模糊PID 液位控制系統(tǒng)5改后

1、北華大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文）摘 要基于模糊PID液位控制系統(tǒng)設(shè)計隨著微電子工業(yè)的迅速發(fā)展，單片機控制的智能型控制器廣泛應(yīng)用于電子產(chǎn)品中，液位控制在高層小區(qū)水塔水位控制，污水處理設(shè)備和有毒，腐蝕性液體液位控制中也被廣泛應(yīng)用。常規(guī)PID 控制具有算法簡單、可靠性高以及無靜差等優(yōu)點。其核心是參數(shù)的整定，對于確定性的被控對象通過適當(dāng)?shù)恼?PID 參數(shù)，可以獲得比較滿意的控制效果；但對于不確定、大滯后、非線性的復(fù)雜系統(tǒng)，則難以整定其參數(shù)，因此也比較難以達(dá)到預(yù)期的控制效果。而模糊控制不依賴于對象的模型，適應(yīng)能力強，但它的穩(wěn)態(tài)精度差。因此，針對常規(guī) PID 控制和模糊控制的特點，將模糊控制和常規(guī) PID 控制

2、兩者結(jié)合起來，構(gòu)成模糊 PID 控制器。既具有模糊控制靈活、適應(yīng)性強的優(yōu)點，又具有 PID 控制精度高的特點，從而得到理想的控制效果。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工具對控制對象進行了跟蹤設(shè)定值、適應(yīng)對象參數(shù)變化和抗擾動特性方面的仿真研究。仿真結(jié)果表明：模糊PID控制算法與常規(guī)PID算法相比具有魯棒性強和動態(tài)性能好等特點，該控制方法對于雙容水箱系統(tǒng)控制是有效的。 關(guān)鍵詞：PID，雙容水箱，MATLAB仿真北華大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文）AbstractThe Applic

3、ation on Fuzzy PID Controlin Water level control System Along with the rapid development of the microelectronics industry and single-chip microcomputer control of intelligent controller is widely applied in electronic products, liquid level control in high-rise residential towers level control, sewa

4、ge treatment equipment and poisonous, corrosive liquid level control is also widely used. The conventional PID control algorithm is simple, high reliability and poor static. Its core is the parameters uncertainty, for the controlled object through the proper setting PID parameters, can obtain satisf

5、actory control effect, But for uncertain nonlinear delay, and complex system, it's hard to setting its parameters, so also is difficult to achieve the desired effect. And the fuzzy control does not depend on the object model, adaptable, but it's steady precision. Therefore, according to the

6、conventional PID control and fuzzy control characteristic, the fuzzy control and combination of conventional PID control, constitute the fuzzy PID controller. Both has flexible adaptability, fuzzy control, and has the advantages of high precision characteristics of PID control, thus obtains the idea

7、l effect.water level systemIt first builds a mathematical model of the water level controlsystem，illustrating the rationale of PID control，fuzzy control and fuzzy PIDThenit USeS a tool of MATLAB to have a simulating experiment of setpoint tracking，disturbance rejection，andaccommodating to the object

8、S parameter variationTheresults show that comparing with the normal PID algorithm，fuzzy PID controlalgorithm has characteristics such as strong robustness and gooddynamicperformanceThis control method is effective to the doubletank water levelsystemKeywords：PID,dual tank, MATLAB simulation1北華大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（

9、論文）目錄摘 要. 1Abstract . 11.緒論. 51.1 課題研究的背景與意義. 51.1.1 PID控制器的應(yīng)用與發(fā)展. 51.1.2 模糊控制產(chǎn)生的背景與意義. 61.1.3 液位控制系統(tǒng)研究的意義. 71.2 液位控制系統(tǒng)實驗裝置及其控制策略. 81.2.1 水箱液位控制系統(tǒng)簡介. 81.2.2 液位控制系統(tǒng)控制對象及控制策略. 101.3 本文的主要工作. 112.液位控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及其建模. 112.1 水箱系統(tǒng)的結(jié)構(gòu). 112.2 二階對象的結(jié)構(gòu). 132.3 雙容水箱系統(tǒng)的建模. 133.控制算法研究. 153.1 PID控制算法 . 153.1.1 模擬PID調(diào)節(jié)器.

