模糊PID控制在液位控制中的應(yīng)用.doc

畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）第I頁模糊PID控制在液位控制中的應(yīng)用摘要液位控制是工業(yè)控制中的一個(gè)重要問題，針對(duì)液位控制過程中存在大滯后、時(shí)變、非線性的特點(diǎn)，為適應(yīng)復(fù)雜系統(tǒng)的控制要求，人們研制了種類繁多的先進(jìn)的智能控制器，模糊PID控制器便是其中之一。模糊PID控制結(jié)合了PID控制算法和模糊控制方法的優(yōu)點(diǎn)，可以在線實(shí)現(xiàn)PID參數(shù)的調(diào)整，使控制系統(tǒng)的響應(yīng)速度快，過渡過程時(shí)間大大縮短，超調(diào)量減少，振蕩次數(shù)少，具有較強(qiáng)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(yīng)用。首先建立了液位控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)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(guān)鍵詞:液位系統(tǒng)，液位控制，模糊PID控制，仿真畢業(yè)設(shè)計(jì)（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(shè)計(jì)（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(yīng)用與發(fā)展.11.1.2模糊控制產(chǎn)生的背景與意義.21.2液位控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)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(duì)象及控制策略.52液位控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及其建模.62.1水箱系統(tǒng)的結(jié)構(gòu).62.2二階對(duì)象的結(jié)構(gòu).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(diào)節(jié)器.93.1.2數(shù)字PID控制算法.113.1.3PID控制器的特點(diǎn).133.2模糊控制算法.143.2.1模糊控制的產(chǎn)生及發(fā)展.143.2.2模糊控制的特點(diǎn).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(shè)計(jì).模糊推理算法設(shè)計(jì).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(jié).32致謝.33畢業(yè)設(shè)計(jì)（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(chǎn)的飛速發(fā)展，人們對(duì)控制系統(tǒng)的控制精度、響應(yīng)速度、系統(tǒng)穩(wěn)定性與適應(yīng)能力的要求越來越高。而實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)過程中的被控對(duì)象往往具有非線性、時(shí)延的特點(diǎn)，應(yīng)用常規(guī)的控制手段難以達(dá)到理想的控制效果，研究對(duì)非線性、時(shí)延對(duì)象的先進(jìn)控制策略，提高系統(tǒng)的控制水平，具有重要的實(shí)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(duì)象特性的實(shí)驗(yàn)裝置。該裝置是進(jìn)行控制理論與控制工程教學(xué)、實(shí)驗(yàn)和研究的理想平臺(tái)，可以方便的構(gòu)成多階系統(tǒng)對(duì)象，用戶既可通過經(jīng)典的PID控制器設(shè)計(jì)與調(diào)試，完成經(jīng)典控制教學(xué)實(shí)驗(yàn)，也可通過模糊邏輯控制器的設(shè)計(jì)與調(diào)試，進(jìn)行智能控制教學(xué)實(shí)驗(yàn)與研究。1.1.1PID控制器的應(yīng)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(yīng)用。在控制理論和技術(shù)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(jié)構(gòu)，并且許多高級(jí)控制都是以PID控制為基礎(chǔ)的。我們今天所熟知的PID控制器產(chǎn)生并發(fā)展于1915-1940年期間。盡管自1940年以來，許多先進(jìn)控制方法不斷推出，但PID控制器以其結(jié)構(gòu)簡單，對(duì)模型誤差具有魯棒性及易于操作等優(yōu)點(diǎn)，仍被廣泛應(yīng)用于冶金、化工、電力、輕工和機(jī)械等工業(yè)過程控制中1。PID控制器作為最早實(shí)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(diǎn)，PID控制器現(xiàn)在仍然是應(yīng)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(yīng)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(shí)間已經(jīng)過去半個(gè)世紀(jì)了，但至今還在工業(yè)控制中普遍應(yīng)用。