基于模糊控制的锅炉水位控制系统的设计与仿真.doc

1、 目录前言1第1章 锅炉水位控制系统介绍41.1锅炉的工艺过程41.2锅炉水位控制所采用的方法5第2章 锅炉水位模糊控制器的介绍82.1模糊控制基本原理82.1.1模糊控制的基本思想82.1.2模糊控制系统的组成与工作原理92.2模糊控制器的设计92.2.1模糊控制器的基本结构与组成102.3 模糊控制器参数的选择112.3.1 论域及基本论域112.3.2量化因子及比例因子122.3.3隶属度函数132.3.4 IfThen规则142.4 锅炉水位模糊控制的控制原理142.5模糊集、模糊论域及隶属函数的确立152.6建立模糊控制器的模糊控制规则16第3章 MATLAB模糊逻辑工具箱173.1

2、 MATLAB概述173.2 Simulink概述173.3 MATLAB模糊逻辑工具箱简介183.3.1模糊逻辑工具箱的特点183.3.2在模糊逻辑工具箱中构成模糊推理的步骤193.4利用模糊逻辑工具箱建立模糊推理系统193.5 MATLAB模糊逻辑工具箱的图形用户界面203.5.1模糊推理系统编辑器（FUZZY）213.5.2隶属函数编辑器（Mfedit）213.5.3模糊规则编辑器（Ruleedit）22第4章 系统仿真实现234.1 基于模糊控制器的仿真实现234.1.1建立锅炉给水仿真模型234.1.2模糊控制器仿真实现24第5章 仿真结果分析29结论31谢 辞32参考文献33摘 要

3、锅炉是我国工业生产和生活上应用面最广、数量最多的热力设备。在锅炉控制中锅炉水位控制系统是最重要的环节，维持锅炉水位在规定的范围内，是保证锅炉安全生产运行的必要条件，也是锅炉正常生产运行的主要指标之一。本文就锅炉水位为达到水位快速实时跟踪设定值，并维持锅炉水位不超出公差允许的范围方面的问题，采用模糊控制实现锅炉水位的最佳控制。在构建锅炉给水系统并建立锅炉水位调节数学模型的基础上，对整个系统进行仿真。其中本文注重的是利用Matlab软件下的模糊逻辑工具箱来仿真控制锅炉水位，搭建仿真模型图，利用一系列模糊控制规则，通过对量化因子、比例因子的调整，得到比较理想的控制效果。并且在最终通过模糊控制与常规P

4、I控制的比较，模糊控制下响应曲线的快速性，稳定性，来说明模糊控制在锅炉水位方面的优越性能。关键词：锅炉水位控制，模糊控制，Matlab仿真The design of the boiler water level control system based on fuzzy control and simulationABSTRACT Boiler is the most widely used in industrial production and life in China, the largest number of thermal equipment. Boiler water leve

5、l control in boiler control system is one of the most important link, to maintain boiler water level within the prescribed scope, is the necessary condition to ensure the safety of boiler operation, is also one of the main index in the normal production of the boiler operation. In this paper, the bo

6、iler water level water level to achieve rapid real-time tracking Settings, and maintain the boiler water level is not beyond the scope of tolerance allowed problems, using fuzzy control to achieve optimal control of boiler water level. In the construction of boiler feed water system and establish th

7、e boiler water level control, on the basis of mathematical model, simulation of the whole system. Of which this paper focuses on using the Matlab software under the control of boiler water level fuzzy logic toolbox to simulation, set up the simulation model diagram, using a series of fuzzy control r

8、ules, through the quantization factor and scaling factor adjustment, get ideal control effect. And in the end by comparing fuzzy control with conventional PI control.KEY WORDS: Boiler water level control，fuzzycontroller，matlab simulate7前言锅炉作为能源转换和消耗设备已经有两百多年的历史了，锅炉工业的迅速发展是近几年的事情，国外的锅炉工业50年代发展最快，70年代

9、达到高峰。出于历史原因，我国锅炉自动控制的水平一直较低。然而锅炉是我国工业生产和生活上应用面最广、数量最多的热力设备，由于锅炉往往负荷变化大，起停频繁，依靠人工操作很难保证其安全、稳定地长期运行。工业锅炉是在工业生产中利用燃烧或其他热源将介质加热到额定参数的动力设备，是一种结构特殊、复杂的常用特种设备其显著特点就是锅炉水位变化速度极快，稍不注意，水位过高就会容易造成汽包满水，水位过低又会影响自然循环的正常进行，严重时会使个别上水管壁局部过热而爆管；因此，一台锅炉是否能安全、可靠、有效地运行，锅炉水位高度是其重要考核指标之一。在锅炉控制中锅炉水位控制系统是最重要的环节，维持锅炉水位在规定的范围内