10、33.1.2 數(shù)字PID控制算法. 43.1.3 PlD控制器的特點. 63.2 模糊控制算法. 73.2.1 模糊控制的產(chǎn)生及發(fā)展. 83.2.2模糊控制的特點. 103.2.3 模糊控制的基本概念. 113.2.4 模糊控制的基本理論. 153.3 模糊PID控制簡介. 203.3.1 模糊PID控制器的發(fā)展. 203.3.2 模糊PID控制器的特點. 214.模糊PID算法的研究與仿真. 214.1 模糊PID控制. 224.1.1 模糊PlD控制器的基本理論. 224.1.2 模糊P l D控制原理. 5北華大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文）4.1.3 模糊PID控制算法. 74.2 模糊PID算法

11、與常規(guī)laiD算法的仿真比較. 94.2.1 模糊PID與數(shù)字PID的響應(yīng)性仿真比較. 104.2.2 模糊PID與數(shù)字PID的抗干擾性仿真比較. 114.2.3 模糊PID與數(shù)字PID的適應(yīng)性仿真比較. 114.2.4 本章小結(jié). 12總結(jié)與展望. 3參考文獻. 3附錄. 3致 謝. 4北華大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文）引言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。而實際工業(yè)生產(chǎn)過程中的被控對象往往具有非線性、時延的特點，應(yīng)用常規(guī)的控制手段難以達(dá)到理想的控制效果，研究對非線性、時延對象的先進控制策略，提高系統(tǒng)的控

12、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(xué)、實驗和研究的理想平臺，可以方便的構(gòu)成多階系統(tǒng)對象，用戶既可通過經(jīng)典的PID控制器設(shè)計與調(diào)試，完成經(jīng)典控制教學(xué)實驗，也可通過模糊邏輯控制器的設(shè)計與調(diào)試，迸行智能控制教學(xué)實驗與研究。自動控制理論的形成和發(fā)展經(jīng)歷了經(jīng)典控制理論、現(xiàn)代控制理論和智能控制理論三個階段。其中，經(jīng)典控制理論和現(xiàn)代控制理論是建立在精確的數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)之上的，而智能控制理論適合用來解決系統(tǒng)模型和環(huán)境本身均不確定的問題。1987年智能控制正式成為一門獨立的學(xué)科，它是人工智能、運籌學(xué)和自動控制理論等多學(xué)科相結(jié)

13、合的交叉學(xué)科H1。模糊控制是模仿人的控制過程，其中包含了人的控制經(jīng)驗和知識。因而從這個意義上說，模糊控制也是一種智能控制。模糊控制方法既可以用于簡單的控制對象，也可以用于復(fù)雜的過程。1.1.1 PID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)，并且許多高級控制都是以PID控制為基礎(chǔ)的陽1。我們今天所熟知的PID控制器產(chǎn)生并發(fā)展于19151940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(jié)構(gòu)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(yīng)用于冶金

14、、化工、電力、輕工和機械等工業(yè)過程控制中。PID控制器作為最早實用化的控制器已有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(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，盡管時間已經(jīng)過去半個世紀(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，同時也提出了一種考慮被控過北華大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文）程時滯大小的CohenCoon整定公式。自Ziegler和Ni

15、chols提出PID參數(shù)整定方法起，有許多技術(shù)已經(jīng)被用于PID控制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(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。從目前PID參數(shù)整定方法的研究和應(yīng)用現(xiàn)狀來看，以下幾個方面將是今后一段時間內(nèi)研究和實踐的重點：(1) 對于單入單出被控對象，需

16、要研究針對不穩(wěn)定對象或被控過程存在較大干擾情況下的PID參數(shù)整定方法，使其在初始化、抗干擾和魯棒性能方面進一步增強，使用最少量的過程信息及較簡單的操作就能較好地完成整定。(2) 對于多入多出被控對象，需要研究針對具有顯著耦合的多變量過程的多變量PID參數(shù)整定方法，進一步完善分散繼電反饋方法，盡可能減少所需先驗信息量，使其易于在線整定。(3) 智能PID控制技術(shù)有待進一步研究，將自適應(yīng)、自整定和增益計劃設(shè)定有機結(jié)合，使其具有自診斷功能；結(jié)合專家經(jīng)驗知識、直覺推理邏輯等專家系統(tǒng)思想和方法對原有PID控制器設(shè)計思想及整定方法進行改進；將預(yù)測控制、模糊控制和PID控制相結(jié)合舊1，進一步提高控制系統(tǒng)性能