1953年Cohen和Coon繼承和發(fā)展了Z-N公式2，同時(shí)也提出了一種考慮被控過程時(shí)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(shù)己經(jīng)被用于PID控制畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）第2頁器的手動(dòng)和自動(dòng)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(duì)象個(gè)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(diǎn)及難點(diǎn)；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(jīng)典PID調(diào)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(chǎn)生的背景與意義隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，生產(chǎn)系統(tǒng)的規(guī)模越來越大，形成了復(fù)雜的大系統(tǒng)，導(dǎo)致了控制對(duì)象、控制器以及控制任務(wù)和目的的日益復(fù)雜化。另一方面，人類對(duì)自動(dòng)化的要求也更加廣泛，傳統(tǒng)的自動(dòng)控制理論和方法顯得已不能適應(yīng)復(fù)雜系統(tǒng)的控制。在許多系統(tǒng)中，復(fù)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(duì)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(biāo)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(gè)分支，1974年英國的Mandani成功將其應(yīng)用于鍋爐和蒸汽機(jī)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(xué)和控制理論相結(jié)合的產(chǎn)物，它利用了人的思維具有模糊性的特點(diǎn)，通過使用模糊數(shù)學(xué)中的隸屬度函數(shù)、模糊關(guān)系、模糊推理等工具得到控制表格進(jìn)行控制，它具有許多特點(diǎn):(1)不需要建立被控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型；(2)系統(tǒng)魯棒性強(qiáng)；(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(xué)模型及具有時(shí)變、時(shí)滯非線性、大滯后的復(fù)雜工業(yè)控制系統(tǒng)，具有較強(qiáng)的魯棒性和抗干擾能力?，F(xiàn)在模糊控制被越來越多地應(yīng)用于工業(yè)過程、家用電器等復(fù)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(shè)計(jì)模糊控制器的核心，它畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）第3頁實(shí)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(jīng)驗(yàn)或?qū)＜抑R(shí)獲取的，這并不能保證規(guī)則的最優(yōu)或次最優(yōu)，達(dá)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(jié)的經(jīng)驗(yàn)和規(guī)則不夠等因素，都會(huì)嚴(yán)重影響控制質(zhì)量。1.2液位控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)裝置是基于工業(yè)過程的物理模擬對(duì)象，它是集自動(dòng)化儀表技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、通訊技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)為一體的多功能實(shí)驗(yàn)裝置。根據(jù)自動(dòng)化及其它相關(guān)專業(yè)教學(xué)的特點(diǎn)，吸收了國內(nèi)外同類實(shí)驗(yàn)裝置的特點(diǎn)和長處后，經(jīng)過精心設(shè)計(jì)，多次實(shí)驗(yàn)和反復(fù)論證，推出了這一套全新的實(shí)驗(yàn)裝置。該系統(tǒng)包括流量、液位、壓力等參數(shù)，可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)參數(shù)辨識(shí)、單回路控制、串級(jí)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(dòng)力驅(qū)動(dòng)三大部分構(gòu)成。水箱1,2,3和儲(chǔ)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(dòng)變阻器兩種方案來實(shí)現(xiàn)液位高度數(shù)字量的采集，采用電動(dòng)調(diào)節(jié)閥用來進(jìn)行控制回路流量的調(diào)節(jié)。整個(gè)系統(tǒng)通過不銹管道連接起來，儲(chǔ)水箱為三個(gè)水箱提供水源，通道閥門開啟時(shí)，水可以被分別送至三個(gè)水箱。三個(gè)水箱底部均有兩個(gè)出水管道，其中裝有手動(dòng)閥的管道是控制系統(tǒng)的一部分，也可以手動(dòng)調(diào)節(jié)閥門開度用來做漏水干擾的控制實(shí)驗(yàn)；另外一個(gè)直通管道則是在水箱液位達(dá)到最大值時(shí)經(jīng)由它流至儲(chǔ)水箱，以防止水箱里的水溢出水箱。