微机控制技术2007.03～06小蔡.doc

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1、第4章模糊控制器的设计由PID性能分析可知，对于水槽这种非线性、大惯性对象,常规PID控制需要的过渡过程时间较长，而且双水槽PID控制出现较大的超调，控制效果有待改善之处。模糊控制具有智能控制的思想，它可以将人的经验、智慧总结提炼成模糊规则,模仿人的控制经验而不依赖对象的模型进行直接推理。以下是模糊控制器的设计部分。模糊控制器的技术指标：稳态误差≤5%，超调量σ≤5%。单水槽模糊控制器要求：上升时间≤110s，过渡过程时间≤220s。双水槽模糊控制器要求：上升时间≤195s，过渡过程时间≤280s。4.1模糊控制策略4.1.1模糊控制器结构的选择在模糊控制系统中，有单变量模糊控制和多变

2、量模糊控制，本次设计只用一个主回路，因此属于单变量控制。在单变量模糊控制器中，本次设计选用二维模糊控制器，即以误差量和误差变化率作为模糊控制器的输入变量，以控制量U作为输出变量。二维模糊控制器又可以分为位置式模糊控制器和速度型模糊控制器。位置式模糊控制器相当于PD型（比例、微分）控制器，而速度型模糊控制器相当于PI型（比例、积分）控制器。三水槽液位控制系统要让水位升高到给定液位，是通过流量计在一定时间内的积分作用得到的。因此，为减少稳态误差，单水槽液位控制选择速度型模糊控制器。4.1.2模糊控制器的组成模糊控制器主要由模糊化接口、知识库、推理机和清晰化接口组成。现实中一般由计算机实现，

3、用计算机程序和硬件实现模糊控制算法，而它的算法实现目前主要有查表法、模糊单片机和软件模糊推理法等。查表法经过了模糊化、模糊推理和清晰化的过程，可以离线计算得到，模糊控制器在线运行时查表即可。针对三水槽液位控制实时性强的特点，要求能够快速反应，所以采用查表法。它具有结构简单、实现方便、在线运行速度快的特点。模糊控制器的组成框图如下[5]：图4-1模糊控制器的组成4.1.3模糊控制方案针对三水槽液位控制系统，具有非线性、滞后时间长的特点，为了获得较好的上升段特性和改善控制器的动态品质，对模糊控制器的输出实行分段选择输出。图4-2双水槽液位输出的阶跃响应⑴单水槽模糊控制方案对于单水槽液位控制

4、，当误差量<-ξ时，输出控制量UK为最大输出；当误差量-ξ<<0时，控制量UK以模糊控制器的输出量u(k)为准。控制量输出的表达式为：（误差量为实测液位减去给定液位之差，以下出现之处也皆为此意。）其中，为调节阀的最大输出，即全开状态；u(k)为模糊控制器的输出值；ξ为某一选定常数。⑵双水槽模糊控制方案与单水槽液位控制系统相比，双水槽液位控制系统惯性更大，滞后时间更长，控制难度更大。因此，控制量输出UK的划分区间要更详细。根据图4-2，控制量输出的表达式为其中，—调节阀最大输出；U1—调节阀某一开度（非全开）；u(k)—模糊控制器的输出值；、—不相等的常数，>。4.2语言变量分为五档的单

5、水槽模糊控制器设计4.2.1单水槽模糊控制系统框图模糊控制系统由控制器、输入输出接口、执行机构、被控对象和测量装置这五个基本环节组成。单水槽液位控制系统的输入输出接口为A/D、D/A转换装置，执行机构是调节阀，被控对象就是上水箱液位控制装置，测量装置为液位变送器、压力传感器。单水槽模糊控制系统的框图如图4-3所示：图4-3单水槽模糊控制系统框图图中，=-r=-=Δ+其中，、——误差变化率、误差量的量化因子；——控制增量U的比例因子。为了提高模糊控制的快速性和稳定性，需要对u(k-1)设置原始值uk0，使控制输出量u(k)在uk0的基础上进行增减，尽快让调节阀达到稳定状态。不同的液位对应

6、不同的原始值uk0，通过模糊程序对不同液位的调试确定不同的uk0。根据系统原理框图，得到程序流程图如下所示：开始计算的值计算，设和上下限引用模糊控制表控制量转换成实际输出值uk2调节阀=uk2结束ek<-4?？调节阀全开YESNO、模糊化图4-4单水槽模糊控制程序流程图4.2.2模糊化模糊化是确定各输入、输出量的变化范围及其对应语言变量的论域元素和量化因子、、。将误差E、误差变化率EC和控制量U对应的语言值分为5个等级，并将它们的论域定义如下：E、EC和U模糊集均为：{负大(NB)，负小(NS)，零(ZE)，正小(PS)，正大(PB)}E、EC和U的论域均为：{-4，-3，-2，-1，

7、0，1，2，3，4}对于单水箱液位控制系统，通过模糊控制程序的调试，得到的基本论域为[-4，0]；通过开环实验，测量单位时间内（1秒）误差变化量的范围为[-4，4],即误差变化率的基本论域为[-4，4]；输出控制增量U的基本论域为[-4，4]。因此，误差量E的量化因子为：=2*4/4=2误差变化率EC的量化因子为：=4/4=1输出控制量的比例因子为：=4/4=1在实验调试的过程中，为了得到合适的、、，调试过程花了较长时间，总结、、的大小对模糊控