17、。這些都是智能PID控制發(fā)展的極有前途的方向。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(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

18、的一個分支，1974年英國的Mandani成功將其應(yīng)用于鍋爐和蒸汽機的控制，近幾年來得到了北華大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文）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，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行控制，它具有許多特點：(1) 不需要建立被控對象的數(shù)學(xué)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(xué)模型及具有時變、時滯、非線性、大滯后的復(fù)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(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

19、控制器，而模糊控制規(guī)則是設(shè)計模糊控制器的核心，它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(jīng)驗或?qū)＜抑R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)驗和規(guī)則不夠等因素，都會嚴(yán)重影響控制質(zhì)量。為適應(yīng)現(xiàn)代工業(yè)控制的要求，模糊控制器在應(yīng)用中正朝著自適應(yīng)、自組織、自學(xué)習(xí)方向發(fā)展，使模糊控制真正達(dá)到智能控制的目的。研究智能模糊控制器，可以克服模糊控制器設(shè)計過程中缺乏完整的系統(tǒng)性的不足，使這種控制過程更加符合人們在控制決策過程中的

20、思維特點，充分發(fā)揮其描述不精確控制行為和不受數(shù)學(xué)模型限制的特點；可以改變模糊控制理論相對落后于應(yīng)用的局面，提高過程控制中狀態(tài)發(fā)生大幅變化時的魯棒性，擴大其應(yīng)用范圍，從而使模糊控制對復(fù)雜系統(tǒng)進行更為有效的控制。應(yīng)用智能模糊控制器，可以提高產(chǎn)品的質(zhì)量和產(chǎn)量、降低能耗，經(jīng)濟效益顯著，從而實現(xiàn)生產(chǎn)過程及產(chǎn)品智能化的目標(biāo)。1.1.3 液位控制系統(tǒng)研究的意義隨著工業(yè)生產(chǎn)的飛速發(fā)展，人們對生產(chǎn)過程的自動化控制水平、工業(yè)產(chǎn)品和服務(wù)產(chǎn)品質(zhì)量的要求也越來越高。每一個先進、實用控制算法和監(jiān)測算法的出現(xiàn)都對工業(yè)生產(chǎn)具有積極有效的推動作用。然而，當(dāng)前的學(xué)術(shù)研究成果與實際生產(chǎn)應(yīng)用技術(shù)水平并不是同步的，通常情況下實際生產(chǎn)中

21、大規(guī)模應(yīng)用的算法要比理論方面的研究滯后幾年，甚至有的時候這種滯后相差幾十年。這是目前控制領(lǐng)域所面臨的最大問題，究其根源主要在于理論研究尚缺乏實際背景的支持，一旦應(yīng)用于現(xiàn)場就會遇到各種各樣的實際問題，制約了其應(yīng)用。因而，在目前尚不具有在實驗室中重現(xiàn)真實工業(yè)過程條件的今天，開發(fā)經(jīng)濟北華大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文）實用且具有典型對象特性的實驗裝置無疑是一條探索將理論成果快速轉(zhuǎn)換為實際應(yīng)用技術(shù)的捷徑。多容器流程系統(tǒng)是具有純滯后的非線性耦合系統(tǒng)，是過程控制中的一種典型的控制對象，在實際生產(chǎn)中有著非常廣泛的應(yīng)用背景。用經(jīng)典控制方法和常規(guī)儀表控制這類過程時，常因系統(tǒng)的多輸入多輸出關(guān)系以及系統(tǒng)的內(nèi)部關(guān)聯(lián)而使系統(tǒng)構(gòu)成十

22、分復(fù)雜，會明顯地降低控制系統(tǒng)的調(diào)節(jié)品質(zhì)，在耦合嚴(yán)重的情況時會使各個系統(tǒng)均無法投入運行。液位控制系統(tǒng)液位控制系統(tǒng)是模擬多容器流程系統(tǒng)的多輸入多輸出、大遲延、非線性、耦合系統(tǒng)，它的液位控制算法的研究對實際的工程應(yīng)用有著非常重要的意義。工業(yè)生產(chǎn)過程控制中的被控對象往往是多輸入多輸出系統(tǒng)，回路之間存在著耦合的現(xiàn)象。即系統(tǒng)的某一個輸入影響到系統(tǒng)的多個輸出，或者系統(tǒng)的某一個輸出受到多個系統(tǒng)輸入的影響。有時對該多變量系統(tǒng)進行解耦能夠獲得滿意的控制效果。液位控制系統(tǒng)實驗裝置模擬了工業(yè)現(xiàn)場多種典型的非線性時變多耦合系統(tǒng)，用常規(guī)的控制手段往往很難實現(xiàn)理想的控制效果，因此對其控制算法進行研究具有非常重要的實際意義。