10、，是保证锅炉安全生产运行的必要条件，也是锅炉正常生产运行的主要指标之一。水位过高，会影响汽水分离效果，使汽包出口的饱和蒸汽带水增多，蒸汽带水会使汽轮机产生水冲击，引起轴封破损，叶片断裂等；水位过低，则可能造成水的极速蒸发，汽水自然循环破坏，局部水冷管壁被烧坏，严重时造成爆炸事故。因此，锅炉水位必须严加控制。随着锅炉容量的增大，锅炉负荷变化对水位的影响加剧了，对给水控制提出了更高的要求。锅炉工作压力的提高，使给水调节阀和给水管道系统变的相应复杂，调节阀的流量特性更不易满足控制系统的要求。因此，随着汽包锅炉朝着大容量、高参数的发展，给水系统采用自动控制是必不可少的，它可以保证水位控制的准确性，保证

11、锅炉运行的安全可靠，而且大大减轻运行工作人员的工作强度，减少人为因素的影响。国内外常见的锅炉水位控制系统有：单冲量控制系统、双冲量控制系统、三冲量控制系统、智能控制系统。单冲量控制系统是指以锅炉汽包水位为被控参数，给水量作为控制变量可构成的单冲量控制系统。由于蒸汽负荷变化时存在假水位的问题，此系统不能解决此问题，故只适用于负荷变动较小的锅炉。双冲量控制系统是指前馈-反馈复合控制系统，即给水量不仅取决于汽包水位，还受到蒸汽用量影响。由此可见该控制方案能有效适应负荷需求变化，但对给水系统中的水压等干扰因素造成的波动不能及时抑制。三冲量控制系统是指前馈-串级复合控制系统，所谓三冲量，指得是引入了三个

12、测量信号：汽包水位、给水流量和蒸汽流量。主回路实现水位调节，副回路使给水流量能适应负荷和水位要求。三冲量调节系统能及时克服负荷(蒸汽量)和给水流量的干扰作用，调节精度较高，适用于汽包容积较小、负荷和给水干扰较大的场合。智能控制的发展得益于人工智能、认知科学、模糊集理论和生物控制论等许多学科的发展。其中的模糊控制是通过对工业锅炉汽包水位系统的动态特性的分析，确定系统模型，调整系统各个参数，把给水量作为控制量，汽包水位作为输出量，以及对控制量和输出量分别作改变。由于锅炉的水位经常受到负荷变化、进出水速度、水质、时滞性、非线性成分较大等诸多因素的影响，采用常规的自动控制方式往往不能达到理想的控制效果

13、，模糊控制器具有不依赖于控制对象精确数学模型、能适应被控参数的变化、更好的鲁棒性和自适应能力等优点 ，比较适合解决这类复杂系统的控制问题。模糊控制是以模糊集合理论为基础的一种新兴的控制手段，它是模糊系统理论和模糊技术与自动控制技术相结合的产物。与传统的控制方法相比，模糊控制系统依赖于行为规则库。由于是用自然语言表达的规则，更接近于人的思维方法和推理习惯，因此，便于现场操作人员的理解和使用，便于人机对话，以得到更有效的控制规律，且不需要根据机理与分析建立被控对象的数学模型。在传统的控制理论中，线性系统理论比较成熟。对于具有非线性特性的控制对象，虽然也有一些非线性控制的方法，但总的来说，非线性控制

14、理论还很不成熟，而且方法也比较复杂。采用模糊控制的方法往往可以较好地解决非线性系统的控制问题。 自从这门科学诞生以来，它产生了许多探索性甚至是突破性的研究与应用成果，同时，这一方法也逐步成为了人们思考问题的重要方法论。对于锅炉水位控制系统的设计，可以选择在Matlab的Simulink环境下对其系统进行仿真，Simulink具有非常高的开放性，提倡将模型通过框图表示出来，或者将已有的模型添加组合到一起，或者将自己创建的模块添加到模型当中。Simulink具有较高的交互性，允许随意修改模块参数，并且可以直接无缝地使用MATLAB的所有分析工具。对最后得到的结果可进行分析，并能够将结果可视化显示。

