水箱液位控制系统的设计设计说明.doc

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学号:11204050
本科毕业设计阐明书
题目:水箱液位控制系统的设计
摘要
液位控制一般指对某控制对象的液位进行控制调节,使其达到所规定的控制精度。在工业生产过程中,有诸多地方需要对控制对象进行液位控制,使液位精确的保持在给定的数值范畴之内。
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,也许无法达到较好的控制质量,因此有必要谋求更有效的措施对液位进行控制,克服流量对液位导致的干扰。
本文论述了模糊控制理论、模糊控制器的设计和实现,并将控制系统在Matlab软件环境下进行仿真,仿真成果表白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削弱,特别适合于非线性、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。
核心词:水箱液位;模糊控制;双容水箱
Abstract
Levelcontrolofagenerallyreferstocontrolandadjustmenttheliquidlevelcontrolobject,,alotofplacesthatneedtocontroltheliquidlevelcontrolobjects,keepaccuratelyinagivenlevelofnumericalrange.
Inthistopic,thewatertankoflevelcontrolsystemistheresearchobject,,thereismuchvolumedelay,ifusetheconventionalsingleloopcontrolsystemtocontrol,maybenotabletoachieveagoodcontrolquality,itisnecessarytoseekmoreeffectivemethodsofliquidlevelcontrol,overcomeinterferenceofliquidlevelcausedbyflow.
Thispaperdiscussesthefuzzycontroltheory,thefuzzycontrollerdesignandimplementationandsimulationinMatlabsoftwareenvironment,thesimulationresultshowthattherobustoffuzzycontrolsystemisstrong,disturbanceandparametervariationonthecontroleffectisgreatlyreduced,especiallysuitableforcontrolofnonlinear,timeandpuretime-delaysystem,ofsoastheliquidlevelcontrolsystemmodelparameterschange,thesystemcanhavegoodcontroleffect.
Keywords:waterlevel;Fuzzycontrol;Matlabsimulation
目录
第一章绪论 1
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第二章液位控制系统及模型建立 4
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第三章常规模糊控制器的设计 11
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、量化因子、比例因子的选择 18
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第四章水箱液位模糊控制系统仿真 22
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总结 31
参照文献 32
谢辞 34
第一章绪论

正常运营的生产设备必须保证产品满足一定的数量和质量的规定,同步也要保证生产设备的安全性和经济性。因此,规定生产设备在规定的工况下运营。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。
一般来讲,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择为重要被控参数,控制的目的就是使液位值可以稳定的保持在工业生产规定给定的范畴之内。在诸多行业生产运营过程中,液位检测都是非常重要的,如在电力公司安全生产中,汽包水位的正常就是锅炉运营的一种重要监控参数,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营的必要条件。
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,也许无法达到较好的控制质量,因此有必要谋求更有效的措施对液位进行控制,克服流量等对液位导致的干扰。为了改善其调节过程的动态性能,我们采用串级控制,其副回路可以不久的消除作用于内回路的扰动。本文重要研究模糊控制这个先进的控制措施在本课题中的应用,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。

老式的控制器参数的整定往往是由人工实现的,采用的一般是实验加试凑措施,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本,并且还需要耗费大量的时间。除此之外,老式的控制器是建立在精确的数学模型之上的,因此适应能力较差。在控制过程中,如果被控对象的模型发生变化,那么控制器就必须随之做出相应的调节,甚至需要重新进行整定。考虑到工业生产过程的持续性和经济性,重新整定的工作实际很难进行,甚至几乎是不也许的。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注重度不断提高,以及模糊控制思应用于众多领域中获得的良好效果,人们逐渐结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,可以获得较好的控制性能。因此在液位控制系统的控制器设计中采用模糊控制,在实际应用中也获得了较好的效果。
,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根据,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,并且获得了较好的成绩。特别是在工业生产领域更是获得了长足的发展,在家电行业模糊相机、模糊洗衣机、模糊冰箱等“模糊”产品的浮现,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承认,究其因素,较常规的精确逻辑控制,模糊控制的工程运用中具有如下特性:
(1)控制系统的建立不规定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)以语言变量替代常规的数学变量,易于构造形成专家权威的理念和知识。
(4)容易被人们接受承认。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根据,因而易被人们接受和理解。
(5)模糊逻辑没有硬性的指标规定,体现十分柔性。对于一种既定的系统,我们可以很容易的直接加以解决和研究,并不需要从起步开始着手。这样一来,与老式成熟的控制理论与技术相结合就变的十分容易。仍需阐明的是,模糊控制系统的建立往往不需要将原有的老式控制措施彻底删除,而是仅仅在原有的控制方略上做简朴的修改,便可以加以使用。

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获得了巨大的进步很发展,但是,相较于其她领域,模糊控制理论的发展仍旧落后于其应用的发展,成熟理论指引的缺失是限制模糊控制理论长足发展的一种重要因素。模糊控制理论的研究与发展,一方面需要创立一种工作构造与框架,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,进而理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,谋求出模糊控制与常规的控制措施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,我们还可以运用成熟的常规控制理论去解析模糊控制器的内在构造与决策措施,更好地理解模糊控制器的工作原理,进而以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。

,一方面建立起被控对象(液位系统的水箱)的模型。
,制定出模糊控制从属度函数及模糊控制规则,设计出模糊控制器,拟定调节器的参数。
,根据模型对模糊控制液位控制系统进行仿真研究。
,分析仿真成果,比较水箱模型变化后对系统性能的影响。
,阐明本课题设计的系统有助于改善系统的动态能,控制性能良好,是一种有效的控制措施。
第二章液位控制系统及模型建立

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。系统控制的重要目的是将下水箱的液位维持在正常生产过程给定的范畴之内。系统的重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,则超过水箱的警戒水位;若流入量局限性,则液位下降,出于生产需求等方面的考虑,不能使水位低于某一临界值。

整个液位控制系统的构造如图2-1所示。