基于单片机的液位模糊控制器设计论文

2020-06-20实用文

  摘 要:液位控制由于其应用极其普遍,种类繁多,其中不乏一些大型的复杂系统,譬如在石油化工等工业生产中。它主要有以下几个特点:

  1、时滞性很大。在大型、复杂的液位控制系统中,当改变进出容器的液体流量来控制液位时,控制效果在较长的时间后才能得到体现,这会使得最后的稳态误差较大,液位在期望值附近波动。

  2,时变性。液位控制一般是通过控制液体流入量的大小来控制液位的,流出量是根据后续工艺生产的需求而调节,这种需求的数量和速度是在不断变化的。

  3,非线性。容器内液体流出量不仅随后续工艺生产需求变化,即使在控制阀门保持不变的情况下,实际的流出量也随着液位高度的变化而发生一种非线性的变化。这几个特点,都严重影响PID控制的效果,当实际生产对控制有较高的性能指标要求时,就需要将智能控制方法引入到液位控制系统中来。

  关键词:模糊控制;液位;PID;单片机

  1 模糊控制的基本原理

  模糊控制属于智能控制的范畴,它是以模糊数学和模糊逻辑为理论基础、模仿人的思维方式而统筹考虑的一种控制方式。 它是以模糊集合论、模糊语言变量和模糊逻辑推理为基础的一种计算机数字控制。模糊控制模仿人的思维方式,计算控制量时并不需要参数的精确量,而是以参数的模糊信息为基础,通过模糊推理得到控制量的模糊形式,然后再经过反模糊化处理输出具体的控制量。

  模糊控制器的设计的基本原理

  1. 在采样时刻,采样系统的输出值,然后根据所选择的系统的输入变量来进行计算,得到输入变量的具体值。一般系统通常选择误差及误差的变化情况作为输入变量。

  2. 将输入变量的精确值变为模糊量。当然,在这之前需要先确定模糊变量的基本论域、模糊子集论域、模糊词集及隶属函数。系统中输入变量的实际变化范围称为变量的基本论域,对于模糊控制输入所要求的变化范围称为它们的模糊子集论域。模糊子集论域的确定和下一步的模糊推理中需要的模糊值有关。模糊值可用模糊词集来表示,人们对数值的模糊表示一般可用大、中、小加以区别,再加上正负模糊词集就可表示为:

  {负 大 , 负中,负小,零,正小,正中,正大}

  一般系统的输入变量的'模糊子集论域所含的元素个数应为词集总数的两倍以上,这样才能确保模糊词集能较好地覆盖

  模糊子集论域,避免出现失控现象。针对上面选用的模糊词集,模糊子集论域可选择为

  {-6 , -5 ,-4,-3,-2,一1,0 , 1,2 ,3 ,4 ,5 ,6 }

  对于一个模糊控制系统,它的控制器输入变量的实际范围一般不会正好和模糊子集论域一致,这时就需要进行转化。假如基本论域为[a. b],模糊子集论域为[m, n],则将一个精确输入量x转化到模糊子集论域中的变量Y是通过以下公式来实现的。

  y=(n-m)*[x-(b-a)/2]/(b-a)

  模糊 子 集 论域和模糊词集之间是通过隶属函数来联系的。模糊变量的隶属函数就和普通变量的特征函数一样,但它的取值范围并不是单纯的0或1,而是在[0, 1]之间连续变化。隶属函数的形状常采用梯形、三角形、钟形、高斯形等。在实际应用中,为方便起见,采用三角形的较多。

  3. 根据上一步得到的输入变量(模糊量)及模糊控制规则,按模糊推理合成规则计算控制量(模糊量)。模糊控制规则是根据操作者的经验或专家的知识,用if, then描述的一组条件语句。

  4. 控制量的模糊量转化为精确量。上一步虽然通过模糊推理得到了控制量,但它是模糊形式的,而真正的执行机构不能接受模糊量,只能接受精确量,所以必须把控制量由模糊形式转化为精确形式,这一步也叫做解模糊化。

  2 模糊控制器的设计过程

  2.1模糊控制器的结构设计

  模糊控制器的结构设计是指确定模糊控制器的输入变量和输出变量。模糊控制器输入变量的个数称为模糊控制器的维数,目前广泛采用的均为二维模糊控制器.在此我们也选择这一结构形式。我们设计的是液位模糊控制器,就选择液位的

  误差和误差的变化作为模糊控制器的输入变量,分别记作E, Ec。模糊控制器的输出应该是用来控制液位的,液位实际上就是受流入量和流出量的影响,而流出量是根据后续工艺不停的变化,是不可控的。所以模糊控制器的输出就只有一个,作为控制流入量执行机构的控制量,记作U。对于模糊控制器的输出,可以有两种形式,一种是绝对的控制量输出,另一种是增量方式输出。在本次设计的模糊控制器中,我们选择了绝对值输出方式 。

  2.2模糊控制规则的设计

  控制规则的设计一般包括三部分内容:选择描述输入输出变量的词集,定义各模糊变量的模糊子集和建立模糊控制器的控制规则。下面就分别来进行说明:

  1.选择描述输入、输出变量的词集

  对于液位误差、误差变化率及控制量我们选用相同的模糊词集,都用自然语言大、中、小来进行描述,将大、中、小再加上正、负两个方向并考虑变量的零状态,共有七个词汇,即

  {负 大 , 负 中 ,负小,零,正小,正中,正大}

  为叙述方便,用英文字头缩写表示为

  {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.定义各模糊变量的模糊子集

  定义一个模糊子集,实际上就是要确定模糊子集隶属函数曲线的形状。对于输入变量误差和误差变化率,我们选用的模糊子集论域和隶属函数曲线都完全一致,所以在此就只针对误差的模糊子集的确定来进行说明。误差的模糊子集论域取[-6,6 ]之间,然后离散化,只取整数,所以它的模糊子集论域可表示为

  {-6 ,-5 ,-4,-3,-2,-1,0 ,1 ,2 ,3 ,4 ,5 ,6 }

  其中有13个元素,而模糊词集中有7个元素,基本满足了二倍的关系,可以保证不会出现失控现象。为了计算方便,将隶属函数曲线都选为三角形形式,而且根据经验,在靠近0附近,三角形的形状选的窄一些,这样有利于提高灵敏度,抑制超调。在远离0的地方,三角形的形状选的宽一些,因为这时候误差还很大,不会引起超调。至于三角形具体形状及位置的有关参数,是根据经验初步确定的,在控制器调试的时候还需要对这些进行反复的修改。

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