模糊PID控制在液位控制中的應用.doc

畢業(yè)設計（論文）第I頁模糊PID控制在液位控制中的應用摘要液位控制是工業(yè)控制中的一個重要問題，針對液位控制過程中存在大滯后、時變、非線性的特點，為適應復雜系統(tǒng)的控制要求，人們研制了種類繁多的先進的智能控制器，模糊PID控制器便是其中之一。模糊PID控制結合了PID控制算法和模糊控制方法的優(yōu)點，可以在線實現(xiàn)PID參數(shù)的調整，使控制系統(tǒng)的響應速度快，過渡過程時間大大縮短，超調量減少，振蕩次數(shù)少，具有較強的魯棒性和穩(wěn)定性，在模糊控制中扮演著十分重要的角色。本文介紹了模糊PID控制在雙容水箱的液位控制系統(tǒng)中的應用。首先建立了液位控制系統(tǒng)數(shù)學模型，介紹了PID控制、模糊控制以及模糊PID的基本原理，然后利用MATLAB工具生成仿真曲線。關鍵詞:液位系統(tǒng)，液位控制，模糊PID控制，仿真畢業(yè)設計（論文）第II頁TheApplicationonFuzzyPIDControlforWaterLevelControlSystemAbstractWaterlevelcontrolisanimportantprobleminindustrycontrol.Aimedatthecharacteristicsoflongtimelag,nonlinearityandvariationwithtimeintheprocessoflevelcontrol,avastrangeofadvancedintelligentcontrollersaredesignedtomeetthecontroldemandofcomplexsystems，amongwhichisfuzzyPIDcontroller.CombiningtheadvantagesofPIDcontrolalgorithmandfuzzycontrol,fuzzyPIDcontrolcouldrealizeonlineadjustingofPIDparameters,soastoquickenthecontrolsystemresponsespeed,reducetheovershoot,shortenthetransitionalperiod,anddecreasetheoscillatingtime.Thesystemhasstrongrobustnessandstability，andplaysaleadingroleinfuzzycontrol.ThisthesisintroducestheapplicationoffuzzyPIDcontrolindouble-tankwaterlevelsystem.Itfirstbuildsamathematicalmodelofthewaterlevelcontrolsystem,illustratingtherationaleofPIDcontrol,fuzzycontrolandfuzzyPID.ThenitusesatoolofMATLABtohaveasimulatingexperimentofset-pointtracking,disturbancerejection,andaccommodatingtotheobjectsparametervariation.TheresultsshowthatcomparingwiththenormalPIDalgorithm,fuzzyPIDcontrolalgorithmhascharacteristicssuchasstrongrobustnessandgooddynamicperformance.Thiscontrolmethodiseffectivetothedoubletankwaterlevelsystem.Keywordstem:WaterLevelSyter,Waterlevelcontrol,fuzzyPIDcontrol,simulation畢業(yè)設計（論文）第III頁目錄1緒論.11.1課題研究的背景與意義.11.1.1PID控制器的應用與發(fā)展.11.1.2模糊控制產生的背景與意義.21.2液位控制系統(tǒng)實驗裝置及其控制策略.31.2.1水箱液位控制系統(tǒng)簡介.31.2.2液位控制系統(tǒng)控制對象及控制策略.52液位控制系統(tǒng)結構及其建模.62.1水箱系統(tǒng)的結構.62.2二階對象的結構.72.3雙容水箱系統(tǒng)的建模.73控制算法研究.93.1PID控制算法.93.1.1模擬PID調節(jié)器.93.1.2數(shù)字PID控制算法.113.1.3PID控制器的特點.133.2模糊控制算法.143.2.1模糊控制的產生及發(fā)展.143.2.2模糊控制的特點.153.2.3模糊控制的基本概念.153.2.4模糊控制的基本理論.194模糊PID算法的研究與仿真.244.1模糊PID控制.244.1.1模糊PID控制器的基本理論.輸入輸出變量模糊化接口設計.模糊推理算法設計.模糊PID的清晰化.284.1.2模糊PID控制原理.284.1.3模糊PID控制算法.304.2模糊PID在液位控制中的仿真.305總結.32致謝.33畢業(yè)設計（論文）第1頁1緒論1.1課題研究的背景與意義隨著工業(yè)生產的飛速發(fā)展，人們對控制系統(tǒng)的控制精度、響應速度、系統(tǒng)穩(wěn)定性與適應能力的要求越來越高。而實際工業(yè)生產過程中的被控對象往往具有非線性、時延的特點，應用常規(guī)的控制手段難以達到理想的控制效果，研究對非線性、時延對象的先進控制策略，提高系統(tǒng)的控制水平，具有重要的實際意義。本文所提及的液位控制系統(tǒng)是一種可以模擬多種對象特性的實驗裝置。該裝置是進行控制理論與控制工程教學、實驗和研究的理想平臺，可以方便的構成多階系統(tǒng)對象，用戶既可通過經典的PID控制器設計與調試，完成經典控制教學實驗，也可通過模糊邏輯控制器的設計與調試，進行智能控制教學實驗與研究。1.1.1PID控制器的應用與發(fā)展在過去的幾十年里，PID控制器在工業(yè)控制中得到了廣泛應用。在控制理論和技術飛速發(fā)展的今天，工業(yè)過程控制中95%以上的控制回路都具有PID結構，并且許多高級控制都是以PID控制為基礎的。我們今天所熟知的PID控制器產生并發(fā)展于1915-1940年期間。盡管自1940年以來，許多先進控制方法不斷推出，但PID控制器以其結構簡單，對模型誤差具有魯棒性及易于操作等優(yōu)點，仍被廣泛應用于冶金、化工、電力、輕工和機械等工業(yè)過程控制中1。PID控制器作為最早實用化的控制器己有70多年歷史，它的算法簡單易懂、使用中參數(shù)容易整定，也正是由于這些優(yōu)點，PID控制器現(xiàn)在仍然是應用最廣泛的工業(yè)控制器。PID的發(fā)展過程，很大程度上是它的參數(shù)整定方法和參數(shù)自適應方法的研究過程。最早的PID參數(shù)工程整定方法是在1942年由Ziegler和Nichols提出的簡稱為Z-N的整定公式，盡管時間已經過去半個世紀了，但至今還在工業(yè)控制中普遍應用。1953年Cohen和Coon繼承和發(fā)展了Z-N公式2，同時也提出了一種考慮被控過程時滯大小的Cohen-Coon整定公式3。自Ziegler和Nichols提出PID參數(shù)整定方法起，有許多技術己經被用于PID控制畢業(yè)設計（論文）第2頁器的手動和自動整定。按照發(fā)展階段劃分，可分為常規(guī)PID參數(shù)整定方法及智能PID參數(shù)整定方法；按照被控對象個數(shù)來劃分，可分為單變量PID參數(shù)整定方法及多變量PID參數(shù)整定方法，前者包括現(xiàn)有大多數(shù)整定方法，后者是最近研究的熱點及難點；按控制量的組合形式來劃分，可分為線性PID參數(shù)整定方法及非線性PID參數(shù)整定方法，前者用于經典PID調節(jié)器，后者用于由非線性跟蹤一微分器和非線性組合方式生成的非線性PID控制器。