基于模糊模式的水箱水位控制系统

2016-05-30王建珍

宁波职业技术学院学报 2016年2期

关键词：响应Matlab仿真模糊控制

王建珍

摘要：设计了一种基于模糊模式的水箱水位控制系统，对当前水位偏差和水流的速度通过模糊规则进行模糊推理，得出最佳的阀门开启大小和速度，从而控制水位。Matlab仿真结果表明，该系统能快速控制水位达到设定值。

关键词：模糊控制；水位； Matlab仿真；响应

中图分类号： TP 273+.4 文献标志码： A 文章编号： 1671-2153（2016）02-0089-03

0 引言

为了满足生产生活的需要，在锅炉、热水器等容器中常常需要控制水位恒定于设定值，但是容器中的水何时流出、流出量多少，又是实时随机变化的，难以建立一个数学模型来表示水流出的情况[1]，因此无法很好地实现水位的自动控制。在此情况下，采用模糊控制的方法可以较好地解决这一问题。

模糊控制是在模糊集合理论、模糊逻辑推理基础上建立起来的一种控制方法，它可以模拟人的思维方式[2]。模糊控制系统的核心和关键是模糊控制器，模糊控制器的性能直接影响水箱水位控制系统的性能。

1 模糊控制器的设计

水箱水位取决于水箱阀门的开启大小和速度，而水箱阀门的开启大小和速度又取决于水位偏差（设定水位减去实际水位）和水的流速[3]，所以本模糊控制器以水位偏差和水的流速为输入，以阀门为输出。输入变量水位偏差的模糊论域为[-1 1]，其模糊子集为偏高、正好、偏低，其拐点参数分别为[0.3 -1]、[0.3 0] 、[0.3 1] ；输入变量水的流速模糊论域为[-0.1 0.1]，其模糊子集有偏慢、正好、偏快，其拐点参数分别为[0.03 -0.1]、[0.03 0]、[0.03 0.1]；输出变量阀门的模糊论域为[-1 1]，其模糊子集有快关、慢关、不变、慢开、快开，其拐点参数分别为[-1 -0.9 -0.8]、[-0.6 -0.5 -0.4]、[-0.1 0 0.1]、[0.2 0.3 0.4]、[0.8 0.9 1]，两输入变量的隶属函数类型均为高斯型，输出变量的隶属函数类型为三角形。

在Matlab中，建立一个mamdani型的结构文件，其输入变量为“水位偏差”和“水的流速”，输出变量为“阀门”，其“与”、“或”、“蕴含”、“综合”、“清晰化”算法分别设为取小、取大、取小、取大、面积中心法。分别得到水位偏差、水的流速和阀门的隶属度曲线如图1所示。

根据操作经验得出阀门存在如下控制规则[4]：

如果水位偏差偏低，应快开阀门；

如果水位偏差正好，阀门开度应保持不变；

如果水位偏差偏高，应快关阀门；

如果水位偏差正好而水的流速偏慢，应慢开阀门；

如果水位偏差正好而水的流速偏快，应慢关阀门；

在Matlab的Rule编辑器中编辑出如下5条规则语句：

if（水位偏差 is偏低）then（阀门 is 快开）；

if（水位偏差 is正好）then（阀门 is 不变）；

if（水位偏差 is偏高）then（阀门 is 快关）；

if（水位偏差 is正好）and（水的流速 is 偏慢）then（阀门 is慢开）；

if（水位偏差 is正好）and（水的流速 is 偏快）then（阀门 is慢关）；

其曲面图如图2所示。

2 仿真分析

用Matlab建立仿真模型[5]，结果如图3所示。图3中，阀门子系统和水箱模块均为封装子系统，其内部结构分别如图4和图5所示。

图3中，信号源输出方波，方波的频率设为0.1 rad/s，幅度为0.5，常数模块输出常数1，常数1和方波经求和模块1相加后输出零点上移一个单位的方波，此为设定水位；在求和模块2中设定水位和反馈回来的实际水位相减，输出水位偏差，水箱输出的水位经微分模块处理后得到水的流速，水位偏差与水的流速作为两个分量在合成模块1中合成为一个向量输入到模糊控制器中，模糊控制器的输出量阀门输入到阀门子系统去控制阀门的开启大小和速度，从而控制水箱水位。在合成模块2中输入设定水位和实际水位，再通过对比显示器显示输出方波信号与响应信号溢出标记的比较。