15、本课题用传统PI控制与模糊控制通过响应曲线的比较，来说明模糊控制在锅炉水位控制方面更加优异于传统的PI控制，更能达到实时追踪并保持锅炉水位在一定的工艺范围内变化。本课题要解决的主要问题：（1）设计合理的模糊控制器；（2）确立正确的隶属度函数；（3）建立正确的模糊规则库；（4）用matlab仿真出模糊控制与PID控制的曲线。本课题通过模糊控制与传统PI控制的仿真图像的比较，来显示模糊控制的抗干扰能力和鲁棒性。从而说明模糊控制理论在锅炉水位控制方面的应用前景。同时,对于其他类似的工业过程控制也是一种值得借鉴的控制方式。 第1章 锅炉水位控制系统介绍1.1锅炉的工艺过程锅炉是过程工业中必不可少的动力

16、设备，它所产生的蒸汽不仅可以供生产过程作为热源，而且还可以作为蒸汽透平的动力源。随着工业生产过程规模的不断扩大，生产过程不断强化，作为全厂动力和热源的锅炉设备，亦向大容量、高参数、高效率方向发展。锅炉控制装置中的汽包水位是影响锅炉安全运行的重要参数，水位过高会导致蒸汽带水进入过热器并在过热器内结垢，影响传热效率，严重的将引起过热管爆管；水位过低又将破坏部分水冷壁的水循环，引起水冷壁局部过热而爆管。锅炉控制装置其主要的任务是保证锅炉的安全、稳定运行，同时减轻工作人员的劳动强度，确保人员的人身安全。为了确保锅炉控制的安全，我们必须了解锅炉工作系统的原理1。锅炉工作系统主要由锅炉内胆、液位传感器、变

17、送器、控制器、各种阀门及相关的管道组成。用液位测量信号作为控制信号，经变送器送到水位控制器，然后根据测量值与设定值的偏差及偏差变化率来控制给水调节阀的开度，从而改变给水量，以此来保证水位位置在设计定的误差范围内。锅炉工作系统示意图如下图1-1所示。图1-1锅炉工作系统示意图1.2锅炉水位控制所采用的方法锅炉水位控制系统经历的控制方法的改进过程如下：（1）PID控制1932年出生在瑞典后来移民美国的奈奎斯特（HNyquist）发表了论文，采用图形的方法来判断系统的稳定性。在其基础上伯德（HWBode）等人建立了一套在频域范围设计反馈放大器的方法。这套方法，后来也用于自动控制系统的分析与设计。与此

18、同时，反馈控制原理开始应用于工业过程中。1936年英国的考伦德（ACallender）和斯蒂文森（AStevenson）等人给出了PID控制器的方法。PID控制是在自动控制技术中占有非常重要地位的控制方法。PID控制器由比例单元（P）、积分单元（I）和微分单元（D）组成。PID控制的优点是原理简单，使用方便；适应性强；鲁棒性强；抗干扰能力。然而PID在控制非线性、时变、耦合及参数和结构不确定的复杂过程时，工作得不是太好。最重要的是，如果PID控制器不能控制复杂过程，无论怎么调参数都没用，这显示了PID控制的局限性。（2）模糊控制模糊逻辑控制(FuzzyLogicControl)简称模糊控制(F

19、uzzyControl)，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技术。1965年，美国的L.A.Zadeh创立了模糊集合论；1973年又进一步研究了模糊语言处理，这些理论研究给模糊控制理论提供了数学依据，为模糊推理打下了理论基础，使得有人的经验参与的控制过程成为了实际可能。1974年，英国伦敦大学教授马丹（EHMamdanU)制造出当时世界上第一个用于锅炉和蒸汽机控制的模糊控制器，这一开拓性的工作标志着模糊控制论的诞生。模糊控制是以模糊集合论、模糊语言变量以及模糊逻辑推理为基础的一种计算机控制方法。从控制器的智能性来看，模糊控制属于智能控制的范畴，是智能控制的主要

