内容摘要：

标准大气压。 4006402020120110456520013551093内蒙古工业大学本科毕业设计说明书 8 (4)忽略流经线性阻力板水流自身的张力和粘滞力对测量的影响。 线性阻力板的底部是一个宽为 B，高为 A 的矩形孔，上部宽为 X 随高度 Z 增加逐渐缩小的缝隙，满足关系式： ZABX a rc s in2 错误 !未找到引用源。 对给定最大流量为 3mh 时， A=5mm， B= 图 25 阻力板示意图 图 26 线性阻力板流量特性 由伯努利理想方程得到流经线性阻力板的流量特性如式 24 所示： zPggVHggV  22221 1212  错误 !未找到引用源。 （ 24） 由于 21 PP ,gV221 相对于gV222 很小，可以忽略， 错误 !未找到引用源。 由上式得： )(22 zHgV  错误 ! 未 找 到 引 用 源。 （ 25） 取经过线性阻力板底面的直线作为横坐标（ x轴），过阻力版底面中点竖直向上的直线为纵坐标（ z轴）。 水箱中实际的液位值为 H,把 z作为积分变量，其变化范围是 [0 , H]。 这样一来，在液位范围之内的任意水箱液位高度下流经阻力板的液体流量都可以用定积分元素法求得。 详细过程不再赘述。 根据定积分元素法求得： )3(2)(232)(232 232323 AHgABAHgBAHgBQ  错误 !未找到引用源。 （ 26） 40621410020BA内蒙古工业大学本科毕业设计说明书 9 由于上式前两项非常小及 AH ,所以上式可简化为 HgABQ 2。 考虑到实际的液体往往具有粘性，在液体的流动过程中必将伴随着能 量的流失损耗，进而导致实际的流量值小于理想值，将工程中修正系数 错误 !未找到引用源。 引入后，上式就为： HgABQ 2 错误 !未找到引用源。 （ 27） 其中，由实验测得 。 由式 23 和式 27，整理后得： 1121221012202QChhCgABCgABCgABdtd 将相应参数值代入，其中：  ， mmA 5 ， 22322 /,1 6 6 5 8 5,1 6 9 5 1 0,7 8 smgmmCmmCmmB 。 带入数值：162121 01060 1 6 1 6 00 1 6 Qhhhhdtd     21/2161/1 hhh Qhh    经过拉普拉斯变换得到：    )(0 1 6 )(0 1 6 )( )(108 9 )(0 1 6 )(2121611 sHsHssH sQsHssH 则被控对象的传递函数为： )161)(160( 0 0 0 3 )1)(1()( )()( 21 113  sssTsT KsQ sHsG （ 28） 其中， sTsT 61,60 21  错误 !未找到引用源。 将传递函数分解后可得上水箱 的传递函数为 )(1  ssG，下水箱传递函数为 161 1)(2  ssG。 通过上述分析，得到系统控制方框图如图 27 所示。 内蒙古工业大学本科毕业设计说明书 10 图 27 双容水箱液位控制 双容水箱模糊控制系统是一个单输入单输出的双回路系统，其控制目的是保持水箱液位维持在生产要求规定的范围内，两个调节器串联起来协调工作，进而来保持 各 参数的恒定。 串级调节主要是来克服副环内的扰动，这些扰动能在中间变量中反应出来，很快的 就被副调节器抵消了，与单回路系统相比，干扰对被调量的影响可以减少许多倍。 水箱模型的过程辨识 由上文可知，水箱模型的传递函数如式 22 所示，在过程输入阶跃信号 ∆u 时，其阶跃响应曲线如图 28 所示。 变化量 2h 的时间响应曲线呈现 S 型，而不是指数曲线。 