23、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(shù)、計算機技術(shù)、通訊技術(shù)、自動控制技術(shù)為一體的多功能實驗裝置。根據(jù)自動化及其它相關(guān)專業(yè)教學(xué)的特點，吸收了國內(nèi)外同類實驗裝置的特點和長處后，經(jīng)過精心設(shè)計，多次實驗和反復(fù)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、前饋一反饋控制、比值控制、解耦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(qū)動三大部分構(gòu)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

24、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(diào)節(jié)閥用來進行控制回路流量的調(diào)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(diào)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(dá)到最大值時經(jīng)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(gòu)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I0信號接口北

25、華大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文）面板。該控制臺通過插頭與對象系統(tǒng)連接，結(jié)合實驗裝置水箱主體中應(yīng)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臺中的電流、電壓信號，使用MCGS組態(tài)軟件系統(tǒng)構(gòu)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(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)實驗裝置中各個組件的不同組合情況，可以構(gòu)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(diào)節(jié)閥以及其底部管道的手動閥，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，這時就可以做單容水箱特性的實驗?；诖?，也可以打開與水箱2

26、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驗。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DA轉(zhuǎn)換。實驗系統(tǒng)的執(zhí)行機構(gòu)：電動調(diào)節(jié)閥：采

27、用智能型電動調(diào)節(jié)閥，用來進行控制回路流量的調(diào)節(jié)。電動調(diào)節(jié)閥型號為：QSVP-16K。具有精度高、技術(shù)先進、體積小、重量輕、推動力大、北華大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文）功能強、控制單元與電動執(zhí)行機構(gòu)一體化、可靠性高、操作方便等優(yōu)點，控制信號為4-一20mA DC或l5V DC，輸出4一-20mA DC的閥位信號，使用和校正非常方便。技術(shù)指標(biāo)：電源220VAC 50Hz輸入控制信號：420mA DC或l5V DC公稱壓力：16Mpa公稱直徑：20mm重復(fù)精度：±1介質(zhì)溫度：一4+200行程：10mm功耗：5VA工作溫度：一580。1.2.2 液位控制系統(tǒng)控制對象及控制策略工業(yè)生產(chǎn)過程中的液位控制必

28、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(diào)節(jié)已經(jīng)不適合像液位控制系統(tǒng)這樣的非線性、時變、多變量耦合的復(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(yīng)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(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，

29、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?，為了能在線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)展使模糊控制理論更加迎合控制場合的要求，使得模糊控制技術(shù)得到更廣泛的應(yīng)用。北華大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文）1.3 本文

30、的主要工作水箱液位控制系統(tǒng)實驗裝置模擬了工業(yè)現(xiàn)場多種典型的非線性時變多耦合系統(tǒng)，液位是水箱控制系統(tǒng)中的重要參數(shù)之一，本文就是針對液位參數(shù)的控制展開研究。本文對液位控制系統(tǒng)控制系統(tǒng)進行了分析結(jié)構(gòu)、抽取簡化出二階對象結(jié)構(gòu)，然后針對所選取的二階對象進行控制策略的討論和研究。采用了模糊PID控制進行仿真，與簡單PID控制效果進行比較。本文在分析液位控制系統(tǒng)的特點及其控制要求的基礎(chǔ)上，為解決系統(tǒng)超調(diào)量大、調(diào)節(jié)時間長等問題，討論了模糊PID的液位控制方法，即將模糊控制與傳統(tǒng)的PID控制結(jié)合，用模糊控制理論來整定PID控制器的比例、積分、微分系數(shù)，建立參數(shù)模糊規(guī)則表，通過模糊合成推理算法獲得模糊控制決策表，

