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基于MATLAB的水箱水位模糊控制系统的设计


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文章编号 :1008-0570(201011-1-0043-02

控制系统

基于 MATLAB 的水箱水位模糊控制系统的设计
A design of water lever fuzzy controller system in the water tank based on MATLAB

r />(1.武汉工程职业技术学院;2.武汉科技学院)

刘 新

1

唐雪梅

2

LIU Xin TANG Xue-mei
摘要 : 本 文 利 用 模 糊 控 制 理 论 设 计 出 一 套 水 箱 水 位 模 糊 控 制 器 系 统 , 具 体 给 出 了 系 统 设 计 方 案 , 并 应 用 MATLAB 软 件 对 该 控 制 系 统 进 行 验 证 。 仿 真 结 果 表 明 该 系 统 取 得 了 良 好 的 预 期 效 果,有 效 的 提 高 了 水 位 控 制 的 精 度 。 关键词 : 水位 ; 模糊控制 中图分类号 : TP273 文献标识码 : A

Abstract: This paper designs a suit of water lever fuzzy controller system in the water tank using the fuzzy control theory, and gives us a system design project which is validated by the MATLAB. The final result shows that the project obtains an excellent anticipant result; it also enhances the precision of the water control. Key words: water lever; fuzzy control

引言
在现代工业生产及日常生活中, 有很多方面都会涉及到水 位控制这个问题。 而在绝大多数情况下,我们是很难或是不可能 得到被控对象的精确数学模型的, 因此采用数学工具或计算机 仿真技术的传统控制理论已经无法解决此类系统的控制问题。 智能控制的概念主要是针对控制对象及其环境、 目标和任务的 不确定性和复杂性而提出来的, 而模糊逻辑控制则作为一种新 颖的智能控制方式越来越受到人们的重视。 模糊逻辑控制是智 “21 世纪的 能控制领域的重要发展方向,模糊控制技术被称为 核心技术” 。 本文针对水位控制对象及其环境、 目标和任务的不确定性 和复杂性而提出一种模糊控制器, 很好的实现了水位的自动化 控制。

再次,利用 DDE 通信技术将组态王采集到的水位高度、 水位高 度误差等信号通过 Excel 作为中间媒介读取到 MATLAB 中,然 后按照 MATLAB 预先编好的模糊 PID 控制算法计算出系统的 控制量, 最后 MATLAB 也是利用 DDE 技术将计算出的控制量 送到组态王,再由组态王送到 PLC 的 DA 单元去控制变频器,从 而实现水箱系统水位的自动调节。系统方框图如图 1 所示。 上图由 DV707 型交流变频器 、 C200HE 型可编程序控制 器、 CY3011A 型水位传感器、 机以及水泵等设备组成。 PC

技 术 创 新

2 水位模糊控制的设计
水位是在生产运行中需要严格控制的参数之一, 它的主要 动态特性包括:非线性、 非最小相位特性、 不稳定性、 时滞和负荷 若采用单一的水位反馈控制难以达到预期的控制效果, 干扰等。 所以采用了仿人的模糊控制方法依据操作人员的现场经验制 成模糊控制表,通过判断水位的偏差及偏差变化率来控制输出, 并易于在 PLC 上实现。 模糊 PID 控制器的特点是在大范围内利 用模糊推理的方法调整系统的控制量 U, 而在小偏差范围内转 换成 PID 控制,两者的转换根据事先给定的偏差范围自动实现。 这样做的好处是: 既保证动态响应效果, 又能改善稳态控制精 度。图 2 为模糊 PID 控制器的系统方框图。

1 水箱水位自动调节系统设计

图 1 系统方框图 系统利用 OMRON 公司生产的 C200HE 型可编程控制器作 为下位机,装有组态王 6.51 的个人电脑作为上位机,集工控组态 技术、 技术、 PLC DDE 通信技术和智能控制技术于一体,构成一 个完整的过程计算机控制系统,即水位自动控制系统。 其工艺流 程主要包括 3 部分:首先,通过 PLC 将水位传感器检测到的水位 模拟量送至上位机的 CRT 上显示;其次,上位机可发出启停泵、 阶跃实验等指令,并对上述指令信号动态采样,在 CRT 上显示;
刘 新 : 教师 硕士研究生

图 2 模糊 PID 控制器系统方框图 其中, 模糊控制器和 PID 控制器的切换是通过在 MATLAB 的 M 文件中事先设定误差 e 的范围来自动实现的。 选取水位误 差 e 的基本论域为[-10cm,10cm],选取误差变化率 ec 的基本论 域为[-4,4],选取控制量 u 的基本论域为[0,4000]。e、 u 的语言 ec、 变 量 值 分 别 为 :e ={NB,NM,NS,ZE,PS,PM,PB},ec ={NB,NM,NS,ZE,
邮局订阅号:82-946 360 元 / 年 - 43 -

《P LC 技术应用 200 例》

控制系统
PS,PM,PB},u={NB,NM,NS,ZE,PS,PM,PB}。 依据控制经验, 可建立单容水箱水位模糊控制系统的模糊 控制规则如表 1 所示。 表 1 模糊控制规则

