控制系统仿真
课程设计说明书
题 目：基于模糊控制器的纸浆浓度控制系统 学生姓名：刘雨辰
学 号：0705112121
专 业：测控技术与仪器
班 级：2007-1班
指导教师：梁丽
基于模糊控制器的纸浆浓度控制系统
摘要：在纸浆浓度调节中，由于传输滞后及执行器的惯性，尤其是动刀式浓度变送器采样周期长，采用数字PID 调节将产生严重的滞后效应。难以收到令人满意的结果。本文提出改进型模糊控制器并将其应用于纸浆浓度控制系统。该控制器利用预估算法克服纯滞后，利用模糊控制来提高系统的稳定性，仿真实验结果表明该方法可以提高系统的控制品质，实际应用表明了该控制器的优越性。用模糊调节取代PID 调节，具有控制精度高，响应速度快，稳定性好的优点。 关键词：模糊控制 纸浆浓度
Abstract ：In the process of pulp consistency control, digital PID regulating will bring serious lag effect, because of the transmission lag, the actuator's inertia,especially the long sampling period of the moving blade consistency transmitter. It's difficult to achieve satisfactory result. Improved fuzzy controller is proposed and applied to the pulp concentration control system. The controller algorithm is used to overcome the time delay estimated using the fuzzy control to improve system stability, simulation results show that the method can improve the control quality, practical applications show the superiority of the controller.In this paper, fuzzy regulating has such advantages as high control accuracy, quick response speed and good stability compared with PID regulating.
Key words ：Fuzzy control Pulp concentration
目录
摘要： . ........................................................................................................ I 目录 . ........................................................................................................... I I
第一章 绪论 .............................................................................................. 1
1.1引言 ................................................................................................ 1
1.2 SIMULINK 简介 . ....................................................................... 1
1.3 模糊控制器与MATLAB 仿真简介 . ........................................... 2
第二章 控制系统的设计 .......................................................................... 3
2.1系统组成 . ....................................................................................... 3
2.2系统参数 . ....................................................................................... 3
2.3控制规则与模糊控制表 . ............................................................... 4
2.4模糊控制器的设计 . ....................................................................... 4
2.5 系统仿真 . ...................................................................................... 7
设计总结 .................................................................................................... 8