20、方法之一。它是控制理论发展的高级阶段的产物，主要用来解决那些传统方法难以解决的复杂系统的控制问题，它的研究对象具有模型不确定性、非线性，复杂的任务要求的特点。模糊控制具有的突出特点2：(1)模糊控制是一种基于规则的控制，它直接采用语言型控制规则，出发点是现场操作人员的控制经验或相关专家的知识，在设计中不需要建立被控对象的精确的数学模型，因而使得控制机理和策略易于接受与理解，设计简单，便于应用。 (2)由工业过程的定性认识出发，比较容易建立语言控制规则，因而模糊控制对那些数学模型难以获取，动态特性不易掌握或变化非常显著的对象非常适用。 (3)基于模型的控制算法及系统设计方法，由于出发点和性能指标

21、的不同，容易导致较大差异；但一个系统语言控制规则却具有相对的独立性，利用这些控制规律间的模糊连接，容易找到折中的选择，使控制效果优于常规控制器。 (4)模糊控制是基于启发性的知识及语言决策规则设计的，这有利于模拟人工控制的过程和方法，增强控制系统的适应能力，使之具有一定的智能水平。 (5)模糊控制系统的鲁棒性强，干扰和参数变化对控制效果的影响被大大减弱，尤其适合于非线性、时变及纯滞后系统的控制。锅炉液位是锅炉运行中的一个重要的监控参数，它间接地表示了锅炉负荷和给水的平衡关系，维持汽包水位是保持汽机和锅炉安全运行的重要条件。随着锅炉参数的提高和容量的扩大，对给水控制提出了更高的要求，其主要原因有

22、3：（1)汽包的个数和体积减少，使汽包的蓄水量和蒸发面积减少，从而加快了汽包水位的变化速度；(2)锅炉容量的增大，显著地提高了锅炉蒸发受热面的热负荷，使锅炉负荷变化对水位的影响加剧了：(3)提高了锅炉的工作压力，使进水调节阀和进水管道系统相应复杂，调节阀的流量特性更不易满足控制系统的要求。由此可见，随着锅炉朝大容量、高参数发展，进水系统采用自动控制是必不可少的，它可以大大减轻运行人员的劳动强度，保证锅炉的安全运行。对于大容量高参数锅炉，其进水控制系统将是非常复杂而完善的。鉴于锅炉水位控制的特点，我们在此选择模糊控制来解决锅炉水位控制难的问题。洛阳理工学院毕业设计（论文）第2章 锅炉水位模糊控制

23、器的介绍2.1模糊控制基本原理2.1.1模糊控制的基本思想在自动控制技术产生之前，人们在生产过程中只能采用手动控制方式。手动控制过程首先是通过观测被控对象的输出，其次是根据观测结果做出决策，然后手动调整输入，操作工人就是这样不断地观测决策调整，实现对生产过程的手动控制。这三个步骤分别是靠人来完成的。后来，由于科学和技术的进步，人们逐渐采用各种测量装置代替人眼，完成对被控制量的观测任务；利用各种控制来取代大脑的作用，实现比较、综合被控制量与给定量之间的偏差，控制器所给出的输出信号相当于人脑的决策；使用各种执行机构对被控对象施加某种控制作用，这就起到了手动控制中手的调整作用4。经过人们长期研究和实

24、践形成的经典控制理论，对于解决定常系统的控制问题是很有效的。然而，对于许多控制系统都需要事先知道被控对象精确的数学模型，经典控制理论对于非线性系统难以奏效。在这样的事实面前，人们重新研究考虑人的控制行为有什么特点，能否对于无法构造数学模型的对象让计算机模拟人的思维方式，进行模糊决策。总结人的控制行为，正是遵循反馈及反馈控制的思想。人的手动控制决策可以用语言加以描述，总结成一系列条件语句，即控制规则。运用微机的程序来实现这些控制规则，微机就起到了控制器的作用。于是，利用微机取代人可以对被控对象进行自动控制。在描述控制规则的条件语句中的一些词，“较大”、“较小”、“偏高”都具有一定的模糊性，因此用

25、模糊集合来描述这些模糊条件语句，即组成了所谓的模糊控制器。1974年马丹尼首先设计了模糊控制器，并运用于锅炉和蒸汽机的控制，取得了成功。模糊语言控制器模糊控制论、模糊自动控制等概念，就此诞生了。2.1.2模糊控制系统的组成与工作原理模糊控制系统主要有以下四个部分组成2：（1）模糊控制器；它是模糊控制系统的核心，它是以模糊逻辑推理为主要组成部分，同时又具有模糊化和去模糊化功能的控制器，根据控制系统的需要，即可选用系统机，又可选用单片机。（2）输入/输出接口装置；通过输入/输出接口从被控对象获取数字信号，送至模糊控制器，并将模糊控制器决策出的输出数字信号经过数模转换，将其转变为模拟信号，送给执行机

