图 6 水箱液位模糊控制系统的仿真结果
图 7 水箱液位 PID 控制系统的仿真结果
4 结
论
输出改变调节阀的开度来改变水箱的液位高度, 达到用两维模糊控制器的方法来控制水箱系统的 液位高度, 同时将模糊控制器和 P I D 控制器比较, 仿真运行结果表明了水箱模糊控制系统获得更好 的控制性能指标。
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收稿日期 : 2009- 06- 26 基金项目 : 上海市教委科研基金资助项目 ( 07ZZ163) 作者简介 : 丁肇红 ( 1966- ) , 女 , 副教授 , 主要研究方向为系统辨识、 非线性控制和模糊控制 .
第 4期
丁肇红 : 基于 MA TLA B 的液位模糊控制系统设计
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实际液位的误差 e, 另一个输入为误差 e的变化率 de, 模糊控制器的输出用来控制阀门的开关 , 从而 调节水 箱的 液位高 度。运 用 MATLAB 中 的 F IS 系统工具箱实现双输入单输出的模糊控制器, 并 结合 S i m u link 仿真得到实际液位跟踪给定液位的 曲线, 仿真结果证实水箱模糊控制系统获得良好 的控制性能指标。
图 1 水箱模糊控制系统示意图
图 4 输出量 p 的隶属度函数
中位水箱系统的模糊控制器设计为两个输入 一个输出, 一个输入为水箱的液位给定值与实际液 位 H 的误差 e, 另一个输入为误差 e 的变化率 de。 模糊控制器的输出是阀门开度 p, 阀门开度间接控 制容器的水位高度, 从而达到调节水箱的液位高 度。图 2所示为液位模糊控制系统框图。
2 液位模糊控制器的设计
2. 1 模糊控制器的输入设计 将误差 e 和误差 e 的变化率 de 模糊化 , 根据 隶属函数遵循的基本原则
[ 5]
设计 e 和 d e 的 5 个
模糊子集及隶属函数如图 3 所示, 5 个模糊子集 为 NB、 NS 、 ZE、 PS 、 PB。
1 水箱液位模糊控制系统结构
传统控制方法均是建立在被控对象的精确数 学模型 之上的 , 随着系统复 杂程度的提高 , 将 难以建立系统的精确数学模型和满足实时控制的 要求。在实际工业生产中, 很多系统的影响因素 很多, 十分复杂。大多数实际系统都是非线性的, 建立精确的数学模型特别困难。双容对象受到扰 动后, 被控参数 ( 液面高度 ) 的变化速度并不是一 开始就最大 , 而是要经过一段时间之后才能达到 最大值。双容对象的数学模型是非线性的, 由于 建立的液位对象模型不够精确 , 采用此模型整定
图 2 液位模糊控制系统框图
条模糊控制规则如表 1 所示。
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表 1 模糊控制规则表
de PB PS ZE NS NB e PB HI GHER LOW LOW ER LOW ER PS HIGHER EQUAL LOW LOW LOW ER ZE H IGHER H IGH EQUAL LO W LO W ER
2. 3 模糊控制器的规则设计 确定模糊控制规则的原则是必须保证控制器 的输出能够使系统输出响应的动态特性达到最佳。 根据水箱液位系统的要求, 当实际的液位小于给定 的液位, 即输入量 e 大, 将阀门开度变大时, 实际液 位高度就会上升 , 这就设计出一条规则如下 : 如果误差 e 是 PB, 且液位变化率 de 是 PB, 则 控制 P 为 H I GH ER; 如果误差 e 是 PB, 且液位变化率 de 是 PS, 则 控制 P 为 H I GH ER; 根据这样的原理可设计出模糊控制器的 23
本文通过对中位水箱系统液位偏差和液位偏 差的变化率进行模糊化处理, 利用控制经验知识 建立了两位液位模糊控制规则 , 再通过反模糊化
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上海应用技术学院学报 (自然科学版 )
第 9卷
w e i au fbau der H efe[ J]. Ber D tseh Chem C es , 1907, 40 ( 4 ): 1027- 1047 . [ 7] S tark D. E xtractive b ioconversion o f 2- phenyle thano l from L - pheny lalan ine by Saccharo my ces cerevisiae[M ]. PhD thesis , Sw iss Federal In stitu te of Techn ology L ausanne , 2001. [ 8] E lena A lbertazz, i Rosanna Card illo , Stefano Serv.i B iogeneration of 2- phenylethano l and 2- phenyle thylacetate i m portant aroma componen ts [ J]. B io technology Letters , 1994, 