31、提高對水箱液位的控制精度，并對系統(tǒng)的液位控制進行模擬仿真，以期達(dá)到令人滿意的效果。具體來說，本文所做的工作主要包括：(1) 概述了模糊及PID控制算法的發(fā)展以及在工業(yè)控制中的應(yīng)用。對水箱控制系統(tǒng)進行了介紹，討論了對控制對象的一些控制策略。(2) 介紹了液位控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，選取了經(jīng)過簡化的二階對象作為本文控制對象，并對控制對象進行建模分析，建立本文采用的雙容水箱系統(tǒng)模型。(3) 先介紹了PID控制算法和PID控制器的特點，隨后介紹了模糊控制的相關(guān)概念和PID控制的發(fā)展等內(nèi)容。作為本文的理論基礎(chǔ)，著重介紹了模糊PID控制的基本理論。(4) 分析驗證模糊PID控制器在液位控制系統(tǒng)中的應(yīng)用，并且和常規(guī)

32、PID控制算法進行仿真比較，對控制對象進行了跟蹤設(shè)定值、適應(yīng)對象參數(shù)變化和抗擾動特性方面的仿真研究和分析比較，從而看到模糊PID控制算法響應(yīng)動作快，超調(diào)量小，魯棒性強等優(yōu)點。從仿真曲線看出，模糊PID控制算法與數(shù)字PID相比在響應(yīng)速度、超調(diào)量、擾動性等方面均存在著明顯的優(yōu)勢，而在適應(yīng)對象參數(shù)變化特性方面的優(yōu)點表現(xiàn)得也很突出。2.液位控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及其建模2.1 水箱系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)水箱液位控制系統(tǒng)有多種系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，其中液位控制系統(tǒng)液位控制系統(tǒng)由水箱主體、檢測元件(液位傳感器)、潛水泵、數(shù)據(jù)采集卡及工控計算機(內(nèi)有ISA總線插槽、)構(gòu)成，總體結(jié)構(gòu)的原理圖如圖2-1所示。水箱主體由三個圓柱型玻璃容器、一個回

33、收水槽、兩個連接閥門、三個泄水閥門及兩個調(diào)整進水閥門的步迸電機和連接構(gòu)件組成。北華大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文）三個玻璃容器：Tankl(T1)，Tank2(T2)和Tank3(T3)通過兩個連接閥f-jCVl和CV2依次連接。三個容器分別通過泄水閥f-j LVl，LV2和LV3排出容器里的水，排出的水流進下面的回收水槽中，用來供潛水泵使用，潛水泵抽出的水通過兩個進水閥門(見圖2.1中的閥f-j 1和閥門2)進入容器T1和T3，這樣就構(gòu)成了一個封閉的回路。圖2.1液位控制系統(tǒng)液位控制實驗裝置三個容器上各裝有一個由浮漂和滑動變阻器組成的自制的液位傳感器作為測量元件，用來測量液位。兩個進水閥門通過兩個步進電

34、機的轉(zhuǎn)動控制其開度，達(dá)到調(diào)節(jié)進水流量的目的。計算機通過數(shù)據(jù)采集卡完成從液位傳感器采集的電壓信號的D轉(zhuǎn)換，同時通過PC機自帶的并行端口輸出脈沖給步進電機的驅(qū)動器，驅(qū)動步進電機，帶動步進電機所連接的進水閥門從而調(diào)節(jié)進水流量，執(zhí)行各種控制算法。三個泄水閥f-LVl，LV2和LV3可以保證實驗結(jié)束后完全放掉容器中的水。由于水箱液位對象具有慣性特性，因此可以通過連接閥門和泄水閥門的組北華大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文）合，由這三個水箱的串接來模擬具有一階、二階、三階慣性加純滯后的過程對象；更可以實現(xiàn)該裝置的一個典型工作狀態(tài)一雙入雙出非線性對象。同時由于有泄水閥(LVl，LV2和LV3的存在，通過它們的組合，可以在實

35、驗中模擬各種實際應(yīng)用故障，所以本實驗裝置還可以做為故障診斷和容錯控制的研究設(shè)備，為研究復(fù)雜系統(tǒng)的可靠性帶來了便利?；谙到y(tǒng)能模擬不同情況的對象的特性，采取適當(dāng)?shù)拇腱?，我們選取二階對象作為本文的控制對象。2.2 二階對象的結(jié)構(gòu)關(guān)掉其它閥門，只打開連接閥門cVl和泄水閥I'LV2，以進水閥門1的開度作為控制輸入，水箱T2的液位作為系統(tǒng)輸出，即可實現(xiàn)SIS0二階慣性對象。通過調(diào)節(jié)進水閥門l和泄水閥門LV2的開度，考慮浮漂液位傳感器的不敏感性和進水管的長度，可以模擬二階系統(tǒng)中的純滯后環(huán)節(jié)。二階對象的原理圖如圖2.2所示。圖2.2二階對象的原理圖2.3 雙容水箱系統(tǒng)的建模要控制一個過程，必需了解