26、构去控制被控对象。(3)广义对象；包括被控对象与执行机构，被控对象可以是线性的，也可以是非线性的、定常或时变的等多种情况，(4)传感器；传感器将被控对象或将各种被控量转换为电信号，它在模糊控制系统中占有非常熏要的位置，因此它的精度影响着整个控制系统的精度。模糊控制系统的工作原理：微机经中断采样获取被控制量的精确值，然后将此量与给定值比较得到偏差信号。一般选偏差信号e作为模糊控制器的一个输入量，把偏差信号e的精确量进行模糊化变成模糊量，偏差e的模糊量可以用相应的模糊语言表示，得到了偏差e的模糊语言集合的一个子集。再由模糊子集和模糊控制规则（模糊关系）根据模糊推理的合成规则进行模糊决策，得到模糊控

27、制量为u=eR2.2模糊控制器的设计模糊控制器在模糊控制自动控制系统中具有举足轻重的作用，因此在模糊控制系统中，设计和调整模糊控制器的工作是很重要的。模糊控制器的设计包括以下几项内容6：（1）确定模糊控制器的输入变量和输出变量。（2）设计模糊控制器的控制规则。（3）确立模糊化和非模糊化的方法。（4）选择模糊控制器的输入变量及输出变量的论域并确定模糊控制器的参数(如量化因子、比例因子)。（5）编辑模糊控制算法的应用程序。（6）合理选择模糊控制算法的采样时间。 2.2.1模糊控制器的基本结构与组成模糊逻辑控制器（Fuzzy Logic Controller，FLC）简称为模糊控制器（Fuzzy C

28、ontroller，FC），因为模糊控制器的控制规则是基于模糊条件语句描述的语言控制规则，所以模糊控制器又称为模糊语言控制器。模糊控制器主要由以下4部分组成2：（1）模糊化这部分的作用是将输入的精确量转化为模糊化量。其中输入量包括参考输入、系统的输出或状态等。模糊化的具体过程如下：首先对这些输入量进行处理，使其变成模糊控制器要求的输入量。例如，常见的情况是计算e=r-y和e=de/dt，其中r表示参考输入，y表示系统输出，e表示误差，e表示误差导数。将上述已经处理过的输入量进行尺度变化，使其变换到各自的论域范围。将已经变换到论语范围的输入量进行模糊处理，使原先精确的输入量变成模糊量，并用相应的

29、模糊集合来表示。（2）知识库知识库包含了具体应用领域中的知识和要求的控制目标。它通常由数据库和模糊控制规则库两部分组成。数据库主要包括各语言变量的隶属度函数、尺度变换因子以及模糊空间的分级数等。规则库包括了模糊语言变量表示的一系列控制规则。它们反映了控制专家的经验和知识。（3）模糊推理模糊推理是模糊控制器的核心，它具有模拟认得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含关系及推理规则来进行的。（4）清晰化清晰化的作用是将模糊推理得到的控制量（模糊量）转换为用于实际控制的清晰量。它包含以下两部分内容：将模糊的控制量经清晰化变换变成表示在论域范围的清晰量；将表示在论域范围的清晰量经尺度

30、变换变成实际的控制量。模糊控制器的基本结构如图2-1所示。图2-1模糊控制器的结构图2.3 模糊控制器参数的选择2.3.1 论域及基本论域我们把模糊控制器的输入变量误差、误差变化的实际范围称为这些变量的基本论域。显然，基本论域内的量为精确量8。设误差的基本论域为-Xe,Xe,误差变化的基本论域为-Xc，Xc。被控制对象实际所要求的控制量的变化范围，称为模糊器输出变量（控制量）的基本论域，设其为-Yu，Yu。设误差变量所取得模糊子集的论域为-n，-n+1,，0，。n-1，n。设误差变化量所取的模糊子集的论域为-m，-m+1，0，m-1，m。设控制量所取的模糊子集的论域为-l，-l+1，0，l-1

