液位控制系统的模糊推理建模及仿真

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1、第卷第期模糊系统与数学年月文章编号单水箱液位控制系统的模糊推理建模及仿真王志新谷云东李洪兴北京师范大学数学科学学院北京华北电力大学北京数理学院北京中国青年政治学院北京摘要首先依据实际背景利用单水箱实验系统设计了几种典型的液位控制实验然后将模糊推理建模法应用于实际的单水箱液位控制系统中推导得到其数学模型即变系数线性微分方程组最后利用仿真实验检验了这些数学模型的准确性结果表明这种建模方法比较精确充分考虑了实际系统的非线性特性关键词液位控制实验设计模糊推理建模中图分类号文献标识码在人们生活以及工业生产等诸

2、多领域经常涉及到液位和流量的控制问题例如居民生活用水的供应饮料食品加工溶液过滤化工生产等多种行业的生产加工过程通常需要使用蓄液池蓄液池中的液位需要维持合适的高度既不能太满溢出造成浪费也不能过少而无法满足需求因此需要设计合适的控制器自动调整蓄液池的出入液流量使得蓄液池内液位保持正常水平以保证产品的质量和生产效益这些不同背景的实际问题都可以简化为某种水箱的液位控制问题为了提高此类液位控制系统的控制品质实验室引进了单水箱液位控制系统并对其进行深入一步的仿真分析在对系统进行仿真之前首先需要建立系统的数学模型

3、数学模型建立的合适与否直接关系到控制质量的优劣目前较为典型的建模方法是在实际生产中采用的系统辨识法即用一阶滞后系统来近似复杂的液位控制系统然后利用系统辨识的方法确定参数从而建立一个简化的数学模型另一种方法是机理建模法即根据实际系统的流体运动规律建立相应的液位控制系统的运动方程系统辨识法建立的模型是一种简化的模型模型精度不高机理建模法所建立的模型在理论上来讲是比较精确的但由于实际系统中存在很多干扰因素干扰造成模型准确度降低模型实用性差为了克服上述方法的不利因素文献提出了系统建模的第三种方法即模糊推理建

4、模方法这种方法根据输入量与输出量的逻辑关系得到模糊推理规则库然后将模糊推理规则库转变为某种分片的非线性方程组即变系数非线性微分方程组这种方法较适用于对系统的输入和输出有一收稿日期修订日期基金项目国家九七三重大基础研究计划基金资助项目教育部科学技术重点资助项目教育部博士点基金资助项目国家自然科学基金资助项目作者简介王志新女讲师博士研究生研究方向模糊系统系统仿真与智能控制等谷云东男博士后研究方向模糊系统智能控制数据挖掘综合决策和智能系统等李洪兴男教授博士生导师研究方向模糊系统智能控制和智能调度能等联系作

5、者李洪兴模糊系统与数学年定了解的复杂非线性系统并且抗干扰性比较强但是这种建模方法的可行性仍停留在理论层面上目前的文献还鲜有涉及其在实际系统中的应用工作本文研究实际的单水箱实验系统的模糊推理建模问题首先依据不同的实际背景利用单容水箱模拟实际生产系统中的蓄液容器设计了几种典型实验然后利用模糊推理建模方法对于单水箱液位控制实验系统的被控对象建立了数学模型最后通过仿真实验得到新模型的数据曲线验证了模糊推理建模方法在实际系统中的可行性单水箱液位控制系统的实验设计单水箱液位控制实验系统的结构如图所示它由一个水箱

6、一个液位传感器一个出水阀门一个入水阀门以及作为控制器的计算机组成在实验过程中水泵将水抽出后经过入水阀门进入柱形水箱然后通过出水阀门流出柱形水箱的进水流量和出水流量可分别由比例阀门进行调节图该实验系统的被控对象是装有入水阀门和出水阀门的单个水箱被控量是液位单容水箱液位控制实验系统能够模拟实际生产中的罐状容器蓄液池或贮液缸完成一些典型的液位控制实验例如随机出水的的单水箱供液系统液位控制实验和随机入水的单水箱排液系统液位控制实验等随机出水的单水箱供液系统液位控制实验在某些特殊液体的加工过程中例如啤酒灌装机

7、的贮液缸内存在等压的气相区和液相区贮液缸内液位的变化会直接影响到机器的正常运转和机器的生产能力以至影响啤酒的质量和产量因此需要适当调节送液阀开度来维持液位高度以保证生产的正常运转这些不同背景的实际问题都可看作是随机出水的单水箱供液系统液位控制问题为此设计随机出水的单水箱供液系统液位控制实验如下实验内容是设计合适的控制器根据检测的液位信号与设定值之间的偏差发出调控信号调节入水阀门的开度从而调整水箱入水量在出水存在干扰的情况下使得液位维持在一个设定值随机入水的单水箱排液系统液位控制实验在一些液体的处理过

8、程中例如乙烯工程污水处理厂的自动排水处理场流入蓄水池的液体流量是随机变化的通过调节液体的出水流量来调整蓄水池的液位高度这些实际问题可看作是随机入水的单水箱排液系统液位控制问题为此设计随机入水单水箱排液系统液位控制实验如下实验系统的结构参见图实验研究入水阀门处有干扰信号的单水箱液位控制问题控制器第期王志新谷云东等单水箱液位控制系统的模糊推理建模及仿真根据检测的液位信号与设定值之间的偏差发出调控信号调节出水阀门的开度改变出水的流量从而调整水箱液位高度使得水箱的液位保持在设