基于模糊模式的水箱水位控制系統(tǒng)

王建珍

摘 要： 設(shè)計了一種基于模糊模式的水箱水位控制系統(tǒng)，對當(dāng)前水位偏差和水流的速度通過模糊規(guī)則進行模糊推理，得出最佳的閥門開啟大小和速度，從而控制水位。Matlab仿真結(jié)果表明，該系統(tǒng)能快速控制水位達到設(shè)定值。

關(guān)鍵詞： 模糊控制； 水位； Matlab仿真； 響應(yīng)

中圖分類號： TP 273+.4 文獻標(biāo)志碼： A 文章編號： 1671-2153（2016）02-0089-03

0 引 言

為了滿足生產(chǎn)生活的需要，在鍋爐、熱水器等容器中常常需要控制水位恒定于設(shè)定值，但是容器中的水何時流出、流出量多少，又是實時隨機變化的，難以建立一個數(shù)學(xué)模型來表示水流出的情況[1]，因此無法很好地實現(xiàn)水位的自動控制。在此情況下，采用模糊控制的方法可以較好地解決這一問題。

模糊控制是在模糊集合理論、模糊邏輯推理基礎(chǔ)上建立起來的一種控制方法，它可以模擬人的思維方式[2]。模糊控制系統(tǒng)的核心和關(guān)鍵是模糊控制器，模糊控制器的性能直接影響水箱水位控制系統(tǒng)的性能。

1 模糊控制器的設(shè)計

水箱水位取決于水箱閥門的開啟大小和速度，而水箱閥門的開啟大小和速度又取決于水位偏差（設(shè)定水位減去實際水位）和水的流速[3]，所以本模糊控制器以水位偏差和水的流速為輸入，以閥門為輸出。輸入變量水位偏差的模糊論域為[-1 1]，其模糊子集為偏高 、正好、 偏低，其拐點參數(shù)分別為[0.3 -1]、[0.3 0] 、[0.3 1] ；輸入變量水的流速模糊論域為[-0.1 0.1]，其模糊子集有偏慢、正好、偏快，其拐點參數(shù)分別為[0.03 -0.1]、[0.03 0]、[0.03 0.1]；輸出變量閥門的模糊論域為[-1 1]，其模糊子集有快關(guān)、慢關(guān)、不變、慢開、快開，其拐點參數(shù)分別為[-1 -0.9 -0.8]、[-0.6 -0.5 -0.4]、[-0.1 0 0.1]、[0.2 0.3 0.4]、[0.8 0.9 1]，兩輸入變量的隸屬函數(shù)類型均為高斯型，輸出變量的隸屬函數(shù)類型為三角形。

在Matlab中，建立一個mamdani型的結(jié)構(gòu)文件，其輸入變量為“水位偏差”和“水的流速”，輸出變量為“閥門”，其“與”、“或”、“蘊含”、“綜合”、“清晰化”算法分別設(shè)為取小、取大、取小、取大、面積中心法。分別得到水位偏差、水的流速和閥門的隸屬度曲線如圖1所示。

根據(jù)操作經(jīng)驗得出閥門存在如下控制規(guī)則[4]：

如果水位偏差偏低，應(yīng)快開閥門；

如果水位偏差正好，閥門開度應(yīng)保持不變；

如果水位偏差偏高，應(yīng)快關(guān)閥門；

如果水位偏差正好而水的流速偏慢，應(yīng)慢開閥門；

如果水位偏差正好而水的流速偏快，應(yīng)慢關(guān)閥門；

在Matlab的Rule編輯器中編輯出如下5條規(guī)則語句：

if（水位偏差 is偏低）then（閥門 is 快開）；

if（水位偏差 is正好）then（閥門 is 不變）；

if（水位偏差 is偏高）then（閥門 is 快關(guān)）；

if（水位偏差 is正好）and（水的流速 is 偏慢）then（閥門 is慢開）；

if（水位偏差 is正好）and（水的流速 is 偏快）then（閥門 is慢關(guān)）；

其曲面圖如圖2所示。

2 仿真分析

用Matlab建立仿真模型[5]，結(jié)果如圖3所示。圖3中，閥門子系統(tǒng)和水箱模塊均為封裝子系統(tǒng)，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)分別如圖4和圖5所示。

圖3中，信號源輸出方波，方波的頻率設(shè)為0.1 rad/s，幅度為0.5，常數(shù)模塊輸出常數(shù)1，常數(shù)1和方波經(jīng)求和模塊1相加后輸出零點上移一個單位的方波，此為設(shè)定水位；在求和模塊2中設(shè)定水位和反饋回來的實際水位相減，輸出水位偏差，水箱輸出的水位經(jīng)微分模塊處理后得到水的流速， 水位偏差與水的流速作為兩個分量在合成模塊1中合成為一個向量輸入到模糊控制器中，模糊控制器的輸出量閥門輸入到閥門子系統(tǒng)去控制閥門的開啟大小和速度，從而控制水箱水位。在合成模塊2中輸入設(shè)定水位和實際水位，再通過對比顯示器顯示輸出方波信號與響應(yīng)信號溢出標(biāo)記的比較。

圖6為對比顯示器上輸出的波形。圖6中，方波信號代表設(shè)定水位，另一條信號為水箱輸出的響應(yīng)信號，代表實際水位。由圖6可以看出，響應(yīng)信號能在很短時間內(nèi)接近方波信號，對方波信號的跟隨性較好，表明水箱能在很短的時間內(nèi)達到設(shè)定的水位，從而保持水位的恒定。

3 結(jié) 論

容器中水流出情況變化無常，很難建立一個數(shù)學(xué)模型來表示水流出情況，而模糊控制無需建立數(shù)學(xué)模型，用水位偏差和水的流速通過模糊控制規(guī)則去控制閥門的開啟大小和速度。通過仿真分析可知，本文所設(shè)計的模糊控制系統(tǒng)具有響應(yīng)快速穩(wěn)定的特點，能很好地控制水位恒定于設(shè)定值。

參考文獻：

[1] 黃杰，秦補枝. 基于模糊控制的智能循跡小車的設(shè)計[J]. 制造，2010（20）：148-149.

[2] 石辛民，郝整清. 模糊控制及其MATLAB仿真[M]. 北京：清華大學(xué)出版社，北京大學(xué)出版社，2008：53.

[3] 劉帥，齊向東，王興. 基于PLC的模糊恒壓供水系統(tǒng)[J]. 工業(yè)控制計算機，2010（12）：51-54.

[4] 喬路. 交叉路口交通燈實時模糊控制系統(tǒng)研究[J]. 電子技術(shù)與軟件工程，2015（5）：190.

[5] 黃春香. 空氣加濕器模糊控制系統(tǒng)的設(shè)計[J]. 科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2015（34）：80.

（責(zé)任編輯：徐興華）