南昌大学实验报告
学生姓名：学号：专业班级：_____________ 实验类型：■验证□综合□设计□创新实验日期： 2012-12 实验成绩：______
实验三三容水箱的专家控制实验
一、实验目的
①掌握三容水箱的基本构成，能够熟练地运用专家PID控制原理，来实现
对三容水箱的液位控制。
②进一步掌握专家控制原理，清楚了解PID控制的过程和相应的matlab程
序实现方法。
③了解matlab中关于的相关绘图函数的使用方法，懂得有关向量的定义及
循环操作，熟练掌握MATLAB的编程语句。
二、实验设备及条件
微型计算机，且此计算机必须装有matlab软件。
三、实验原理
专家系统是一类包含知识和推理的智能计算机程序，其内部包含某领域专
家水平的知识和经验，具有解决专门问题的能力。
直接型专家控制器用于取代常规控制器，直接控制生产过程或被控对象。
具有模拟（或延伸、拓展）操作工人智能的功能。
该控制器的任务和功能相对
比较简单，但需要在线、实时控制。
因此，其知识表达和知识库也比较简单，
通常由几十条产生式规则构成，以便于增删和修改。
直接型专家控制器的结构
如a图中的虚线所示。
专家PID控制的实质是：基于受控对象和控制规律的各种知识，无需知道
被控对象的精确模型，利用专家经验来设计PID参数。
专家PID控制是一种直
接型专家控制器。
本实验的专家控制器输入为h3的设定值，而输出为阀门开度kk，根据实
验的要求设计专家PID控制器的基本原理框图如下图所示Array
图(a)
三容水箱结构框图如下
四、实验要求 通过专家PID 控制，随着下水箱流量q4的正弦变化，要求能够通过调节阀门开度kk 来使第三个水箱中的下水箱液位h3稳定在设定值，并且其他两水箱水不会流尽和溢出。
五、 实验设计过程及结果
1、 三容水箱数学模型
可应用实验一建立的三容水箱数学模型
3
33433|
0.45)+i *pi *(2.58sin |*343222
321112kk *1q 21h h h s
q q h y q s q q h h y q s q q h h y q a ∆+=-=∆=-=∆=-=∆==
最终确定了以下参数：
s=90;
q1=1.24*kk;
q2=13*sqrt(h1);
h1=h1+(q1-q2)/s;
q3=13.4*sqrt(h2);
h2=h2+(q2-q3)/s;
q4=77*abs(sin(2.58*pi*i+0.45));
h3=h3+(q3-q4)/s;
2、根据PID控制器的控制规律和专家控制的理论思想，设计专家PID控制器。
确定观测量和控制量，定义理想的三水箱的液位高度设定值hs为130，令下水箱液位高度为h3,选择液位差e=hs-h3为观测量；
3、编写程序并调试：
clear all;
close all;
ts=0.001;
u1=0;u2=0;u3=0;
y1=0;y2=0;y3=0;
x=[0 0 0]';
x21=0;
kp=0.2;
ki=0.03;
kd=0.3;
h1(1)=200*rand(1);
h2(1)=200*rand(1);
h3(1)=200*rand(1);
h11=0;h21=0;h31=0;
hs=130; %此参数为设定值
dk=0;
kk=0;
s=90;k=80;
t=1:3500;
error1=0;
for k=1:3500
time(k)=k*ts;
y(k)=h3(k);
r(k)=hs;
error(k)=r(k)-y(k);
u(k)=kp*x(1)+kd*x(2)+ki*(3);
if abs(x(1))>0.8
u(k)=0.45;
elseif abs(x(1))>0.40
u(k)=0.40;
elseif abs(x(1))>0.20
u(k)=0.12;
elseif abs(x(1))>0.01
u(k)=0.1;
end
if x(1)*x(2)>0|(x(2)==0)
if abs(x(1))>=0.05
u(k)=u1+2*kp*x(1);
else
u(k)=u1+0.4*kp*x(1);
end
end
if (x(1)*x(2)<0&x(2)*x21>0)|(x(1)==0)
u(k)=u(k);
end
if x(1)*x(2)<0&x(2)*x21<0
if abs(x(1))>=0.05
u(k)=u1+2*kp*error1;
else
u(k)=u1+0.6*kp*error1;
end
end
if abs(x(1))<=0.001
u(k)=0.5*x(1)+0.010*x(3);
end
if u(k)>=10
u(k)=10;
end
if u(k)<=-10
u(k)=-10;
end
dk=u(k);
if kk<0|h1(k)>=180|h2(k)>=180|h3(k)>=190 kk=0;
elseif kk>90|h1(k)<=10|h2(k)<=10&h3(k)<=10 kk=90;
else
kk=kk+dk;
end
if kk<0
kk=0;
end
if kk>90|(h2(k)<10&h3(k)<10)
kk=90;
end
if (error(k)<20&error(k)>2|error(k)<-10)&h3(k)>30 kk=0;
end
%以下为三容水箱模型
q1=1.24*kk;
q2=13*sqrt(h1(k));
h11=(q1-q2)/s;
h1(k+1)=h1(k)+h11;
if h1(k+1)<0
h1(k+1)=0;
end
q3=13.4*sqrt(h2(k));
h21=(q2-q3)/s;
h2(k+1)=h2(k)+h21;
if h2(k+1)<0
h2(k+1)=0;
end
q4=77*abs(sin(2.58*pi*k+0.45));
h31=(q3-q4)/s;
h3(k+1)=h3(k)+h31;
if h3(k+1)<0
h3(k+1)=0;
end
u3=u2;u2=u1;u1=u(k);
y3=y2;y2=y1;y1=y(k);
x(1)=error(k);
x21=x(2);
x(2)=(error(k)-error1)/ts;
x(3)=x(3)+error(k)*ts;
error1=error(k);
end
figure(1);
plot(t,y,t,r,'r');
xlabel('时间t');ylabel('下水箱液位h3');
axis([0 3500 0 200]);
六、实验结果及分析
由运行结果可知，设定值为130，下水箱水位的初始值为随机值，经过模糊控制之后，下水箱的水位稳定在130，满足控制要求。
实验的结果如上图所示。
七、实验总结。