16( 5): 491- 496. [ 9] Fabre C E, B lanc P J , Go m a G. S creen ing of yeasts producing 2- phenylethyl alcoho l[ J]. B io technology Techn iques , 1997 , 11 ( 8): 523- 525 . [ 10 ] E tschm ann M M W, Se ll D & Schrader J . Screen ing o f yeas ts for the p rodu ction of the aro ma co m pound 2- phenylethano l in a mo lasses based m ed ium [ J]. B io techno logy L etters , 2003, 25 ( 2 ): 531- 536. [ 11 ] H uang C J , Lee S L, Ch ou C C . Production and m olar y ie ld of 2 - Pheny leth anol by p ich ia fer m entam L - 5 as affected by some mediu m co m ponen ts[ J ]. Journal of B ioscience and B ioeng i neering, 2000, 90 ( 2 ): 142- 147. [ 12 ] E tschm ann M M W, Sell D, Schrader J . M ed ium op ti m ization for the production o f the aro ma co m pound 2 - phenylethano l u sing a genetic a l gorithm [ J ]. Journal of M olecular C atalys is B: Enzym atic , 2004, 29 ( 5 ): 187- 193. [ 13 ] Ju liano Garavaglia , Si m one H ick m ann F lo res , Tan ia M ara P izzo lato . B ioconversion of L - phen y lalan ine in to 2 - phenylethano l by K luyvero my ces m arx ianus in grape m ust cu ltures[ J]. W orld J M icrob io l B iotechno,l 2007 , 23 ( 6 ): 1273- 1279. [ 14 ] S tark D, Zala D, M nch T, et a. l Inh ib ition as pects o f the bioconvers ion o f L - phenylalan ine [ 21 ] [ 18 ] [ 17 ] [ 16 ] [ 15 ]
[ 1]
出的 P I D 控制器也难以使系统达到超调量为 4 . 3 % 的较理想的控制效果。基于这种情况下, 模糊 控制就显得意义重大。因为模糊控制不用建立数 学模型 , 根据实际系统的输入输出的结果数据 , 参 考现场操作人员的运行经验, 就可对系统进行实 时控制。因此利用模糊控制技术来设计液位控制 系统将更直接、 更有效 , 是非线性控制的一种更有 力的控制 手段。模糊控 制技术已日趋成 熟和完 [ 2~ 6] 善 。本文水箱系统的模糊控制器设计为两个 输入一个输出, 一个输入为水箱的液位给定值与
基于 MATLAB 的液位模糊控制系统设计
丁肇红
( 上海应用技术学院 机械 与自动化工程学院 , 上海 200235)
摘要:
对水箱系统设计一个两维模糊控制器 , 模糊控制器设计为两个输入一个输出 , 模糊控
制器的输出用来控制阀门的开度 , 调节水箱的液位 。运用 MATLAB 模糊工具箱实现双输入单 输出的模糊控制器, 并结合 Si m ulink 仿真得到实际液位跟踪给定液位的曲线 , 仿真结果证实该 模糊控制器优越于常规的 P ID 控制器, 水箱模糊控制系统获得良好的控制性能指标 。 关键词 : 模糊化 ; 反模糊化 ; 模糊控制器 ; 水箱系统 文献标识码 : A
图 3 输入量 e 和 de 的隶属度函数
2. 2 模糊控制器的输出设计 对于输出量的设计方法, 也与上面输入的设置 方法相类似将输出变量 p 的隶属度函数曲线命名 为 : Lower 、 Low、 Equal 、 H igh 、 H ig her , 得到的隶属度 函数曲线形状和参数, 并且在创建输出变量进行隶 属函数时应该有意识的把 Equal时的三角形曲线 形状设置的比较窄, 因为在输出变量平稳时, 误差 相对要小而分辨率和灵敏度应该相对要高。输出 u 的 5 个模糊子集和隶属函数如图 4 所示。
上海应用技术学院学报 ( 自然科学版 )
第 9卷
3 M ATLAB 仿真与结果
NS HI GHER HI GH HI GH EQUAL LO W HI GHER HI GHER HI GHER HI GHER NB