過程控制實驗裝置的雙容液位控制系統(tǒng)設計

摘要摘要雙容水箱液位控制系統(tǒng)廣泛應用于食品生產、工業(yè)化工等各個領域。雙容液位控制系統(tǒng)具有非時變、滯后等特點，根據這一特點，分別應用了PID控制、模糊控制等控制策略?；趯^程控制實驗裝置的了解，建立了過程實驗裝置與西門子PLC的硬件連接。然后，基于PLC實現了過程實驗裝置雙容液位控制系統(tǒng)的設計，并對實驗結

果進行了對比分析。在此基礎上，基于OPC接口技術，建立西門子PLC與MATLAB軟件的數據通訊。進而，采用模糊控制算法應用MATLAB軟件中的模糊控制工具

箱，實現了對過程實驗裝置雙容液位的控制。最后，對實驗結果進行了對比分析，得出了模糊控制算法在雙容液位控制系統(tǒng)中應用的優(yōu)點。關鍵詞：雙容液位；PLC；PID控制；模糊控制--ABSTRACTProcesscontroldeviceofLiquidLevelControlSystemDesignABSTRACTTwin-tankwaterlevelcontrolsystemiswidelyusedinvariousfieldssuchasfood

production,industrialchemicals.LiquidLevelcontrolsystemwithanon-time-varying

characteristicsofthelag,accordingtothisfeature,eachapplicationofthePIDcontrol,

fuzzycontrolandothercontrolstrategies.Basedontheprocesscontroldeviceofunderstanding,thecourseoftheexperiment

apparatusconnectedtoaSiemensPLChardware.Then,basedonPLCachievedduring

experimentalapparatusLiquidLevelControlSystem,andtheexperimentalresultswere

comparedandanalyzed.Onthisbasis,basedontheOPCinterfacetechnology,establish

datacommunicationSiemensPLCwithMATLABsoftware.Furthermore,theuseofthe

experimentaldeviceforLiquidLevelProcessControlFuzzyControlMATLAB

softwarefuzzycontroltoolboxachieved.Finally,theexperimentalresultswere

comparedandanalyzed,weobtainedadvantagesoffuzzycontrolalgorithminLiquid

LevelControlSystem.KeyWordsLiquidLevel;PLC;PIDControl;FuzzyControl目錄目錄摘要................................................................................................................................IABSTRACT.....................................................................................................................II第1章緒論.......................................................................................................................11.1選題的背景及意義..............................................................................................11.2國內外研究現狀..................................................................................................21.2.1過程控制系統(tǒng)研究現狀...........................................................................21.2.2雙容液位控制概論...................................................................................31.2.3模糊控制研究現狀...................................................................................41.3本文研究內容......................................................................................................5

第2章過程實驗裝置的雙容液位系統(tǒng)...........................................................................62.1裝置介紹......................................................................................................................62.2對象特性分析.....................................................................................................92.3控制需求分析..............................................................................................................9

第3章過程實驗裝置的雙容液位控制系統(tǒng)設計..........................................................113.1控制系統(tǒng)設計.........................................................................................................113.2基于PLC的雙容液位控制.......................................................................................123.2.1PLC控制程序..................................................................................................133.2.2PID參數整定...................................................................................................153.2.3傳遞函數的求解與OPC的連接...................................................................153.3實驗結果分析..........................................................................................................223.4小結............................................................................................................................25第4章基于PID的Matlab和模糊控制仿真...................................................................274.1數據通訊系統(tǒng)............................................................................................................274.2基于PID控制器的模糊控制系統(tǒng)設計.....................................................................294.2.1模糊控制器的編寫.........................................................................................294.2.2模糊控制器的編寫.........................................................................................304.2.3模糊控制仿真設計.........................................................................................374.3實驗結果對比分析....................................................................................................40第5章總結.....................................................................................................................44參考文獻......................................................................................................................45

附錄A附錄內容名稱....................................................................................................46致謝.............................................................................................................................49中國石油大學（北京）本科畢業(yè)設計（論文）第1章緒論1.1選題的背景及意義雙容水箱在工業(yè)生產過程中極其常見，是工業(yè)生產常用的控制設備之一。它是由裝有閥門、變送器、傳感器的兩個水箱通過管道上下連接而成。在生產工程中，通常需要對下水箱液位進行定值控制，與此同時選取上水箱進水流量為操縱變量，對下水箱液位進行控制。對其液位的控制通常采用模擬儀表、計算機、PLC