1.1.2模糊控制產生的背景與意義隨著現(xiàn)代科學技術的迅速發(fā)展，生產系統(tǒng)的規(guī)模越來越大，形成了復雜的大系統(tǒng)，導致了控制對象、控制器以及控制任務和目的的日益復雜化。另一方面，人類對自動化的要求也更加廣泛，傳統(tǒng)的自動控制理論和方法顯得已不能適應復雜系統(tǒng)的控制。在許多系統(tǒng)中，復雜性不僅僅表現(xiàn)在很高的維數(shù)上，更多表現(xiàn)在:(1)被控對象模型的不確定性；(2)系統(tǒng)信息的模糊性；(3)高度非線性；(4)多層次、多目標的控制要求。因此，建立一種更有力的控制理論和方法來解決上述提出的問題，就顯得十分重要。模糊控制是智能控制的一種典型和較早的形式，作為智能控制的一個分支，1974年英國的Mandani成功將其應用于鍋爐和蒸汽機的控制，近幾年來得到了飛速的發(fā)展。模糊控制是模糊數(shù)學和控制理論相結合的產物，它利用了人的思維具有模糊性的特點，通過使用模糊數(shù)學中的隸屬度函數(shù)、模糊關系、模糊推理等工具得到控制表格進行控制，它具有許多特點:(1)不需要建立被控對象的數(shù)學模型；(2)系統(tǒng)魯棒性強；(3)模糊控制方法易于掌握。因此，它特別適用于那些難以獲得過程的精確數(shù)學模型及具有時變、時滯非線性、大滯后的復雜工業(yè)控制系統(tǒng)，具有較強的魯棒性和抗干擾能力。現(xiàn)在模糊控制被越來越多地應用于工業(yè)過程、家用電器等復雜場合。模糊控制系統(tǒng)的核心是模糊控制器，而模糊控制規(guī)則是設計模糊控制器的核心，它畢業(yè)設計（論文）第3頁實際上決定了控制系統(tǒng)的性能及控制效果。模糊控制也有缺陷:(1)以前，模糊控制規(guī)則完全是憑操作者的經驗或專家知識獲取的，這并不能保證規(guī)則的最優(yōu)或次最優(yōu)，達到最佳控制的目的；(2)規(guī)則的獲取沒有系統(tǒng)的步驟可以遵循；(3)在控制過程中，外界突加干擾，參數(shù)大幅度變化，原來總結的經驗和規(guī)則不夠等因素，都會嚴重影響控制質量。1.2液位控制系統(tǒng)實驗裝置及其控制策略1.2.1水箱液位控制系統(tǒng)簡介水箱液位控制系統(tǒng)實驗裝置是基于工業(yè)過程的物理模擬對象，它是集自動化儀表技術、計算機技術、通訊技術、自動控制技術為一體的多功能實驗裝置。根據(jù)自動化及其它相關專業(yè)教學的特點，吸收了國內外同類實驗裝置的特點和長處后，經過精心設計，多次實驗和反復論證，推出了這一套全新的實驗裝置。該系統(tǒng)包括流量、液位、壓力等參數(shù)，可實現(xiàn)系統(tǒng)參數(shù)辨識、單回路控制、串級控制、前饋-反饋控制、比值控制、解藕控制等多種控制形式。系統(tǒng)的水箱主體由蓄水容器、檢測組件和動力驅動三大部分構成。水箱1,2,3和儲水箱是用來蓄水的容器；檢測液位可以采用壓力傳感器或者浮漂加滑動變阻器兩種方案來實現(xiàn)液位高度數(shù)字量的采集，采用電動調節(jié)閥用來進行控制回路流量的調節(jié)。整個系統(tǒng)通過不銹管道連接起來，儲水箱為三個水箱提供水源，通道閥門開啟時，水可以被分別送至三個水箱。三個水箱底部均有兩個出水管道，其中裝有手動閥的管道是控制系統(tǒng)的一部分，也可以手動調節(jié)閥門開度用來做漏水干擾的控制實驗；另外一個直通管道則是在水箱液位達到最大值時經由它流至儲水箱，以防止水箱里的水溢出水箱。除了上述的控制對象組件，另外還有一個智能儀表綜合控制臺和一臺計算機，這三個部分才構成了完整的液位控制系統(tǒng)實驗裝置。