图 28 分离式双容水箱液位控制过程阶跃响应曲线 内蒙古工业大学本科毕业设计说明书 11 第三章 常规模糊控制器的设计 模糊控制系统是一种自动控制系统，它以模糊数学、模糊语言形式的知识表示和模糊逻辑的规则推理为理论基础 ，采用计算机控制技术构成的一种具有反馈通道的闭环结构的数字控制系统。 它的组成核心是具有智能性的模糊控制器，这也就是它与其它自动控制系统的不同之处。 因此，模糊控制系统无疑也是一种智能控制系统。 模糊控制是一种适合于工业生产过程和大系统的控制方法，特别是在非线性系统中，经典控制理论和现代控制理论的控制效果不是很理想。 但采用模糊控制却能取的比较令人满意的效果。 模糊控制的基本思想 模糊控制的基本思想是用机器去模拟人对系统的控制。 它是受这样事实而启发的：对于用传统控制理论无法进行分析和控制、复杂而无法建立数学模 型的系统，有经验的操作者或专家却能取得比较好的控制效果。 这是因为他们凭借日积月累的丰富经验。 因此人们希望把这种经验指导下的行为过程总结成一些规则，并根据这些规则设计出控制器。 由于人的经验一般是用自然语言来描述的，因此，基于经验的规则也只能是语言化的、模糊的。 运用模糊理论、模糊语言变量和模糊逻辑推理的知识，就可以把这些模糊的语言规则上升为数值运算，从而能够利用计算机来完成对这些规则的具体实现，达到以机器代替人对某些对象进行自动控制的目的。 其基本结构如图 31 所示。 内蒙古工业大学本科毕业设计说明书 12 图 31 模糊控制系统基本结构图 模糊控制的基本原理 模糊控制系统结构图如图 31 所示。 它的核心部分为模糊控制器。 通常模糊控制器包括四个部分：模糊化接口、知识库、推理机和精确化 (既反模糊化 )。 它们的作用说明如下： ：测量输入变量 (设定输入 )和受控系统的输出变量，并把它们映射到一个合适的响应论域的量程，然后，精确的输入数据被变成为适当的语言值或模糊集合的标识符，本部分可视为模糊集合的标记。 ：涉及应用领域和控制日标的相关知识，它由数据库和语言控制规则库组成，数据库为语言控制规则的论域离散化和隶属函数提供必要 的定义，语言控制规则标记控制目标和领域专家的控制策略。 ：是模期控制系统的核心，以模糊概念为基础，模糊控制信息可通过模糊蕴涵和模糊逻辑的推理规则来获取，并可实现拟人决策过程，根据模糊输入和模糊控制规则，模糊推理求解模糊关系方程，获得模糊输出。 ：起到模糊控制的推断作用，并产生一个精确的或非模糊的控制作用，此精确控制作用必须进行逆定标 (输出定标 )，这个作用是在对受控过程进行控制之前通过量程变换来实现的。 在整个模糊控制系统中，其控制步骤为：计算机中断采样获取被控制量的精确值 ，然后将此量与给定值比较得到误差信号 e。 一般选取误差 e 作为模糊控制器得一个输入量。 把误差信号 e 的 精确量进行模糊化得到模糊量，误差 的 模糊量可用相应得模糊语言来表示。 至此，得到了误差 e 的 模糊语言集合 的 一个子集 E，再由 E 和模糊控制规则 R(模糊关系 )，根据推理的合成规则进行模糊决策，得到模糊控制量 U 为 : U=E*R (31) 内蒙古工业大学本科毕业设计说明书 13 式中 U 为一个模糊量。 为了对被控对象施加精确的控制，还需将模糊 量 U 转化为精确量，这一步在图 31 中称为非模糊化处理。 得到了精确的数字控制量后，经数模转换为精确的模拟量送给执行机构，对被控对象进行控制。 然后，不断中断对被控量进行采集和控制，就实现了对被控对象的模糊控制。 模糊控制器的设计步骤 对于基本模糊控制器的设计与构造，并没有固定的方法，但一般来说基本模糊逻辑控制器的设计过程可分为四个步骤： ，根据采样得到的系统输出值，计算所选择的系统的输入变量。 该步骤所完成的工作就是确定模糊控制器的输入量和输出量。 2.