北京化工大学北方学院毕业设计（论文）
第5.2节 模糊控制器模块的建立
在Matlab7.0中的模糊逻辑工具箱（fuzzy logic toolbox）提供了模糊逻辑控制器及系统设计的方法。通过利用生成和编辑模糊推理系统（FIS）中的工具生成模糊推理系统。此外，通过GUI(图形用户界面编辑函数)，生成更为直观的仿真系统。
本系统设计过程：
在Matlab中键入fuzzy命令进入模糊逻辑工具箱，通过具有交互式图形界面的模糊推理系统编辑器和隶属函数编辑器，依照上述结果，选择输入、输出模糊变量的论域范围、各语言变量的隶属度函数形状等参数，选择解模糊采用重心平均法（acentroid）；
从Edit菜单中选择Rules打开模糊规则编辑器，在规则编辑器中按上文中所设计规则进行输入。如图5.2、5.3、5.4所示为Kp的模糊关系设计。
图5.2 Kp所对应的FIS（mamdani类型）
36
北京化工大学北方学院毕业设计（论文）
图5.3 Kp部分控制规则（前28条）
图5.4 Kp的输出曲面
其余Ki，Kd的设计与之相类似，仅在Kd中需注意其论域为[-0.6 0.6]。由此，便可得到Kp，Ki，Kd三者与误差E及误差变化量EC的函数关系。
将设计好的模糊控制器保存（export to workspace），名字保存在workspace中，以备仿真调用。
第5.3节 仿真模型的建立
SIMULINK工具箱中提供了建立系统模型所需的大部分类型模块，如Commonly Used Blocks, Continuous, Discontinuities, Discrete, Logic and Bit Operations, Lookup Tables, Math Operations, Model Verification, Model-Wede Utilities, Ports&Subsytems, Signal Attributes, Signal Routing, Sinks,Sources, Uer-Defined Functions, Additional Math&Discrete模块等，在WINDOWS界面中，通过鼠标选择即可完成模型。最后，选择Fuzzy Logic Controller模块，双击，在对话框中键入曾保存在workspace中的模糊逻辑控制器名称，如此便完成了Fuzzy Logic Controller模块与SIMULINK的连接。
针对汽包水位的特点，我们对常规PID控制方式（图5.5）和模糊PID控制方式
37
北京化工大学北方学院毕业设计（论文）
（图5.6）均建立了系统仿真模型，以便进行对照比较。
图5.5 常规PID控制系统结构图
图5.6 模糊PID控制结构图
38
北京化工大学北方学院毕业设计（论文）
图5.7 模糊逻辑子模块内部结构
第5.4节 模糊PID控制与常规PID控制仿真的比较
仿真图中所示被控变量的传递函数及参数取值如下：
给水流量发生阶跃变化时，用传递函数来描述，它相当由一个积分环节和一个惯性环节组成，下面是它的表达式与取值
G01(S)?K10.040 （5·1） ?S(T1?1)S(30S?1)式中，K1为给水量改变单位流量时水位的变化速度，T1为水位的时间常数。 在燃料量不变的情况下，蒸汽用量突然加剧，会形成虚假水位的现象，蒸汽流量扰动的传递函数及参数取值如下：
G02(S)?K2?50.040 （5·2） ???T2S?1S15S?1S式中，?为在蒸汽流量的作用下，阶跃响应曲线的飞升速度；K2、T2分别为引起水位变化的放大倍数和时间常数。显然，在这种情况下，系统表现为非最小相位特性。
（1）当不加入扰动作用时，蒸汽流量、给水流量和汽包水位测量变送器的传递系数分别为0.033；蒸汽流量、给水流量的分压系统均为0.21；执行机构和阀门的特性系数分别为10和6（近似为比例环节）。
使用MATLAB软件做仿真时，把主调节器设为PID规律，设定初始值Kp=3，
39
北京化工大学北方学院毕业设计（论文）
Ki=0.02， Kd=2；模糊自整定PID控制中的PID参数初始值同样可选为Kp=3，Ki=0.02，Kd=2；
将输入信号设置为幅值为1的阶跃输入（汽包水位信号），蒸汽流量振动信号及给水信号均设置为0。汽包水位模糊自整定PID控制系统与常规PID控制系统的动态响应曲线如图5.8所示。
图5.8 无干扰时的两种控制方法比较
从图5.8中，我们容易得到，汽包水位模糊PID控制品质较常规PID控制要好，超调量明显减小，调节时间缩短,能很快接近稳定值0.3。
（2）加入蒸汽流量扰动
各参数保持不变，加入蒸汽流量扰动信号，此时，汽包水位在模糊PID与常规PID系统中控制结果仿真如图5.9所示。
40