36、過程的特性，過程特性的數(shù)學(xué)描述就稱為數(shù)學(xué)模型。在控制系統(tǒng)的分析和設(shè)計中，過程的數(shù)學(xué)模型是極為重要的基礎(chǔ)資料。模型的建立途徑可分機理建模與實驗測試兩大類，本文采用機理建模。針對上述的雙容水箱結(jié)構(gòu)，根據(jù)物料平衡原理，可以得到系統(tǒng)的動態(tài)方程：ìdh1ïsdt-Q1-Q12 （2.1）ídh2ïS-Q12-Q20îdt北華大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文）ìQ1=KX1X1ïíQ12=sign(h1-h2)u12Sn2gh1-h2ïQ20=u20Sn2gh2î (2.2)其中Q12為水箱1到水箱2的流量，Q1為水箱的

37、進水流量，Q20為水箱2的出水流量，x1為閥的開度，u12為水箱1,2之間管道的流量系數(shù)，u20 為水箱2出水管道的流量系數(shù)，Sn為連接水管的截面積。北華大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文）3.控制算法研究3.1 PID控制算法按偏差的比例、積分和微分進行控制的調(diào)節(jié)器簡稱為PID調(diào)節(jié)器，它是連續(xù)系統(tǒng)中技術(shù)成熟、應(yīng)用最為廣泛的一種調(diào)節(jié)器。PID調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)簡單，參數(shù)易于調(diào)整，在長期應(yīng)用中已積累了豐富的經(jīng)驗。PID調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)簡單，參數(shù)易于調(diào)整，在長期應(yīng)用中己積累了豐富的經(jīng)驗。特別在工業(yè)過程中，由于控制對象的精確數(shù)學(xué)模型難以建立，系統(tǒng)的參數(shù)又經(jīng)常發(fā)生變化，運用現(xiàn)代控制理論知識要耗很大代價進行模型辨識，但往往得不到預(yù)期

38、的效果，所以常采用PID調(diào)節(jié)器，并根據(jù)經(jīng)驗進行在線整定。在PID控制算法中，比例、積分、微分三種控制方式各有其獨特的作用，比例控制是基本的控制方式，自始至終起著與偏差相對應(yīng)的控制作用：添入積分控制后，可以消除純比例控制無法消除的余差；而添入微分控制，則可以在系統(tǒng)受到快速變化干擾的瞬間，及時加以抑制，增加系統(tǒng)的穩(wěn)定程度。將三種方式組合在一起，就是比例積分微分(PID)控制。由于軟件系統(tǒng)的靈活性，PID算法可以得到修正而更加完善?？刂破鞯幕究刂埔?guī)律有比例(Proportional或P)、積分(Integral或I)和微分(Differential或D)幾種，工業(yè)上所用的控制規(guī)律是這些基本規(guī)律之間

39、的不同組合。PID控制產(chǎn)生并發(fā)展于19151940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(jié)構(gòu)簡單，對模型誤差具有魯棒性及易于操作等優(yōu)點，迄今仍被廣泛應(yīng)用于工業(yè)過程控制。北華大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文）3.1.1 模擬PID調(diào)節(jié)器如圖3.1所示，常規(guī)PID控制系統(tǒng)主要由PID控制器和被控對象組成。圖3.1模擬PID控制系統(tǒng)PID控制器是一種線性控制器，它根據(jù)給定值r(t)與輸出d呈y(t)構(gòu)成的控 KONG制偏差，將偏差按比例、積分和微分通過線性組合構(gòu)成控制量，對被控對象進行控制，故稱為PID控制器。其控制規(guī)律為：ì1u(t)=Kpíe(t)+TI