“模糊化 ”，即实现输入量或输出量精确量的模糊化，通过量化因子和比例因子将精确量变化的范围 (基本论域 )模糊化成在模糊集论域范围内。 我们可以把精确量用 “正大 ”、 “正中 ”、 …“ 负中 ”、 “负大 ”等模糊语言来分成几个档。 我们将这些档的大小关系用模糊论域上的模糊子集来表示。 而模糊子集的大小和隶属函数有关。 ，有了前两个步骤的工作，我们得到输入量和输出量的模糊数，结合操作经验或数据，我们就可以将输入量和控制量的模糊数安排到由一系列的“IFTHEN”控制规则组成的集合中，利用这些规则信息，采用极大极小值合成法或其他合成算法，我们就可以合成得到控制表。 该控制表储存于计算机中，供程序查询输出。 ，计算机控制程序通过查询该控制表，即可以找到对应于某模糊数输入量的控制量模糊数，再通过输出量比例因子将模糊输出控制量转换成进行控制量的精确化输出，这实际上是在在输出范围内，找到一个被认为最具有代表性的、可直接驱动控制装置的确切的输出控制值。 模糊控制器结构 由于模糊控制器是模仿熟练操作人员的控制决策．对工业过程 进行控制，而操作工人一般是靠观测被控对象的输出和输出变化率或输出变量和输出变量的总和来设定控制量的大小的。 因此，模糊控制器的结构设计就是确定哪些变量作为模糊控制器的输入和输出，在单输入单输出系统中，受人类控制过程的启发。 一般可以设计成一维或二维模糊控制器，在极少的情况下才会设计成三维模糊控制器。 这是一种最为简单的模糊控制器，输入量和输出量都只有一个。 以模糊 E 为模糊控制器的输入，而以控制量 u或控制量的变化 △ u作为模糊控制器的输出。 如图 32 所示： 内蒙古工业大学本科毕业设计说明书 14 图 32 模糊控制结构 这是最简单的一类模糊控制器，其控制规则也很简单，可用如下模糊条件语： 1R ： if E is 错误 !未找到引用源。 then U is 1B (或者 U is 1B ) nR ： if E is nA then U is nB (或者 U is 1B ) 这里， 错误 !未找到引用源。 ， … ， nA 和 1B ， … ， nB 均为输入输出论域上的模糊子集。 这类模糊规则的模糊关系为 : ( , ) nx y i iiR A B 这里的二维是指模糊控制器的输入变量有两个，控制器的输出只有一个。 这种控制器的模糊控制规则为 : 1R : if 1X is 11A and 2X is 21A then Y is 1B … nR : if 1X is 1nA and 2X is 2nA then Y is nB 这里， 错误 !未找到引用源。 ， … ， nA 和 1B ， … ， nB 均为输入输出论域上的模糊子集。 这类模糊控制规则的模糊关系为 : ini iiyx BAAR  121),( )( 由于模糊控制器的控制规则是根据工程人员的操作经验而制定的，一般人对误差最敏感，其次是误差的变化率。 所以模糊控制器的输入变量也可以有两个，即误差 E，误差的变化率 EC，输出量一般选取控制量的变化。 从理论上讲，模糊控制器的维数越高，控制越精细。 但是维数过高，模糊控制规则变得过于复杂，控制算法的实现相当困难。 在一般的模糊控制系统中，考虑到模糊控制器实现的简易性和快速性，通常采用二维模糊控制器结构形式，这种控制器以误差和误差的变化率为输入量，以控制量的变化为输出变量。 内蒙古工业大学本科毕业设计说明书 15 模糊化 语言变量的选取 根据人们的习惯，常将相比的同类事物分为 “大 ”、 “中 ”、 “小 ”或 “高 ”、 “中 ”、 “低 ”3个等级，故操作者对误差及其变化率以及控制量的变化，也常采用类似概念。 考虑变量的正负性，一般在设计模糊控制器时，人们对于误差及其变化率以及控制量的变化等语言变量，常用 “正大 ”(PB)、 “正中。