参考文献 .................................................................................................... 9
第一章 绪论
1.1引言
自动控制技术已经广泛应用于工业、农业、交通运输业、航空及航天业、军事工业等众多产业部门。在现代科学研究与工程技术发展过程中，自动控制起着越来越重要的作用，在当今的社会生活中，自动化装置无处不在，为人类文明进步做出了重要贡献。在传统的纸浆浓度调节中, 由于电动执行器属于惯性环节，采用数字PID 调节会造成严重的滞后效应, 很难使系统取得良好的控制效果. 模糊逻辑控制是模糊语言形式的控制方法. 不需要预先知道被控对象结构、参数, 不需要建立被控对象的精确数学模型, 对对象时变及纯滞后有一定的适应性，本文采用模糊控制，利用Simulink 和模糊逻辑相结合的方法，对纸浆浓度控制系统进行设计仿真。
1.2 SIMULINK 简介
Simulink 是MATLAB 最重要的组件之一，它提供一个动态系统建模、仿真和综合分析的集成环境。在该环境中，无需大量书写程序，而只需要通过简单直观的鼠标操作，就可构造出复杂的系统。Simulink 具有适应面广、结构和流程清晰及仿真精细、贴近实际、效率高、灵活等优点，并基于以上优点Simulink 已被广泛应用于控制理论和数字信号处理的复杂仿真和设计。同时有大量的第三方软件和硬件可应用于或被要求应用于Simulink 。 Simulink 是MATLAB 中的一种可视化仿真工具， 是一种基于MATLAB 的框图设计环境，是实现动态系统建模、仿真和分析的一个软件包，被广泛应用于线性系统、非线性系统、数字控制及数字信号处理的建模和仿真中。Simulink 可以用连续采样时间、离散采样时间或两种混合的采样时间进行建模，它也支持多速率系统，也就是系统中的不同部分具有不同的采样速率。为了创建动态系统模型，Simulink 提供了一个建立模型方块图的图形用户接口(GUI) ，这个创建过程只需单击和拖动鼠标操作就能完成，它提供了一种更快捷、直接明了的方式，而且用户可以立即看到系统的仿真结果。
Simulink 是用于动态系统和嵌入式系统的多领域仿真和基于模型的设
计工具。对各种时变系统，包括通讯、控制、信号处理、视频处理和图像处理系统，Simulink 提供了交互式图形化环境和可定制模块库来对其进行设计、仿真、执行和测试。 构架在Simulink 基础之上的其他产品扩展了Simulink 多领域建模功能，也提供了用于设计、执行、验证和确认任务的相应工具。Simulink 与MATLAB® 紧密集成，可以直接访问MATLAB 大量的工具来进行算法研发、仿真的分析和可视化、批处理脚本的创建、建模环境的定制以及信号参数和测试数据的定义。
1.3 模糊控制器与MATLAB 仿真简介
模糊控制以模糊集合论作为其数学基础，通过计算机把操作人员在实践中积累的丰富经验形式化、语言化，并根据所得的语言控制规则进行模糊推理，给出模糊决策，将模糊量转化为精确量，作为馈送到被控对象（或过程）的控制作用。它不需要精确的数学模型，对调节对象参数的变化不敏感，具有很强的鲁棒性，因而可以克服传统的PID 控制中实时性差，受非线性因素影响大的缺点。
模糊控制器主要由以下四部分组成：模糊化接口、知识库、模糊推理机、解模糊接口。模糊化的作用是将输入的精确量转换成模糊化量，并用相应的模糊集合来表示。模糊推理是模糊控制器的核心，它具有模拟人的基于模糊概念的推理能力。该推理过程是基于模糊逻辑中的蕴涵关系及推理规则来进行的。知识库中包含了具体应用领域的知识和要求的控制目标。顾名思义，知识库中存贮着有关模糊控制器的一切知识，它们决定着模糊控制器的性能，是模糊控制器的核心。它通常由数据库和模糊控制规则库两部分组成。解模糊可以看作是模糊化的反过程，它要由模糊推理结果产生控制的数值，作为模糊控制器的输出。解模糊接口主要完成以下两项工作：解模糊和论域反变换。
当论域为离散量时，经过量化后的输入量个数是有限的。可以针对输入情况的不同组合离线计算出相应的控制量，从而组成一张控制表，能够减少在线的运算量。这种模糊控制方法很容易满足实时控制的要求。在这种模糊控制结构中，通常用误差e 和误差的导数de/dt作为模糊控制器的输入量。
第二章 控制系统的设计
2.1系统组成 在传统的纸浆浓度调节系统中，由于电动执行器属于惯性环节（1
1+Ts ），
被控对象也属于惯性和纯滞后环节（1
1+Ts e -Ts ），采用数字PID 调节必产生严重
的滞后效应，很难使系统取得良好的控制效果。模糊逻辑控制是模糊语言形式的控制方法，不需要预先知道被控对象结构、参数，不需要建立被控对象的精确数学模型，对对象时变及纯滞后有一定的适应性。因此，在新研制成功的微机化动刀式浓度变送调节器中采用两输入单输出型的模糊控制器来取代传统的PID 调节。本系统由模糊控制器、执行器、被控对象三部分组成（控制器的采样周期T=2S），其结构图如下
:
图 结构图
2.2系统参数
⑴输入量１：纸浆浓度偏差e 。
基本论域：-1.2%～1.2%纸浆浓度
量化论域：X={-6,-5,-4,-3,-2,-1,-0,+0,+1,+2,+3,+4,+5,+6}；
词集：NBe,NMe,NSe,ZOe,PSe,PMe,PBe 。
⑵输入量2：纸浆浓度偏差变化率ec 。
基本论域：-0.6%～0.6%
量化论域：Ｙ＝{-6,-5,-4,-3,-2,-1,-0,+0,+1,+2,+3,+4,+5,+6}；
词集：NBec,NMec,NSec,ZOec,PSec,PMec,PBec 。