31、，l。有关论域的选择问题。一般选误差论域的n6，选误差变化论域的m6，选控制量的论域的l7。这是因为语言变量的词集多半选为七个（或八个），这样能满足模糊集论域中所含元素个数为模糊语言词集总数的二倍以上，确保模糊集覆盖论域，避免出现失控现象。2.3.2量化因子及比例因子为了进行模糊化处理，必须将输入变量从基本论域转换到相应的模糊集的论域，这中间须将输入变量乘以相应的因子，从而引出量化因子的概念。量化因子一般用K表示，误差的量化因子Ke及误差变化的量化因子Kc分别由两个公式来确定Ke=n/xe，Kc =m/xc。量化因子实际就是增益的概念，有时也可以采用GE和GC分别表示误差及误差变化的量化增益9

32、。每次采样经模糊控制算法给出的控制量，还不能直接控制对象，还必须将其转化到为控制对象所能接受的基本论域中去。输出控制量的比例因子的计算式为Ku=yu/l。由于控制量的基本论域为一连续的实数域，所以，从控制量的模糊集论到基本论域的变换，可以利用式yui=Kulj，式中，lj为控制量模糊集论域中的任一元素或为控制量的模糊集所判决得到的确切控制量，yui为控制量基本论域中的一个精确量；Ku为比例因子。比较量化因子和比例因子，不难看出两者均是考虑两个论域变换而引出，但对输入变量而言的量化因子确实具有量化效应，而对输出而言的比例因子只起比例作用。量化因子和比例因子的大小及其不同量化因子之间大小的相对关系

33、，对模糊控制器的控制性能影响极大。量化因子Ke及Kc的大小对控制系统的动态性能影响很大。Ke选的较大时，系统的超调也较大，过渡时间较长。这一点不难理解，因为从理论上讲，Ke增大，相当于缩小了误差的基本论域，增大了误差变量的控制作用，因此导致上升时间变短，但由于出现超调，使得系统的过渡过程变长。Kc选择较大时，超调量减少，Kc选择越大系统超调越小，但系统的响应速度变慢。Kc对超调的遏制作用十分明显。量化因子Ke和Kc的大小意味着对输入变量误差和误差变化的不同加权程度，Ke和Kc二者之间也相互影响，在选择量化因子是要充分考虑到这一点。输出比例因子ku的大小也影响着模糊控制系统的特性。Ku选择过小会

34、使系统动态响应过程变长，而Ku选择过大会导致系统振荡。输出比例因子Ku作为模糊控制器的总增益，它的大小影响着控制器的输出，通过调整Ku可以改变对被控对象输入的大小10。需要指出，量化因子和比例因子的选择并不是唯一的，可能有几组不同的值，都能使系统获得较好的响应特性。2.3.3隶属度函数正确地确定隶属函数，是运用模糊集合理论解决实际问题的基础，隶属函数的确定过程，本质上说应该是客观的，但每个人对于同一模糊概念的认识理解又有差异，故隶属函数的确定又带有一定的主观性。对于同一个模糊概念，不同的人会建立不完全相同的隶属函数，尽管形式不完全相同，只要能反映同一模糊概念，在解决和处理实际模糊信息的问题中仍

35、然殊途同归。隶属度函数的确定方法11：（1）模糊统计法（2）例证法（3）专家经验常用的隶属度函数：梯形，三角形梯形隶属度函数12：函数trapmf格式y=trapmf(x,abcd)说明这里梯形隶属度函数表达式：或f(x;a,b,c,d)=max(min(，定义域由向量x确定，曲线形状由参数a,b,c,d确定，参数a和d对应梯形下部的左右两个拐点，参数b和c对应梯形上部的左右两个拐点。三角形隶属度函数：函数trimf格式y=trimf(x,params)y=trimf(x,abc)定义域由向量x确定，曲线形状由参数a,b,c确定，参数a和c对应三角形下部的左右两个顶点，参数b对应三角形上部的顶

36、点，这里要求a,生成的隶属函数总有一个统一的高度，若想有一个高度小于统一高度的三角形度隶属函数，则使用trapmf函数2.3.4 IfThen规则最简单的模糊逻辑规则形式是：“如果x是A，则y是B，” 而复合型规则的形式很多，例如14：“If m是A且x是B then y是c，否则z是D”；“If m是A且x是B 且y是C then z是D”；“If m是A且x是B then y是C或z是D”；“If m是A且x是B then y是C且z是D”。这里的A、B、C、D都是模糊集的语义值，If部分是前提或前件，then部分是结论或后件。Ifthen规则包含三个过程：（1）输入模糊化确定出ifthe