等單回路控制。雙容水槽一般表現出二階特性，廣泛應用于生產生活中。液位是工業(yè)生產中最常見的控制參數之一，而液位控制也是過程控制中的典型案例。液位控制得好壞直接影響產品的質量，甚至成為產品制造成敗的關鍵，所以液位控制具有廣泛的實際應用價值和應用前景[1]。液位的高低在生產中是一個重要的參數，應用非常廣泛。生產中常需測量油罐等容器內的液面高度以計算產品產量和原料消耗，作為經濟核算的依據。蒸汽鍋爐運行時，必須保證汽包水位有一定的高度，化工反應塔內，常需保持一定的液位也取得較高的生產率。單回路反饋控制原理以及PID控制原理是計算機控制技術的基礎。控制對象的動態(tài)特性和數學模型是分析和設計控制系統(tǒng)的基礎資料和基本依據。對被控過程進行研究分析、實施控制，尤其是進行最優(yōu)設計時，必須首先建立其數學模型，因此，數學模型對過程控制系統(tǒng)的分析設計、實現生產過程的優(yōu)化控制具有極為重要的意義。在對水箱建立PID控制之后，為了加強控制效果，本文增加了模糊控制這一先進控制方案。模糊控制是一種以模糊集合論、模糊語言變量和模糊邏輯推理為基礎的一種計算機數字控制技術，它具有可控非線性、擬人思維、不拘泥于數學模型建立的特點。模糊控制可以應用于控制難以取得相對準確的機理模型的水箱液位，它本身是一種基于數學定義的控制策略，而且在控制時有著相對的獨立性，在應對一些因為出發(fā)點和控制指標出現較大差異的模型時，有著良好的效果。在現在的工業(yè)生產中，會出現很多難以具體確定模型的控制方案，在這個時候，不需要具體數學模型而只需要系統(tǒng)辨識的模糊控制可以派上相當大的作用。也正因為模糊控制的以上特點，使得各行各業(yè)對模糊控制的研究一直在進行中，模糊控制器更是廣泛應用于生產生活的各個領域。本文以雙容水箱為基礎，在參考了國內外相關文獻之后，先確立了以PID控制為基礎的控制方案，在完成該控制方案之后又在MATLAB軟件上加入了先進控制

策略，并在Simulink上進行了對照仿真實驗，最終基本完成了畢業(yè)設計的任務。1.2國內外研究現狀雙容水箱液位控制系統(tǒng)作為一種十分基礎的控制系統(tǒng)被作為一種教學模型廣泛應用于國內各大高校，以此為研究對象的大學就有清華大學、合肥工業(yè)大學、中國石油大學等多所理工科大學。在液位控制系統(tǒng)中，經常得到應用的是PID控制方案，但除此之外，隨著技術的發(fā)展，諸如神經網絡控制、模糊控制、預測控制等先進中國石油大學（北京）本科畢業(yè)設計（論文）控制方案也得到了很快的發(fā)展，在統(tǒng)計中，大概有百分之八十以上是應用的PID控制。也正因為其應用的廣泛性，所以使得國內外各大廠家對其進行不斷的研究與更新設備，客觀上帶動了液位控制系統(tǒng)的發(fā)展。液位控制系統(tǒng)在國內經常應用于石油石化、化工、污水處理等各個領域，可以說應用廣泛，但客觀的評價，國內的液位控制器跟世界一流水平還有著不小的差距，尤其是與國外發(fā)達國家諸如美國、德國、日本等工業(yè)化自動化先進的國家相比較。目前，國內液位控制還主要依靠的是PID控制，PID控制雖然很經典，但也有著一定的局限性，比如說它只能適應一般的控制系統(tǒng)，對于要求控制精度較高、較細的控制場合還有著很大的區(qū)別?？偠灾?，在先進控制領域，國內技術還不成熟，適用于先進控制的商業(yè)控制儀表還難以形成品牌化。反觀之國外，在先進控制領域已經超過我國很多了，而且其先進產品在自調、自整定、自開車方面已經相對成熟，液位控制領域發(fā)展迅速。其中德國、日本、美國等都有廠家生產出了一批商品化的、性能優(yōu)異的液位控制器以及液位儀表，在各大領域都得到了很廣泛的應用，我國在液位控制領域還有著很長的路要走。1.2.1過程控制系統(tǒng)研究現狀過程控制的發(fā)展并不是一個孤立的過程，相反這一新興的學科是跟隨著控制理論、儀表專業(yè)、計算機技術、化工生產、石油石化等多個相關學科一起發(fā)展的[2]。過程控制的發(fā)展大體上可以分為三個發(fā)展階段[3]：70年代以前可以看作是第一階段，它是以經典控制理論為核心。第二階段則是70年代到80年代，它是以現代控制理論為核心。第三階段是90年代，是以控制論、信息論、系統(tǒng)論、人工智能等學科交叉