《微计算机信息》 (测控自动化 )2010 年第 26 卷第 11-1 期

[4]Zadeh LA.Fuzzy Algorithm Information Control,1968,12: 94~102 作 者 简 介 :刘新(1982-),女,武汉工程职业技术学院信息系教师, 硕士研究生, 主要从事电气工程及其自动化方面的研究开发工 作; 唐雪梅(1983-)女, 武汉科技学院机电工程学院讲师。 Biography:LIU Xin (1969 - ),Female, Research Area: Electrical Engineering and Automated Control. (430080 武汉工程职业技术学院 ) 刘 新 (430074 武汉科技学院 ) 唐雪梅 通讯地址 :(430080 武汉工程职业技术学院 ) 刘 新
(收稿日期:2010.03.19)(修稿日期:2010.06.19)

3 系统的仿真结果
经过不断的观察、 调试后,本文设计的模糊-PID 复合控制 器获得了满意的控制效果。当使用此模糊-PID 复合控制器对 水箱水位进行自动控制时, 在组态王的监控界面中观察水箱水 位的实时趋势曲线图如图 3 所示。

技 术 创 新

图 3 采用模糊-PID 控制的水位实时趋势曲线图Ⅰ 上图所示为整个系统运行初始阶段的水位实时曲线图。而 要对控制器的控制效果进行分析、 比较,还需要有系统稳定运行 阶段的实时曲线图,如图 4。

图 4 采用模糊-PID 控制的水位实时趋势曲线图Ⅱ

4 结论
由上面的两幅曲线图可以看出, 水箱水位可以较快的上升 到设定的高度,即具有较小的上升时间;水位第一次超过设定水 位较小,即系统的最大动态误差较小;水位能够稳定在给定值附 近,即此系统的稳态误差较小。综上,从以上三个方面和实际的 水位曲线来看,说明了采用此模糊-PID 控制器可以起到很好的 控制效果,是一种比较理想的控制方案。 文章创新点: 将 “21 世纪的核心技术” 模糊控制运用在水箱 水位的控制上,很好的解决了水位控制对象环境、 目标和任务的 不确定性和复杂性等问题, 本文提出的水位模糊控制器系统取 得了良好的预期效果,有效的提高了水位控制的精度。 参考文献 [1]刘淑荣,袁铮.水箱液面模糊控制及 Matlab 仿真实现[J],微计算 机信息,2005 NO.31. [2]刘满华,任正云. 监控平台软件与 MATLAB 的 DDE 通讯,微型 电脑应用,2002,18(1):27~29 [3]闻新,周露等.MATLAB 模糊逻辑工具箱的分析与应用.北京: 科学出版社,2001.48~56
- 44 - 360 元 / 年 邮局订阅号:82-946

(上接第 17 页) 距离走动的优点,还能够同时消除距离弯曲对成像的影响;并且 由于引入了双通道处理机制,在大大消除杂波的影响的同时,利 用增加的系统自由度,提高参数估计能力,从而实现对运动目标 定位和成像。 该方法不改变传统的 SAR 成像流程, 的精确测速、 易于在已有的系统上进行更新,具有一定的应用价值。 本文作者创新点: 引入相位补偿因子,该相位补偿因子能消 除大部分距离弯曲, 实现了在一阶 Keystone 变换的过程中距离 走动和距离弯曲的同时校正。 参考文献 [1]魏芳,张大炜等.一种抑制 FMCW SAR 距离模糊的方法[J].微 计算机信息.2008,5-1:p297-298 [2]Perry, R., DiPietro, R., and Fante, R. SAR imaging of moving targets. IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems [J], Vol.35, No.1 ,1999, p188—200. [3]Daiyin Zhu, Yong Li, A Keystone Transform Without Interpola- tion for SAR Ground Moving-Target Imaging [J], IEEE Geoscience and Remote Sensing Letters, Vol.4, No.1, Jan 2007, p18-22 [4]周峰,李亚超,邢孟道,保铮,一种单通道 SAR 地面运动目标成 像和运动参数估计方法[J],电子学报,Vol.35, No.3, March 2007, p543-548 [5]W. E. Ng, C. B. Zhang, Simulated DPCA Performance for DualChannel SAR Processing, IGARSS'99 Proc IEEE 1999, Interna- tional. Hamburg, Germany: IEEE,1999,p547-549 [6]Sharma, J.J.; Gierull, C.H.; Collins, M.J., The influence of target acceleration on velocity estimation in dual-channel SAR-GMTI[J], Geoscience and Remote Sensing, IEEE Transactions on Volume 44, Issue 1, Jan. 2006, p 134 - 147 [7]Sharma, J.J.; Gierull, C.H.; Collins, M.J., Compensating the ef- fects of target acceleration in dual-channel SAR-GMTI [J], Radar, Sonar and Navigation, IEE Proceedings , Volume 153, Issue 1, 16 Feb. 2006 ,p 53 – 62 [8]孙泓波等.修正离散 Chirp-Fourier 变换及其在 SAR 运动目标 检测中的应用[J]. 电子学报. Vol.31 No.1. Jan. 2003. p25-28. 作者简介 :黄瑶(1981-),女(汉族),湖北宜昌人,三峡大学理学院讲 师,博士,主要从事合成孔径雷达信号处理研究。 Biography:HUANG Yao (1981 - ),Female (the Han nationality), Yichang, Hubei, College of Science, China Three Gorges University, Instructor, Doctor, SAR signal processing. (443002 湖北宜昌 三峡大学理学院 ) 黄 瑶 (College of Science, China Three Gorges University, Yichang, Hubei, 443002, China) HUANG Yao 通 讯 地 址 :(443002 湖 北 省 宜 昌 市 西 陵 区 大 学 路 8 号 三 峡 大 学 理学院 ) 黄 瑶
(收稿日期:2010.03.19)(修稿日期:2010.06.19)

《现场总线技术应用 200 例》


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