⑶输出量Ｕ：阀门开度的增量。
基本论域：-12～12
量化论域：V={--7,-6,-5,-4,-3,-2,-1,-0,+0,+1,+2,+3,+4,+5,+6,+7}； 词集：NBu,NMu,NSu,ZOu,PSu,PMu,PBu 。
2.3控制规则与模糊控制表
2.4模糊控制器的设计
在matlab 软件环境下输入“Fuzzy ”，开始进行FIS 的建立。原始FIS 图形中，只有一个输入和一个输出。对于本次设计的需要，点击Edit 选项中的Addinput 选项，增加一个输入模块。并且更改输入及输出的名称，分别为输入：E 、EC 。输出：U 。其结果如下图所示：
用鼠标分别双击E 、EC 、U 可以更改其量化论域，根据系统参数设置为7条函数曲线，并依次重命名。结果如下图所示：
双击模糊控制规则模块，然后点击“Add rule”进行规则编辑，规则编辑完后，可以点击View/View rule 菜单选项中检查该模糊控制器的模糊推理过程是否与期望的相同。
根据控制规则与模糊控制表编辑好的FIS 如下图所示：
FIS 文件建立好之后，将其存入matlab 的workspace 中。
2.5 系统仿真
在simulink 环境中新建一个工作区域，在模块库中选择所需模块，建立仿真模型。如下图所示：
在系统的simulink 模型中，修改模糊逻辑控制器模块的名称使其与存入工作空间的FIS 的名称相同，打开Simulation 中的Simulation parameters 菜单进行仿真参数的设定，然后点击Simulation 中的Start 开始仿真。仿真曲线图如下图所示：
仿真结果显示，将模糊控制器运用与纸浆浓度控制系统当中，可以比使用PID 调节更完善的效果，有针对性的解决了滞后效应。
设计总结
本次设计虽然只有短短的一周，但是我又对自己的专业知识有了一个新的认识，在设计过程中也自学了很多，这种在实践中的学习使我有了很大的提高。大
四的我们马上就面临着毕业设计，本次课程设计成为毕业设计之前的最后一次锻炼。千里之行始于足下，这句话用在这再适合不过。在这次设计过程中，体现出自己单独设计模具的能力以及综合运用知识的能力，体会了学以致用、突出自己劳动成果的喜悦心情，从中发现自己平时学习的不足和薄弱环节，从而加以弥补。不仅对本门课程有了更深的理解，同时也复习了相关科目，独立思考能力也得到了很大的提升。
非常感谢梁老师，老师循循善诱的教导给予我很多的启迪，试验当中的每个细节也都离不开老师您的细心指导，同时感谢对我帮助过的同学们，谢谢你们对我的帮助和支持，让我能够很顺利的完成了这次课程设计。
参考文献
[1]李国勇. 控制系统数字仿真与CAD [M]，北京：电子工业出版社，2003，9
[2]薛定宇. 控制系统计算机辅助设计—MATLAB 语言及应用[M].北京：清华大学
出版社，1996
[3]闻新、周露、李东江等.MATLAB 模糊逻辑工具箱的分析与应用[M].北京：科学出版社，2001
[4]易继锴. 智能控制技术[M].北京：北京工业大学出版社，2003，4
控制系统仿真
课程设计说明书
题 目：基于模糊控制器的纸浆浓度控制系统 学生姓名：刘雨辰
学 号：0705112121
专 业：测控技术与仪器
班 级：2007-1班
指导教师：梁丽
基于模糊控制器的纸浆浓度控制系统
摘要：在纸浆浓度调节中，由于传输滞后及执行器的惯性，尤其是动刀式浓度变送器采样周期长，采用数字PID 调节将产生严重的滞后效应。难以收到令人满意的结果。本文提出改进型模糊控制器并将其应用于纸浆浓度控制系统。该控制器利用预估算法克服纯滞后，利用模糊控制来提高系统的稳定性，仿真实验结果表明该方法可以提高系统的控制品质，实际应用表明了该控制器的优越性。用模糊调节取代PID 调节，具有控制精度高，响应速度快，稳定性好的优点。 关键词：模糊控制 纸浆浓度
Abstract ：In the process of pulp consistency control, digital PID regulating will bring serious lag effect, because of the transmission lag, the actuator's inertia,especially the long sampling period of the moving blade consistency transmitter. It's difficult to achieve satisfactory result. Improved fuzzy controller is proposed and applied to the pulp concentration control system. The controller algorithm is used to overcome the time delay estimated using the fuzzy control to improve system stability, simulation results show that the method can improve the control quality, practical applications show the superiority of the controller.In this paper, fuzzy regulating has such advantages as high control accuracy, quick response speed and good stability compared with PID regulating.
