基于單片機(jī)的液位模糊控制器設(shè)計(jì)論文
摘 要：液位控制由于其應(yīng)用極其普遍，種類繁多，其中不乏一些大型的復(fù)雜系統(tǒng)，譬如在石油化工等工業(yè)生產(chǎn)中。它主要有以下幾個(gè)特點(diǎn):
1、時(shí)滯性很大。在大型、復(fù)雜的液位控制系統(tǒng)中，當(dāng)改變進(jìn)出容器的液體流量來控制液位時(shí)，控制效果在較長(zhǎng)的時(shí)間后才能得到體現(xiàn)，這會(huì)使得最后的穩(wěn)態(tài)誤差較大，液位在期望值附近波動(dòng)。
2,時(shí)變性。液位控制一般是通過控制液體流入量的大小來控制液位的，流出量是根據(jù)后續(xù)工藝生產(chǎn)的需求而調(diào)節(jié)，這種需求的數(shù)量和速度是在不斷變化的。
3,非線性。容器內(nèi)液體流出量不僅隨后續(xù)工藝生產(chǎn)需求變化，即使在控制閥門保持不變的情況下，實(shí)際的流出量也隨著液位高度的變化而發(fā)生一種非線性的變化。這幾個(gè)特點(diǎn)，都嚴(yán)重影響PID控制的效果，當(dāng)實(shí)際生產(chǎn)對(duì)控制有較高的性能指標(biāo)要求時(shí)，就需要將智能控制方法引入到液位控制系統(tǒng)中來。
關(guān)鍵詞：模糊控制；液位；PID；單片機(jī)
1 模糊控制的基本原理
模糊控制屬于智能控制的范疇，它是以模糊數(shù)學(xué)和模糊邏輯為理論基礎(chǔ)、模仿人的思維方式而統(tǒng)籌考慮的一種控制方式。 它是以模糊集合論、模糊語言變量和模糊邏輯推理為基礎(chǔ)的一種計(jì)算機(jī)數(shù)字控制。模糊控制模仿人的思維方式，計(jì)算控制量時(shí)并不需要參數(shù)的精確量，而是以參數(shù)的模糊信息為基礎(chǔ)，通過模糊推理得到控制量的模糊形式，然后再經(jīng)過反模糊化處理輸出具體的控制量。
模糊控制器的'設(shè)計(jì)的基本原理
1． 在采樣時(shí)刻，采樣系統(tǒng)的輸出值，然后根據(jù)所選擇的系統(tǒng)的輸入變量來進(jìn)行計(jì)算，得到輸入變量的具體值。一般系統(tǒng)通常選擇誤差及誤差的變化情況作為輸入變量。
2． 將輸入變量的精確值變?yōu)槟：俊．?dāng)然，在這之前需要先確定模糊變量的基本論域、模糊子集論域、模糊詞集及隸屬函數(shù)。系統(tǒng)中輸入變量的實(shí)際變化范圍稱為變量的基本論域，對(duì)于模糊控制輸入所要求的變化范圍稱為它們的模糊子集論域。模糊子集論域的確定和下一步的模糊推理中需要的模糊值有關(guān)。模糊值可用模糊詞集來表示，人們對(duì)數(shù)值的模糊表示一般可用大、中、小加以區(qū)別，再加上正負(fù)模糊詞集就可表示為：
{負(fù) 大 ， 負(fù)中，負(fù)小，零，正小，正中，正大}
一般系統(tǒng)的輸入變量的模糊子集論域所含的元素個(gè)數(shù)應(yīng)為詞集總數(shù)的兩倍以上，這樣才能確保模糊詞集能較好地覆蓋
模糊子集論域，避免出現(xiàn)失控現(xiàn)象。針對(duì)上面選用的模糊詞集，模糊子集論域可選擇為
{-6 ， -5 ，-4，-3，-2，一1,0 , 1,2 ,3 ,4 ,5 ,6 }
對(duì)于一個(gè)模糊控制系統(tǒng)，它的控制器輸入變量的實(shí)際范圍一般不會(huì)正好和模糊子集論域一致，這時(shí)就需要進(jìn)行轉(zhuǎn)化。假如基本論域?yàn)閇a. b]，模糊子集論域?yàn)閇m, n]，則將一個(gè)精確輸入量x轉(zhuǎn)化到模糊子集論域中的變量Y是通過以下公式來實(shí)現(xiàn)的。
y=(n-m)*[x-(b-a)/2]/(b-a)
模糊 子 集 論域和模糊詞集之間是通過隸屬函數(shù)來聯(lián)系的。模糊變量的隸屬函數(shù)就和普通變量的特征函數(shù)一樣，但它的取值范圍并不是單純的0或1，而是在[0, 1]之間連續(xù)變化。隸屬函數(shù)的形狀常采用梯形、三角形、鐘形、高斯形等。在實(shí)際應(yīng)用中，為方便起見，采用三角形的較多。