37、n规则前提中每个命题或断言为真的程度。（2）应用模糊算子如果规则的前提有几部分，则利用模糊算子可以确定出整个前提为真的程度。（3）应用蕴含算子由前提的隶属度和蕴含算子，可以确定出结论为真的程度2.4 锅炉水位模糊控制的控制原理锅炉水位模糊控制器由模糊量化、模糊推理、模糊规则和反模糊化接口4个部分组成。多个液位传感器的距离信息融合计算后得到实时液位。判断锅炉液位控制效果的优劣，最重要的指标是控制系统不同时刻输出与设定水位之间的偏差及其变化率；因此，针对液位控制对象，选择误差e及其变化率de作为模糊控制器的2个输入信号，给水阀门的开度控制量u作为输出，构成如图2-2所示的水位模糊控制系统。图2-2

38、 水位模糊控制系统原理示意图在该系统设计中,选用维数较高的模糊控制器,控制效果较好。但维数较高的模糊控制器实现起来相当复杂和困难,而维数低的模糊控制器控制效果又不理想,因此选用二维模糊控制器,其控制精度一般能达到控制要求。2.5模糊集、模糊论域及隶属函数的确立在锅炉自动给水系统中，采用典型的二维模糊控制器，2个输入选用当前实时水位与给定水位的偏差e及其变化率de，输出为给水阀门开度控制量，对应的模糊语言变量分别为E，DE，U。系统中设计输入变量水位偏差允许的基本论域为-100，100，取量化因子Ke=30，将其量化并离散的论域为-6，6，用模糊语言定义的模糊集表示为NB,NM,NS,ZO,PS

39、,PM,PB，其中N表明偏差值为负，即当前水位高于给定水位，B,M,S分别代表较大、中等、较小；反之，P表明偏差值为正，即当前水位低于给定水位。水位偏差变化率de的的基本论域为-20,20，取量化因子Kde=11，得到模糊论域为-6,6，用模糊语言定义的模糊集表示为NB,NM,NS,ZO,PS,PM,PB，其中N表明当前水位有上涨趋势，P表明当前水位有下降趋势。通过控制给水阀门的开启程度，以达到控制液位的目的，故选取阀门开度控制量为输出量，其基本论域为-5，5，取量化因子Ku=0.61，得其模糊论域为-6，6，用模糊语言定义的模糊集表示为 NB,NM,NS,ZO,PS,PM,PB其中所对应的表

40、明对应水位下降速度快慢，P对应水位上升速度快慢2.6建立模糊控制器的模糊控制规则模糊控制器的控制规则是基于手动控制策略，而手动控制策略又是人们通过学习，试验以及长期经验积累而形成的，存储在操作者头脑中的一种技术知识集合。手动控制过程一般是通过对被控对象的一些观测，操作者在根据已有的经验和技术知识，进行综合分析并作出控制决策，调整加到被控对象的控制作用，从而使系统达到预期的目标。利用模糊集合理论和语言变量的概念，可以把利用语言归纳的手动控制决策上升为数值运算，可以采用微计算机完成这个任务以代替人的手动控制，实现所谓的模糊自动控制。建立的控制规则表如下表2-3所示。表2-3水位控制规则表eyeud

41、eUedeNBNMNSZOPSPMPBNBNBNBNBNBNMZOZONMNBNBNBNBNMZOZONSNMNMNMNMZOPSPSZONMNMNMNMZOPSPMPSNSNSZOPMPMPMPMPMZOZOPMPBPBPBPBPBZOZOPMPBPBPBPB第3章 MATLAB模糊逻辑工具箱3.1 MATLAB概述MATLAB是国际上仿真领域最权威、最实用的计算机工具。它是MathWork公司于1982年推出的一套高性能的数值计算和可视化数学软件，被誉为“巨人肩上的工具”15。MATLAB是一种应用于计算技术的高性能语言。它将计算，可视化和编程结合在一个易于使用的环境中，此而将问题解决方案

