基于Matlab的水位模糊控制系统设计与仿真教程
基于Matlab的水位模糊控制系统设计与仿真教程
本文将详细介绍如何使用Matlab进行水位模糊控制系统的仿真设计。从Matlab环境的搭建到模糊控制器的具体实现，再到最终的Simulink仿真验证，本文将手把手带你完成整个设计流程。
一、Matlab环境搭建
为了完成本教程，你需要先安装Matlab 2019b版本。你可以通过各种渠道获取安装包，安装过程中请参考相应的安装说明书。
二、模糊控制系统设计过程
1. 设计步骤
模糊控制系统的设计主要包括以下几个步骤：
- 确定模糊控制系统的输入和输出变量及其量化方式
- 建立模糊规则库，描述输入变量与输出变量之间的模糊关系
- 确定模糊规则的权重和连接方式
- 采用模糊推理方法，构建输入与输出的映射关系
- 进行仿真验证和优化
2. 系统变量定义
输入变量：
液位偏差（E）：设定液位高度（r）与实测液位高度（y）之差
液位偏差变化率（EC）
输出变量：
控制阀门开度（U）
3. 变量空间分割
液位偏差（E）：
论域：X = {-1, 0, 1}
语言值：{high，okay，low}，分别表示水位偏高、正好、偏低
液位偏差变化率（EC）：
论域：Y = {-0.1, 0, 0.1}
语言值：{negative, none, positive}，分别表示水位下降、不变、上升
控制阀门开度（U）：
论域：{-1, -0.5, 0, 0.5, 1}
语言值：{close-fast, close-slow, no-change, open-slow, open-fast}，分别表示快关、慢关、不变、慢开、快开
4. 隶属度函数
- level和rate采用高斯型隶属函数
- valve采用高斯形隶属度函数
5. 控制器结构
模糊控制器的结构如图1所示，其中虚线框内的为模糊控制器，执行机构为阀门，被控对象为水箱的液位高度。
三、建立Matlab模糊系统
1. 创建模糊系统窗口
在命令行窗口输入fuzzy命令，建立模糊系统窗口。控制器结构采用二维模糊控制器，输入变量为误差（level）及误差变化率（rate），输出变量为阀门开度（valve）。采用Mamdani的关系矩阵法。
2. 设置隶属度函数
- level的隶属度函数设置：
- 打开隶属度函数设置界面
- 添加三条高斯隶属函数
- 调整论域并重命名每条线
- rate的隶属度函数设置：
- 操作与level类似
- 添加三条高斯隶属函数
- valve的隶属度函数设置：
- 添加五条高斯隶属函数
- 调整论域并重命名每条线
3. 编制规则表
根据液位模糊控制规则表，在FUZZY控制器中填写规则。在view中可以查看Rules和FIS输出量曲面观测窗。
4. 保存模糊控制器
完成基本模糊控制器的设定后，将其保存在桌面的文件夹中。
四、Simulink仿真
1. 搭建Simulink模型
建立基于模糊控制器的液位模糊控制的Simulink模型。整体框图如图12所示。
2. 仿真设置
选择合适的模块，构建模糊控制系统仿真结构。在library browser中寻找所需模块，设置sum模块为+-，调整传递函数参数，设置stop time在300-500之间。
3. 仿真结果
将保存的模糊控制器导入Simulink模型中，运行仿真。仿真结果如图15所示，蓝色线表示给定输入，黄色线表示实际液位变化。从结果可以看出，该模糊控制器能够实现无静差控制，但快速性较差。控制规则中误差变化起的作用较大，可以使系统尽快稳定，且没有超调现象。因此，该模糊控制器适用于液位偏差较小、系统接近稳态的情况。