，接下來本文將會簡要介紹一下這三個階段。在第一階段中，這一階段的主要理論核心是經典控制理論，它又被稱為自動化孤島模式，蓋因為它的控制目標僅僅是保證生產的平穩(wěn)運行：諸如在石化石油領域對進入物料多少、高低限、安全問題的實現大多運用的就是對這一理論思想的實現。在第二階段中，出現了一個變革思想的新系統(tǒng)，它就是分布式工業(yè)控制計算機系統(tǒng)（DCS），它的出現為先進控制理論創(chuàng)造了條件與應用環(huán)境.在這一系統(tǒng)下，諸如預測控制、神經網絡控制、模糊控制等先進控制方法得到了新的發(fā)展與應用，并使得工業(yè)流程的控制進入了一個新的領域，為實現高產低耗的控制目標更進了一步。在第三階段里，80年代后期工業(yè)，隨著新興

工業(yè)的飛速發(fā)展，多學科的相互滲透，僅僅是先進控制理論與分布式工業(yè)控制計算機系統(tǒng)已經不能夠滿足工業(yè)生產目標的要求。隨之興起的的人工智能、智能控制、信息庫的、大數據、計算機通訊技術與新型網絡的出現也讓人們的視野更加的開闊，為實現更高水平的自動控制提供了理論基礎和實踐手段。時至今日，過程控制系統(tǒng)仍然在不斷的發(fā)展著，現在的控制思路也隨著人們對可持續(xù)發(fā)展思路的變化而變化，為了滿足可持續(xù)發(fā)展的時代主題，工作人員與科研人員也開始不斷研究既保證生產效率、少出事故、平穩(wěn)發(fā)展的生產要素，也要滿足保護環(huán)境、較少能耗、減少成本等多方面因素，最大程度上的在滿足市場需求的基礎上，發(fā)展技術，提高技術競爭力。中國石油大學（北京）本科畢業(yè)設計（論文）1.2.2雙容液位控制概論雙容液位控制作為一種典型的控制回路在上世紀50年代便開始被人所研究。最開始的控制思路是以經典PID控制為基礎，發(fā)展而來的串級控制、均勻控制、前饋控制、比值控制等，一般稱之為復雜控制。在20世紀70年代中后期，隨著可編程

控制器PLC（ProgrammableLogicController）、分布式控制系統(tǒng)DCS（DistributedControlSystem）的出現，更是為雙容液位控制提供了新的硬件平臺。時間往后推移，20世紀80年代后期至今，隨著先進控制理論的不斷發(fā)展，諸如模糊控制、神經網絡控制

、預測控制等更適應于各種環(huán)境的先進控制策略應運而生。先進控制的先進性主要體現在當常規(guī)控制無法解決的一些情況下，先進控制可以對癥下藥，完成復雜的控制指標，可以說先進控制將會成為未來過程控制的發(fā)展方向?，F今，我國過程控制系統(tǒng)主要使用的是分布式控制系統(tǒng)（DCS）、可編程控制器

（PLC）、進程間通信（IPC）三種系統(tǒng)，其中DCS的主要設計思路是控制分散、管理集中，因為其控制分散的特點，使得其安全性與之前的集中系統(tǒng)相比較得到了很大的提高，因此成為了大中型企業(yè)控制系統(tǒng)的首選方案。進程間通信系統(tǒng)（IPC）作為一種配有各種輸入輸出接口和工業(yè)應用軟件的溝通性過程控制系統(tǒng)，具有著開放性、靈活性、聯網性、溝通性的優(yōu)點，再加上其擁有著極強的計算機處理能力與圖像顯示功能，使得它成為工業(yè)控制領域里的佼佼者。而本文用到的可編程邏輯控制器(PLC)則誕生于二十世紀中葉，應工業(yè)發(fā)展的要求，這種功能強大的通用控制設備在之后的歲月里得到了廣泛的應用[4]。在國內很多的工業(yè)自動生產線中和大小企業(yè)自動化控制系統(tǒng)中，PLC都被首選為控制程序軟件。PLC具有功能的多樣化與簡便化的優(yōu)點，在可編程控制器中，我們既可以應用大規(guī)模集成電路技術、數據采集與控制，又可以對進行的工程進行邏輯控制與過程控制，在此基礎上加上PLC本身具有著結構緊湊、運行速度快、可靠性高（跟D

