基于單片機的液位模糊控制器設計論文
摘 要：液位控制由于其應用極其普遍，種類(lèi)繁多，其中不乏一些大型的復雜系統，譬如在石油化工等工業(yè)生產(chǎn)中。它主要有以下幾個(gè)特點(diǎn):
1、時(shí)滯性很大。在大型、復雜的液位控制系統中，當改變進(jìn)出容器的液體流量來(lái)控制液位時(shí)，控制效果在較長(cháng)的時(shí)間后才能得到體現，這會(huì )使得最后的穩態(tài)誤差較大，液位在期望值附近波動(dòng)。
2,時(shí)變性。液位控制一般是通過(guò)控制液體流入量的大小來(lái)控制液位的，流出量是根據后續工藝生產(chǎn)的需求而調節，這種需求的數量和速度是在不斷變化的。
3,非線(xiàn)性。容器內液體流出量不僅隨后續工藝生產(chǎn)需求變化，即使在控制閥門(mén)保持不變的情況下，實(shí)際的流出量也隨著(zhù)液位高度的變化而發(fā)生一種非線(xiàn)性的變化。這幾個(gè)特點(diǎn)，都嚴重影響PID控制的效果，當實(shí)際生產(chǎn)對控制有較高的性能指標要求時(shí)，就需要將智能控制方法引入到液位控制系統中來(lái)。
關(guān)鍵詞：模糊控制；液位；PID；單片機
1 模糊控制的基本原理
模糊控制屬于智能控制的范疇，它是以模糊數學(xué)和模糊邏輯為理論基礎、模仿人的思維方式而統籌考慮的一種控制方式。 它是以模糊集合論、模糊語(yǔ)言變量和模糊邏輯推理為基礎的一種計算機數字控制。模糊控制模仿人的思維方式，計算控制量時(shí)并不需要參數的精確量，而是以參數的模糊信息為基礎，通過(guò)模糊推理得到控制量的模糊形式，然后再經(jīng)過(guò)反模糊化處理輸出具體的控制量。
模糊控制器的'設計的基本原理
1． 在采樣時(shí)刻，采樣系統的輸出值，然后根據所選擇的系統的輸入變量來(lái)進(jìn)行計算，得到輸入變量的具體值。一般系統通常選擇誤差及誤差的變化情況作為輸入變量。
2． 將輸入變量的精確值變?yōu)槟：�。當然，在這之前需要先確定模糊變量的基本論域、模糊子集論域、模糊詞集及隸屬函數。系統中輸入變量的實(shí)際變化范圍稱(chēng)為變量的基本論域，對于模糊控制輸入所要求的變化范圍稱(chēng)為它們的模糊子集論域。模糊子集論域的確定和下一步的模糊推理中需要的模糊值有關(guān)。模糊值可用模糊詞集來(lái)表示，人們對數值的模糊表示一般可用大、中、小加以區別，再加上正負模糊詞集就可表示為：
{負 大 ， 負中，負小，零，正小，正中，正大}
一般系統的輸入變量的模糊子集論域所含的元素個(gè)數應為詞集總數的兩倍以上，這樣才能確保模糊詞集能較好地覆蓋
模糊子集論域，避免出現失控現象。針對上面選用的模糊詞集，模糊子集論域可選擇為
{-6 ， -5 ，-4，-3，-2，一1,0 , 1,2 ,3 ,4 ,5 ,6 }
對于一個(gè)模糊控制系統，它的控制器輸入變量的實(shí)際范圍一般不會(huì )正好和模糊子集論域一致，這時(shí)就需要進(jìn)行轉化。假如基本論域為[a. b]，模糊子集論域為[m, n]，則將一個(gè)精確輸入量x轉化到模糊子集論域中的變量Y是通過(guò)以下公式來(lái)實(shí)現的。
y=(n-m)*[x-(b-a)/2]/(b-a)
模糊 子 集 論域和模糊詞集之間是通過(guò)隸屬函數來(lái)聯(lián)系的。模糊變量的隸屬函數就和普通變量的特征函數一樣，但它的取值范圍并不是單純的0或1，而是在[0, 1]之間連續變化。隸屬函數的形狀常采用梯形、三角形、鐘形、高斯形等。在實(shí)際應用中，為方便起見(jiàn)，采用三角形的較多。