Key words ：Fuzzy control Pulp concentration
目录
摘要： . ........................................................................................................ I 目录 . ........................................................................................................... I I
第一章 绪论 .............................................................................................. 1
1.1引言 ................................................................................................ 1
1.2 SIMULINK 简介 . ....................................................................... 1
1.3 模糊控制器与MATLAB 仿真简介 . ........................................... 2
第二章 控制系统的设计 .......................................................................... 3
2.1系统组成 . ....................................................................................... 3
2.2系统参数 . ....................................................................................... 3
2.3控制规则与模糊控制表 . ............................................................... 4
2.4模糊控制器的设计 . ....................................................................... 4
2.5 系统仿真 . ...................................................................................... 7
设计总结 .................................................................................................... 8
参考文献 .................................................................................................... 9
第一章 绪论
1.1引言
自动控制技术已经广泛应用于工业、农业、交通运输业、航空及航天业、军事工业等众多产业部门。在现代科学研究与工程技术发展过程中，自动控制起着越来越重要的作用，在当今的社会生活中，自动化装置无处不在，为人类文明进步做出了重要贡献。在传统的纸浆浓度调节中, 由于电动执行器属于惯性环节，采用数字PID 调节会造成严重的滞后效应, 很难使系统取得良好的控制效果. 模糊逻辑控制是模糊语言形式的控制方法. 不需要预先知道被控对象结构、参数, 不需要建立被控对象的精确数学模型, 对对象时变及纯滞后有一定的适应性，本文采用模糊控制，利用Simulink 和模糊逻辑相结合的方法，对纸浆浓度控制系统进行设计仿真。
1.2 SIMULINK 简介
Simulink 是MATLAB 最重要的组件之一，它提供一个动态系统建模、仿真和综合分析的集成环境。在该环境中，无需大量书写程序，而只需要通过简单直观的鼠标操作，就可构造出复杂的系统。Simulink 具有适应面广、结构和流程清晰及仿真精细、贴近实际、效率高、灵活等优点，并基于以上优点Simulink 已被广泛应用于控制理论和数字信号处理的复杂仿真和设计。同时有大量的第三方软件和硬件可应用于或被要求应用于Simulink 。 Simulink 是MATLAB 中的一种可视化仿真工具， 是一种基于MATLAB 的框图设计环境，是实现动态系统建模、仿真和分析的一个软件包，被广泛应用于线性系统、非线性系统、数字控制及数字信号处理的建模和仿真中。Simulink 可以用连续采样时间、离散采样时间或两种混合的采样时间进行建模，它也支持多速率系统，也就是系统中的不同部分具有不同的采样速率。为了创建动态系统模型，Simulink 提供了一个建立模型方块图的图形用户接口(GUI) ，这个创建过程只需单击和拖动鼠标操作就能完成，它提供了一种更快捷、直接明了的方式，而且用户可以立即看到系统的仿真结果。
Simulink 是用于动态系统和嵌入式系统的多领域仿真和基于模型的设
计工具。对各种时变系统，包括通讯、控制、信号处理、视频处理和图像处理系统，Simulink 提供了交互式图形化环境和可定制模块库来对其进行设计、仿真、执行和测试。 构架在Simulink 基础之上的其他产品扩展了Simulink 多领域建模功能，也提供了用于设计、执行、验证和确认任务的相应工具。Simulink 与MATLAB® 紧密集成，可以直接访问MATLAB 大量的工具来进行算法研发、仿真的分析和可视化、批处理脚本的创建、建模环境的定制以及信号参数和测试数据的定义。