除了上述的控制對(duì)象組件，另外還有一個(gè)智能儀表綜合控制臺(tái)和一臺(tái)計(jì)算機(jī)，這三個(gè)部分才構(gòu)成了完整的液位控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)裝置。儀表綜合控制臺(tái)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(hào)接面板。該控制臺(tái)通過插頭與對(duì)象系統(tǒng)連接，結(jié)合實(shí)驗(yàn)裝置水箱主體中應(yīng)用到的不同組件對(duì)象，實(shí)驗(yàn)操作員可以自行連線組成不同的控制系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)幾十種過程控制系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)。計(jì)算機(jī)用于采集控制畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）第4頁臺(tái)中的電流、電壓信號(hào)，使用MCGS組態(tài)軟件系統(tǒng)構(gòu)造和生成上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，并且與系統(tǒng)控制對(duì)象中的電動(dòng)調(diào)節(jié)閥配套使用，組成最佳調(diào)節(jié)回路。利用水箱液位系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)裝置中各個(gè)組件的不同組合情況，可以構(gòu)成多種不同功能的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。例如，開啟與水箱1連接的電動(dòng)調(diào)節(jié)閥以及其底部管道的手動(dòng)閥，關(guān)閉水箱2、水箱3通道的所有閥門，關(guān)閉水箱1、水箱2和水箱3間的連接閥，這時(shí)就可以做單容水箱特性的實(shí)驗(yàn)?；诖耍部梢源蜷_與水箱2的連接閥和水箱2的出水閥，關(guān)閉水箱1出水閥，這樣，就構(gòu)成了雙容水箱特性實(shí)驗(yàn)。本文主要研究雙容水箱系統(tǒng)相關(guān)特性，根據(jù)本課題研究內(nèi)容，需要打開儲(chǔ)水箱與水箱1、水箱2連通的管道閥門，關(guān)閉與水箱2與水箱3連通的閥門，同時(shí)關(guān)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(jié)構(gòu)示意圖。其中，三個(gè)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(jié)構(gòu)示意圖實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的檢測裝置:采用浮漂和滑動(dòng)變阻器實(shí)現(xiàn)對(duì)水箱液位的采集和D/A轉(zhuǎn)換。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu):電動(dòng)調(diào)節(jié)閥:采用智能型電動(dòng)調(diào)節(jié)閥，用來進(jìn)行控制回路流量的調(diào)節(jié)。電動(dòng)調(diào)節(jié)閥型號(hào)為:QSVP-16K。具有精度高、技術(shù)先進(jìn)、體積小、重量輕、推動(dòng)力大、功能強(qiáng)、控畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）第5頁制單元與電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)一體化、可靠性高、操作方便等優(yōu)點(diǎn)，控制信號(hào)為4-20mADC或1-5VDC，輸出4-20mADC的閥位信號(hào)，使用和校正非常方便。1.2.2液位控制系統(tǒng)控制對(duì)象及控制策略工業(yè)生產(chǎn)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(chǎn)的正常，水箱系統(tǒng)控制的難點(diǎn)集中在對(duì)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(jìn)行的。傳統(tǒng)PID調(diào)節(jié)已經(jīng)不適合像液位控制系統(tǒng)這樣的非線性、時(shí)變、多變量禍合的復(fù)雜系統(tǒng)。而模糊控制則以其響應(yīng)速度快、魯棒性強(qiáng)等特點(diǎn)脫穎而出，在液位控制系統(tǒng)控制中得到比較廣泛的應(yīng)用。但是，基本模糊控制器也有其缺點(diǎn)。首先，基本模糊控制器相當(dāng)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(jì)算量大，信息損失嚴(yán)重，且模糊控制表的在線修改不方便?；谶@些原因，人們針對(duì)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(diǎn)，將基本模糊控制器加以改進(jìn)，推出了多種改進(jìn)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(yīng)模糊控制器(本文采用的正是這種控制器)、神經(jīng)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(duì)大滯后系統(tǒng)也能取得良好控制效果而推出Smith預(yù)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(shù)的發(fā)展使