基于单片机的液位模糊控制器设计论文

　　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。

【基于单片机的液位模糊控制器设计论文】相关文章：

1.基于51单片机的盲文助读器系统设计研究论文

2.基于单片机温控智能风扇的设计研究论文

3.一种基于单片机的可控成像系统设计论文

4.基于单片机的倒车雷达设计论文开题报告

5.简析基于单片机的多用途定时器的设计论文

6.基于多单片机的串口扩展设计论文

7.基于MSP430单片机的太阳能LED自行车显示系统设计论文

8.基于单片机的Biped型机器人设计的创新策略论文