3． 根據上一步得到的輸入變量(模糊量)及模糊控制規則，按模糊推理合成規則計算控制量(模糊量)。模糊控制規則是根據操作者的經(jīng)驗或專(zhuān)家的知識，用if， then描述的一組條件語(yǔ)句。
4． 控制量的模糊量轉化為精確量。上一步雖然通過(guò)模糊推理得到了控制量，但它是模糊形式的，而真正的執行機構不能接受模糊量，只能接受精確量，所以必須把控制量由模糊形式轉化為精確形式，這一步也叫做解模糊化。
2 模糊控制器的設計過(guò)程
2.1模糊控制器的結構設計
模糊控制器的結構設計是指確定模糊控制器的輸入變量和輸出變量。模糊控制器輸入變量的個(gè)數稱(chēng)為模糊控制器的維數，目前廣泛采用的均為二維模糊控制器.在此我們也選擇這一結構形式。我們設計的是液位模糊控制器，就選擇液位的
誤差和誤差的變化作為模糊控制器的輸入變量，分別記作E, Ec。模糊控制器的輸出應該是用來(lái)控制液位的，液位實(shí)際上就是受流入量和流出量的影響，而流出量是根據后續工藝不停的變化，是不可控的。所以模糊控制器的輸出就只有一個(gè)，作為控制流入量執行機構的控制量，記作U。對于模糊控制器的輸出，可以有兩種形式，一種是絕對的控制量輸出，另一種是增量方式輸出。在本次設計的模糊控制器中，我們選擇了絕對值輸出方式 。
2.2模糊控制規則的設計
控制規則的設計一般包括三部分內容：選擇描述輸入輸出變量的詞集，定義各模糊變量的模糊子集和建立模糊控制器的控制規則。下面就分別來(lái)進(jìn)行說(shuō)明：
1.選擇描述輸入、輸出變量的詞集
對于液位誤差、誤差變化率及控制量我們選用相同的模糊詞集，都用自然語(yǔ)言大、中、小來(lái)進(jìn)行描述，將大、中、小再加上正、負兩個(gè)方向并考慮變量的零狀態(tài)，共有七個(gè)詞匯，即
{負 大 ， 負 中 ，負小，零，正小，正中，正大}
為敘述方便，用英文字頭縮寫(xiě)表示為
{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.定義各模糊變量的模糊子集
定義一個(gè)模糊子集，實(shí)際上就是要確定模糊子集隸屬函數曲線(xiàn)的形狀。對于輸入變量誤差和誤差變化率，我們選用的模糊子集論域和隸屬函數曲線(xiàn)都完全一致，所以在此就只針對誤差的模糊子集的確定來(lái)進(jìn)行說(shuō)明。誤差的模糊子集論域取[-6,6 ]之間，然后離散化，只取整數，所以它的模糊子集論域可表示為
{-6 ，-5 ，-4，-3，-2，-1,0 ,1 ,2 ,3 ,4 ,5 ,6 }
其中有13個(gè)元素，而模糊詞集中有7個(gè)元素，基本滿(mǎn)足了二倍的關(guān)系，可以保證不會(huì )出現失控現象。為了計算方便，將隸屬函數曲線(xiàn)都選為三角形形式，而且根據經(jīng)驗，在靠近0附近，三角形的形狀選的窄一些，這樣有利于提高靈敏度，抑制超調。在遠離0的地方，三角形的形狀選的寬一些，因為這時(shí)候誤差還很大，不會(huì )引起超調。至于三角形具體形狀及位置的有關(guān)參數，是根據經(jīng)驗初步確定的，在控制器調試的時(shí)候還需要對這些進(jìn)行反復的修改。
【基于單片機的液位模糊控制器設計論文】相關(guān)文章：
基于多單片機的串口擴展設計論文11-17
基于單片機的倒車(chē)雷達設計論文開(kāi)題報告12-03
超導磁體低溫液位監測單元的設計與實(shí)現論文11-13
一種基于單片機的可控成像系統設計論文11-08
基于模糊判別模式的近因識別論文05-27