儀表綜合控制臺作為系統(tǒng)的電氣部分，主要由三部分組成:電源控制屏面板、儀表面板和I/O信號接面板。該控制臺通過插頭與對象系統(tǒng)連接，結合實驗裝置水箱主體中應用到的不同組件對象，實驗操作員可以自行連線組成不同的控制系統(tǒng)，從而實現(xiàn)幾十種過程控制系統(tǒng)的實驗。計算機用于采集控制畢業(yè)設計（論文）第4頁臺中的電流、電壓信號，使用MCGS組態(tài)軟件系統(tǒng)構造和生成上位機監(jiān)控系統(tǒng)，并且與系統(tǒng)控制對象中的電動調節(jié)閥配套使用，組成最佳調節(jié)回路。利用水箱液位系統(tǒng)實驗裝置中各個組件的不同組合情況，可以構成多種不同功能的實驗系統(tǒng)。例如，開啟與水箱1連接的電動調節(jié)閥以及其底部管道的手動閥，關閉水箱2、水箱3通道的所有閥門，關閉水箱1、水箱2和水箱3間的連接閥，這時就可以做單容水箱特性的實驗?；诖?，也可以打開與水箱2的連接閥和水箱2的出水閥，關閉水箱1出水閥，這樣，就構成了雙容水箱特性實驗。本文主要研究雙容水箱系統(tǒng)相關特性，根據(jù)本課題研究內容，需要打開儲水箱與水箱1、水箱2連通的管道閥門，關閉與水箱2與水箱3連通的閥門，同時關閉水箱1和水箱3底部的出水閥，打開水箱2底部出水閥。這樣，就得到了如圖1-1所示的雙容水箱結構示意圖。其中，三個水箱截面積為A,水箱2出水孔截面積為An,hl,h2和h3分別為水箱1(T1)、水箱2(T2)和水箱3(T3)的液位，hmax是最高液位。圖1.1水箱液位系統(tǒng)結構示意圖實驗系統(tǒng)的檢測裝置:采用浮漂和滑動變阻器實現(xiàn)對水箱液位的采集和D/A轉換。實驗系統(tǒng)的執(zhí)行機構:電動調節(jié)閥:采用智能型電動調節(jié)閥，用來進行控制回路流量的調節(jié)。電動調節(jié)閥型號為:QSVP-16K。具有精度高、技術先進、體積小、重量輕、推動力大、功能強、控畢業(yè)設計（論文）第5頁制單元與電動執(zhí)行機構一體化、可靠性高、操作方便等優(yōu)點，控制信號為4-20mADC或1-5VDC，輸出4-20mADC的閥位信號，使用和校正非常方便。1.2.2液位控制系統(tǒng)控制對象及控制策略工業(yè)生產過程中的液位控制必須具有可靠的穩(wěn)定性才能保證生產的正常，水箱系統(tǒng)控制的難點集中在對水箱的液位高度h的控制上，本文在雙容水箱系統(tǒng)中討論水箱1的液位控制，控制策略的研究工作也就是圍繞它進行的。傳統(tǒng)PID調節(jié)已經不適合像液位控制系統(tǒng)這樣的非線性、時變、多變量禍合的復雜系統(tǒng)。而模糊控制則以其響應速度快、魯棒性強等特點脫穎而出，在液位控制系統(tǒng)控制中得到比較廣泛的應用。但是，基本模糊控制器也有其缺點。首先，基本模糊控制器相當于PD控制，它不具備I(積分)作用，因此基本模糊控制器的穩(wěn)態(tài)性能又不如傳統(tǒng)PID控制器的穩(wěn)態(tài)性能好；其次，基本模糊控制器的推理合成過程計算量大，信息損失嚴重，且模糊控制表的在線修改不方便?；谶@些原因，人們針對模糊控制器的種種不足，又吸收融合了其它一些控制思想的優(yōu)點，將基本模糊控制器加以改進，推出了多種改進型模糊控制器。例如:為了使模糊控制器得到比較好的穩(wěn)態(tài)性能而推出了模糊PID雙?？刂破鳎瑸榱四茉诰€得到模糊控制器的最佳參數(shù)而推出了自適應模糊控制器(本文采用的正是這種控制器)、神經元模糊控制器和自尋最優(yōu)模糊控制器，為了使模糊控制器對大滯后系統(tǒng)也能取得良好控制效果而推出Smith預估模糊控制器，為了便于模糊控制規(guī)則的修改而推出模糊數(shù)模型模糊控制器和帶修正因子的模糊控制器。模糊控制技術的發(fā)展使