40、îòt0e(t)dt+Tdde(t)ü（3.1） ý dtþ對應(yīng)的模擬PID湄J節(jié)器的傳遞函數(shù)為：D(s)=U(s)E(s)=Kpæö1÷+ç1+Ts（3.2） d÷ çTsièø其中，e(t)=r(t)-y(t)，Kp比例系數(shù)，Ti為積分時間常數(shù)，Td為微分時間常數(shù)。從式(3.1)看到，PID控制器的控制輸出由比例、積分、微分三部分組成。這三部分分別是：(1) 比例部分Kpe(t)在比例部分，比例系數(shù)Kp的作用在于加快系統(tǒng)的響應(yīng)速度，提高系統(tǒng)調(diào)節(jié)精度。加大Kp值，

41、可以提高系統(tǒng)的開環(huán)增益，加快系統(tǒng)的響應(yīng)速度，減小系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差，從而提高系統(tǒng)的控制精度，但會降低系統(tǒng)的相對穩(wěn)定性，甚至可能造成閉環(huán)系統(tǒng)不穩(wěn)定，使系統(tǒng)動、靜態(tài)特性變壞。3北華大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文）(2) 積分部分KPTIòt0e(t)dt從積分部分的數(shù)學(xué)表達(dá)式可以知道，只要存在偏差，則它的控制作用就會不斷積累。由于積分作用，當(dāng)輸e(t)消失后，輸出信號的積分部分KTIpòt0e(t)dt有可能是一個不為零的常數(shù)?？梢?，積分部分的作用可以消除系統(tǒng)的偏差。在串聯(lián)校正時，采用I控制器可以提高系統(tǒng)的型別，以消除或減小系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差，改善系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能。但積分控制使系統(tǒng)增加了一個位于原點的

42、開環(huán)極點，使信號產(chǎn)生90。的相角滯后，于系統(tǒng)的穩(wěn)定性不利。因此，在控制系統(tǒng)的校正設(shè)計中，通常不宜采用單一的I控制器。(3) 微分部分KPTdde(t)dt微分部分的作用在于改善系統(tǒng)的動態(tài)特性。PID控制器的微分環(huán)節(jié)能反應(yīng)輸入信號的變化趨勢，產(chǎn)生有效的早期修正信號，以增加系統(tǒng)的阻尼程度，從而改善系統(tǒng)的穩(wěn)定性。因為微分部分作用只對動態(tài)過程起作用，而對穩(wěn)態(tài)過程沒有影響，且對系統(tǒng)噪聲非常敏感，所以單一的D控制器在任何情況下都不宜與被控對象串聯(lián)起來單獨使用。通常，微分控制規(guī)律總是與比例控制規(guī)律或比例一積分控制規(guī)律結(jié)合起來，構(gòu)成組合的PD或PID控制器，應(yīng)用于實際的控制系統(tǒng)。當(dāng)利用PID控制器進行串聯(lián)校正

43、時，除可使系統(tǒng)的型別提高一級外，還將提供兩個負(fù)實零點。與PI控制器相比，PID控制器除了同樣具有提高系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能的優(yōu)點外，還多提供一個負(fù)實零點，從而在提高系統(tǒng)動態(tài)性能方面，具有更大的優(yōu)越性。因此，在工業(yè)過程控制系統(tǒng)中，廣泛使用PID控制器。PID控制器各部分參數(shù)的選擇，在系統(tǒng)現(xiàn)場調(diào)試中最后確定。通常，應(yīng)使I部分發(fā)生在系統(tǒng)頻率特性的低頻段，以提高系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能；而使D部分發(fā)生在系統(tǒng)頻率特性的中頻段，以改善系統(tǒng)的動態(tài)性能。3.1.2 數(shù)字PID控制算法數(shù)字PID控制在生產(chǎn)過程中是一種最普遍采用的控制方法，自從計算機進入控制領(lǐng)域以來，用數(shù)字計算機代替模擬計算機調(diào)節(jié)器組成計算機控制系統(tǒng)，不僅可以用軟

44、件實現(xiàn)PID控制算法，而且可以利用計算機的邏輯功能，使PID控制更加靈活。在工業(yè)過程控制中，模擬PID調(diào)節(jié)器有電氣、氣動、液壓等多種類型。這類模擬調(diào)節(jié)儀表是用硬件來實現(xiàn)PID調(diào)節(jié)規(guī)律的。自從計算機進入控制領(lǐng)域以來，用計算機軟件(包括PLC的指令)來實現(xiàn)PID調(diào)節(jié)算法不但成為可能，而且具有更大的靈活性n引。在計算機控制系統(tǒng)中，PID控制規(guī)律的實現(xiàn)必須用數(shù)值逼進的方法。當(dāng)采樣周期相當(dāng)短時，用求和代替積分，用后向差分代替微分，使模擬PID離散4北華大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文）化變?yōu)椴罘址匠蘮們。隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，實際應(yīng)用中大多采用數(shù)字PID控制器。數(shù)字PID控制算法通常分為位置型和增量型兩種。(1) 位