3． 根據(jù)上一步得到的輸入變量(模糊量)及模糊控制規(guī)則，按模糊推理合成規(guī)則計(jì)算控制量(模糊量)。模糊控制規(guī)則是根據(jù)操作者的經(jīng)驗(yàn)或?qū)＜业闹R(shí)，用if， then描述的一組條件語句。
4． 控制量的模糊量轉(zhuǎn)化為精確量。上一步雖然通過模糊推理得到了控制量，但它是模糊形式的，而真正的執(zhí)行機(jī)構(gòu)不能接受模糊量，只能接受精確量，所以必須把控制量由模糊形式轉(zhuǎn)化為精確形式，這一步也叫做解模糊化。
2 模糊控制器的設(shè)計(jì)過程
2.1模糊控制器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
模糊控制器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是指確定模糊控制器的輸入變量和輸出變量。模糊控制器輸入變量的個(gè)數(shù)稱為模糊控制器的維數(shù)，目前廣泛采用的均為二維模糊控制器.在此我們也選擇這一結(jié)構(gòu)形式。我們?cè)O(shè)計(jì)的是液位模糊控制器，就選擇液位的
誤差和誤差的變化作為模糊控制器的輸入變量，分別記作E, Ec。模糊控制器的輸出應(yīng)該是用來控制液位的，液位實(shí)際上就是受流入量和流出量的影響，而流出量是根據(jù)后續(xù)工藝不停的變化，是不可控的。所以模糊控制器的輸出就只有一個(gè)，作為控制流入量執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制量，記作U。對(duì)于模糊控制器的輸出，可以有兩種形式，一種是絕對(duì)的控制量輸出，另一種是增量方式輸出。在本次設(shè)計(jì)的模糊控制器中，我們選擇了絕對(duì)值輸出方式 。
2.2模糊控制規(guī)則的設(shè)計(jì)
控制規(guī)則的設(shè)計(jì)一般包括三部分內(nèi)容：選擇描述輸入輸出變量的詞集，定義各模糊變量的模糊子集和建立模糊控制器的控制規(guī)則。下面就分別來進(jìn)行說明：
1.選擇描述輸入、輸出變量的詞集
對(duì)于液位誤差、誤差變化率及控制量我們選用相同的模糊詞集，都用自然語言大、中、小來進(jìn)行描述，將大、中、小再加上正、負(fù)兩個(gè)方向并考慮變量的零狀態(tài)，共有七個(gè)詞匯，即
{負(fù) 大 ， 負(fù) 中 ，負(fù)小，零，正小，正中，正大}
為敘述方便，用英文字頭縮寫表示為
{N B ,N M , N S ,Z E, PS, PM,P B}
其中，N=Negative, P=Positive, B=Big, M=Medium, S=Small, ZE=Zero 。
2.定義各模糊變量的模糊子集
定義一個(gè)模糊子集，實(shí)際上就是要確定模糊子集隸屬函數(shù)曲線的形狀。對(duì)于輸入變量誤差和誤差變化率，我們選用的模糊子集論域和隸屬函數(shù)曲線都完全一致，所以在此就只針對(duì)誤差的模糊子集的確定來進(jìn)行說明。誤差的模糊子集論域取[-6,6 ]之間，然后離散化，只取整數(shù)，所以它的模糊子集論域可表示為
{-6 ，-5 ，-4，-3，-2，-1,0 ,1 ,2 ,3 ,4 ,5 ,6 }
其中有13個(gè)元素，而模糊詞集中有7個(gè)元素，基本滿足了二倍的關(guān)系，可以保證不會(huì)出現(xiàn)失控現(xiàn)象。為了計(jì)算方便，將隸屬函數(shù)曲線都選為三角形形式，而且根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，在靠近0附近，三角形的形狀選的窄一些，這樣有利于提高靈敏度，抑制超調(diào)。在遠(yuǎn)離0的地方，三角形的形狀選的寬一些，因?yàn)檫@時(shí)候誤差還很大，不會(huì)引起超調(diào)。至于三角形具體形狀及位置的有關(guān)參數(shù)，是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)初步確定的，在控制器調(diào)試的時(shí)候還需要對(duì)這些進(jìn)行反復(fù)的修改。
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