42、表示成我们所熟悉的数学符号，其典型的使用包括:.数学计算、运算法则的推导、模型仿真和还原、数据分析，采集及可视化、科技和工程制图、开发软件，包括图形用户界面的建立。MATLAB是一个交互式系统，它的基本数据元素是矩阵，且不需要指定大小。通过它可以解决很多技术计算问题，尤其是带有矩阵和矢量公式推导的问题，有时还能写入非交互式语言如C和Fortran等。MATLAB的名字象征着矩阵库。它最初被开发出来是为了方便访问由LINPACK和EISPAK开发的矩阵软件，其代表着艺术级的矩阵计算软件。MATLAB在拥有很多用户的同时经历了许多年的发展时期。在大学环境中，它作为介绍性的教育工具，以及在进阶课程中

43、应用于数学，工程和科学。在工业上它是用于高生产力研究，开发，分析的工具之一。MATLAB的一系列的特殊应用解决方案称为工具箱（toolboxes）。作为用户不可缺少的工具箱，它可以使你学习和使用专门技术。工具箱包含着M-file集，它使MATLAB可延展至解决特殊类的问题。在工具箱的范围内可以解决单个过程，控制系统，神经网络，模糊逻辑，小波，仿真及其他很多问题。3.2 Simulink概述Simulink是用于仿真建模及分析动态系统的一组程序包，它支持线形和非线性系统，能在连续时间，离散时间或两者的复合情况下建模16。系统也能采用复合速率，也就是用不同的部分用不同的速率来采样和更新。Simul

44、ink提供一个图形化用户界面用于建模，用鼠标拖拉块状图表即可完成建模。在此界面下能像用铅笔在纸上一样画模型。相对于以前的仿真需要用语言和程序来表明不同的方程式而言有了极大的进步。Simulink拥有全面的库，如接收器，信号源，线形及非线形组块和连接器。同时也能自己定义和建立自己的块。模块有等级之分，因此可以由顶层往下的步骤也可以选择从底层往上建模。可以在高层上统观系统，然后双击模块来观看下一层的模型细节。这种途径可以深入了解模型的组织和模块之间的相互作用。在定义了一个模型后，就可以进行仿真了，用综合方法的选择或用Simulink的菜单或MATLAB命令窗口的命令键入。菜单的独特性便于交互式工作

45、，当然命令行对于运行仿真的分支是很有用的。使用scopes或其他显示模块就可在模拟运行时看到模拟结果。进一步，可以改变其中的参数同时可以立即看到结果的改变，仿真结果可以放到MATLAB工作空间来做后处理和可视化。模型分析工具包括线性化工具和微调工具，它们可以从MATLAB命令行直接访问，同时还有很多MATLAB的toolboxes中的工具。因为MATLAB和Simulink是一体的，所以可以仿真，分析，修改模型在两者中的任一环境中进行。3.3 MATLAB模糊逻辑工具箱简介3.3.1模糊逻辑工具箱的特点（1）易于使用模糊逻辑工具箱提供了建立和测试模糊逻辑系统的一整套功能函数，包括定义语言变量及

46、其隶属函数、输入模糊推理规则、整个模糊推理系统的管理以及交互式地观察模糊推理的过程和输出结果17。（2）提供图形化的系统设计界面在模糊逻辑工具箱中包含五个图形化的系统设计工具，这五个设计工具是：模糊推理系统编辑器。用于通过可视化手段建立语言变量的隶属函数。隶属函数编辑器，用于通过可视化手段建立语言变量的隶属函数。模糊推理规则编辑器。系统输入输出特性曲面浏览器。模糊推理过程浏览器。（3）支持模糊逻辑中的高级技术自适应神经模糊推理系统。用于模式识别的模糊聚类技术。模糊推理方法的选择。（4）集成的仿真和代码生成功能模糊逻辑工具箱不但能够实现Simulink的无缝连接，而且能生成ANSI C源代码，从而易于实现模糊系统的实时应用。（5）独立运行的模糊推理机在用户完成模糊逻辑系统的设计后，可以设计结果以ASCII码文件保存；利用模糊逻辑工具箱提供的模糊推理机，可以实现模糊逻辑系统的独立运行或者作为其他应用的一部分运行。3.3.2在模糊逻辑工具箱中构成模糊推理的步骤模糊推理系统对应的数据文件，其后缀为.fis，用于对该模糊系统进行存储、修改和管理；确定输入/输出语言变量及其语言值；确定各语言值的隶属函数，包括隶属函数的类型与参数；确定模糊规则确定各种模糊运算方法，包括模糊推理方法、模糊化方法、去模糊化方法等18。3.4利用模糊逻辑工具箱建立模糊推理系统建立一个模糊推理系统