45、置型PID控制算法由于計算機控制是一種采樣控制，它只能根據(jù)采樣時刻的偏差值計算控制量。因此連續(xù)PID控制算法不能直接使用，需要進行離散化處理。因此，必須把式(3-1)變換成差分方程，以一系列的采樣時刻點燈代替連續(xù)時間t，以和式代替積分，以增量代替微分，則可作如下近似變換：òt0ke(t)dt=åTe(i) （3.3） i=0de(t)dt=e(k)-e(k-1) (3.4)T式中，T為采樣周期，k為采樣序號。上述離散化過程中，采樣周期T必須足夠短，才能保證有足夠的精度。由式(3.1)、(3.3)和(3.4)可得數(shù)字PID位置型控制算式為：ìTu(k-1)=kp&#

46、237;e(k-1)+Tiîk-1åi=0üe(i)+éëe(k-1)-e(k-2)ùûý (3.5) TþTd式(3-5)也可被寫為：u(k)=KPe(k)+Kiåe(i)+Kde(k)-e(k-1) (3.6)i-0k式(3.5)或(3.6)表示的控制算法提供了執(zhí)行機構(gòu)的位置u(k)，如閥門的開度，所以被稱為數(shù)字PID位置型控制算式。數(shù)字PID位置型控制算法的簡化示意圖如圖3.2所示。5圖3.2數(shù)字PID位置型控制示意圖這種算法的缺點是，由于全量輸出，所以每次輸出均與過去的狀態(tài)有關(guān)，計算時要

47、對e(k)進行累加，計算機運算的工作量大。而且，因為計算機的輸出對應(yīng)的是執(zhí)行機構(gòu)的實際位置，如果計算機出現(xiàn)故障，u(k)的大幅度變化會引起執(zhí)行機構(gòu)位置的大幅度變化，這種情況往往是生產(chǎn)實踐中不允許的，在某些場合，還可能造成重大的生產(chǎn)事故。為了避免這種情況的發(fā)生，因而產(chǎn)生了增量型PID算法。(2) 增量型PID控制算法所謂增量型PID是指數(shù)字控制器的輸出是控制器的增量u(k)似)。當(dāng)執(zhí)行機構(gòu)需要的不是控制量的絕對值，而是其增量(例如驅(qū)動步進電機)時，應(yīng)采用增量型PID控制。增量型PID控制系統(tǒng)如圖3.3所示。圖3.3數(shù)字PID增量型控制示意圖圖3.3數(shù)字PID增量型控制示意圖由式(3.5)可看出，

48、位置型控制算式不夠方便，這是因為要累加偏差e(i)，不僅要占用較多的存儲單元，而且不便于編寫程序，為此可對式(3.5)進行改進根據(jù)式(3.5)不難寫出u(k一1)的表達(dá)式，即：ìTu(k-1)=Kpíe(k-1)+TIîk-1åi=0e(i)+TdTe(k-1)-e(k-2)ý (3.7)þü將式(3.5)和式(3.7)相減，即得數(shù)字PID增量型控制算式為：Du(k)=u(k)-u(k-1)=KPe(k)-e(k-1)+KIe(k)+Kde(k)-2e(k-1)+e(k-2) (3.8)式(3.8)稱為增量式PID控制算法，其中，KP=1d稱為比例增益；北華大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文）Ki=KTpTi稱為積分系數(shù)；Kd=KPTdT稱為微分系數(shù)。為了編程方便，可將式(3.8)整理成如下形式：Du(k)=q0e(k)+q1e(k-1)+q2e(k-2) (3.9) 其中，q0=Kp(1+TTi+TdT); q1=-Kp(1+2TdTTdT); q2=Kp?？梢娫隽啃蚉ID算法只需要保持現(xiàn)時以前3個時刻的偏差值，即可由式(38)或(3-9)求出控制增量。采用增量型算法時，計算機輸出的控制增量血似)對應(yīng)的是執(zhí)行機構(gòu)位置(例如步進