1.3 模糊控制器与MATLAB 仿真简介
模糊控制以模糊集合论作为其数学基础，通过计算机把操作人员在实践中积累的丰富经验形式化、语言化，并根据所得的语言控制规则进行模糊推理，给出模糊决策，将模糊量转化为精确量，作为馈送到被控对象（或过程）的控制作用。它不需要精确的数学模型，对调节对象参数的变化不敏感，具有很强的鲁棒性，因而可以克服传统的PID 控制中实时性差，受非线性因素影响大的缺点。
模糊控制器主要由以下四部分组成：模糊化接口、知识库、模糊推理机、解模糊接口。模糊化的作用是将输入的精确量转换成模糊化量，并用相应的模糊集合来表示。模糊推理是模糊控制器的核心，它具有模拟人的基于模糊概念的推理能力。该推理过程是基于模糊逻辑中的蕴涵关系及推理规则来进行的。知识库中包含了具体应用领域的知识和要求的控制目标。顾名思义，知识库中存贮着有关模糊控制器的一切知识，它们决定着模糊控制器的性能，是模糊控制器的核心。它通常由数据库和模糊控制规则库两部分组成。解模糊可以看作是模糊化的反过程，它要由模糊推理结果产生控制的数值，作为模糊控制器的输出。解模糊接口主要完成以下两项工作：解模糊和论域反变换。
当论域为离散量时，经过量化后的输入量个数是有限的。可以针对输入情况的不同组合离线计算出相应的控制量，从而组成一张控制表，能够减少在线的运算量。这种模糊控制方法很容易满足实时控制的要求。在这种模糊控制结构中，通常用误差e 和误差的导数de/dt作为模糊控制器的输入量。
第二章 控制系统的设计
2.1系统组成 在传统的纸浆浓度调节系统中，由于电动执行器属于惯性环节（1
1+Ts ），
被控对象也属于惯性和纯滞后环节（1
1+Ts e -Ts ），采用数字PID 调节必产生严重
的滞后效应，很难使系统取得良好的控制效果。模糊逻辑控制是模糊语言形式的控制方法，不需要预先知道被控对象结构、参数，不需要建立被控对象的精确数学模型，对对象时变及纯滞后有一定的适应性。因此，在新研制成功的微机化动刀式浓度变送调节器中采用两输入单输出型的模糊控制器来取代传统的PID 调节。本系统由模糊控制器、执行器、被控对象三部分组成（控制器的采样周期T=2S），其结构图如下
:
图 结构图
2.2系统参数
⑴输入量１：纸浆浓度偏差e 。
基本论域：-1.2%～1.2%纸浆浓度
量化论域：X={-6,-5,-4,-3,-2,-1,-0,+0,+1,+2,+3,+4,+5,+6}；
词集：NBe,NMe,NSe,ZOe,PSe,PMe,PBe 。
⑵输入量2：纸浆浓度偏差变化率ec 。
基本论域：-0.6%～0.6%
量化论域：Ｙ＝{-6,-5,-4,-3,-2,-1,-0,+0,+1,+2,+3,+4,+5,+6}；
词集：NBec,NMec,NSec,ZOec,PSec,PMec,PBec 。
⑶输出量Ｕ：阀门开度的增量。
基本论域：-12～12
量化论域：V={--7,-6,-5,-4,-3,-2,-1,-0,+0,+1,+2,+3,+4,+5,+6,+7}； 词集：NBu,NMu,NSu,ZOu,PSu,PMu,PBu 。
2.3控制规则与模糊控制表
2.4模糊控制器的设计
在matlab 软件环境下输入“Fuzzy ”，开始进行FIS 的建立。原始FIS 图形中，只有一个输入和一个输出。对于本次设计的需要，点击Edit 选项中的Addinput 选项，增加一个输入模块。并且更改输入及输出的名称，分别为输入：E 、EC 。输出：U 。其结果如下图所示：
用鼠标分别双击E 、EC 、U 可以更改其量化论域，根据系统参数设置为7条函数曲线，并依次重命名。结果如下图所示：
双击模糊控制规则模块，然后点击“Add rule”进行规则编辑，规则编辑完后，可以点击View/View rule 菜单选项中检查该模糊控制器的模糊推理过程是否与期望的相同。
根据控制规则与模糊控制表编辑好的FIS 如下图所示：
FIS 文件建立好之后，将其存入matlab 的workspace 中。
2.5 系统仿真
在simulink 环境中新建一个工作区域，在模块库中选择所需模块，建立仿真模型。如下图所示：
在系统的simulink 模型中，修改模糊逻辑控制器模块的名称使其与存入工作空间的FIS 的名称相同，打开Simulation 中的Simulation parameters 菜单进行仿真参数的设定，然后点击Simulation 中的Start 开始仿真。仿真曲线图如下图所示：
仿真结果显示，将模糊控制器运用与纸浆浓度控制系统当中，可以比使用PID 调节更完善的效果，有针对性的解决了滞后效应。
设计总结
本次设计虽然只有短短的一周，但是我又对自己的专业知识有了一个新的认识，在设计过程中也自学了很多，这种在实践中的学习使我有了很大的提高。大
四的我们马上就面临着毕业设计，本次课程设计成为毕业设计之前的最后一次锻炼。千里之行始于足下，这句话用在这再适合不过。在这次设计过程中，体现出自己单独设计模具的能力以及综合运用知识的能力，体会了学以致用、突出自己劳动成果的喜悦心情，从中发现自己平时学习的不足和薄弱环节，从而加以弥补。不仅对本门课程有了更深的理解，同时也复习了相关科目，独立思考能力也得到了很大的提升。
非常感谢梁老师，老师循循善诱的教导给予我很多的启迪，试验当中的每个细节也都离不开老师您的细心指导，同时感谢对我帮助过的同学们，谢谢你们对我的帮助和支持，让我能够很顺利的完成了这次课程设计。
参考文献
[1]李国勇. 控制系统数字仿真与CAD [M]，北京：电子工业出版社，2003，9
[2]薛定宇. 控制系统计算机辅助设计—MATLAB 语言及应用[M].北京：清华大学
出版社，1996
[3]闻新、周露、李东江等.MATLAB 模糊逻辑工具箱的分析与应用[M].北京：科学出版社，2001
[4]易继锴. 智能控制技术[M].北京：北京工业大学出版社，2003，4