CS一樣）的特點，這也使得PLC應用廣泛。本文的雙容水箱液位控制在之后章節(jié)也將會應用到西門子S7-200PLC編程的內容。1.2.3模糊控制研究現狀模糊控制是以模糊集合論、模糊語言變量和模糊邏輯推理為基礎的一種計算機數字控制技術。1965年美國的扎德創(chuàng)立了模糊集合論,1973年,他給出了模糊邏輯控制的定義和相關的定理。1974年英國的Mamdani首先用模糊控制語句組成模糊控制器,并把它用于鍋爐和蒸汽機的控制,在實驗室獲得成功,這一開拓性的工作標志著模糊控制論的誕生[5]。模糊控制主要是模擬人的思維、推理和判斷的一種控制方法,它將人的經驗、常識等用自然語言的形式表達出來,建立一種適用于計算機處理的輸入輸出過程模型,是智能控制的一個重要研究領域。從信息技術的觀點來看,模糊控制是一種基于規(guī)則的專家系統(tǒng)。從控制系統(tǒng)技術的觀點來看,模糊控制是一種普遍的非線性特征域控制器[6]。模糊控制具有以下特點：中國石油大學（北京）本科畢業(yè)設計（論文）1.模糊控制采用語言性直接控制方法，其設計基礎是專家和實際科研人員本身的知識和實踐所得結論，在實際控制中并不需要精確的數學模型，而只需要通過系統(tǒng)辨識得到相關的函數就可以編寫相應的控制規(guī)則。2.由于工業(yè)生產中經常會遇到很多數學模型難以計算和求取的情況，所以在這個時候應用模糊控制的方法就可以取得很好的效果，尤其對那些動態(tài)不易掌握的被控對象非常適用。3.一般在模型計算中，常常因為出發(fā)點和性能指標的不同導致較大差異，但是類似模糊控制這一類的語言控制規(guī)則卻具有相對的獨立性，利用相應控制之間的連接，將會更容易找到平衡點，且效果優(yōu)于常規(guī)控制器。模糊控制的研究主要體現在控制器的研究和開發(fā)以及各類實際應用中,目前模糊控制已經應用在各個行業(yè)。各類模糊控制器也非常多,模糊控制器的研究一直是控制界研究的熱點問題[7]。1.3本文研究內容1.本文設計的雙容液位控制系統(tǒng)所用裝置使用的是AE混合溫度與液位實驗裝置，其由主體設備、PLC控制柜、Unical渦旋空氣壓縮機、儲氣罐及上位機組成。在選擇好本文所使用的液位回路后，根據機柜說明書，對其正確接線。2.本文將對控制雙容水箱的PLC可編程控制器進行著重研究，在PLC上進行編程設計，從而實現對液位的控制。3.在完成了以上內容，實現對水箱的PID控制之后，本文將研究MATLAB軟件，首先實現其與實驗裝置的數據通訊，之后對所得數據進行辨識研究，最后將有數據得出的傳遞函數送入Simulink仿真中，依次在仿真實驗里進行PID、模糊控制實驗，最后將結果進行對比分析，得出結論。第2章過程實驗裝置的雙容液位系統(tǒng)2.1裝置介紹AE裝置可根據不同的實驗內容，通過各手動球閥的開閉進行自由組合，形成適合不同實驗要求的控制回路，該裝置有結構緊湊、使用方便、功能齊全、綜合性能好等優(yōu)點。在混合溫度與液位實驗裝置上能夠較好完成自動化專業(yè)與過程控制課程相關的實踐項目?；旌蠝囟扰c液位實驗裝置主要由主體設備、PLC控制柜、Unical渦旋空氣壓縮機、儲氣罐及上位機（從左到右）組成?；旌蠝囟扰c液位實驗裝置全貌圖如圖2.1所示：圖2.1混合溫度與液位實驗裝置全貌圖FIG.2.1Themixingtemperaturelevelexperimentaldeviceupview混合溫度與液位實驗裝置主體設備含冷水槽1個，熱水器1臺，混合水箱（TANK）1個，熱交換器1臺，風扇1臺，氣動調節(jié)閥5個，水泵3臺，手動閥21個，儀表及管線若干。主體設備采用四層立式結構設計，占地面積小，實驗裝置布局合理，配置齊全，各工藝管線、容器、泵閥等設備標識明確。通過調節(jié)手動球閥的開閉形成不同的控制回路，從而適應不同的過程控制實驗要求，充分體現了實驗裝置能夠適應實驗目的多變性。以下是我們根據AE的工藝流程繪制的管道儀表總流程圖，如圖2.2：-1-圖2.2AE工藝流程管道儀表總流程圖FIG.2.2Generalflowchartprocesspipingandinstrumentation因為本文目標為要能實現雙容水箱的液位控制，所以工藝流程為：水從泵P01進入，經過閥門FV01進入上水箱D01，上水箱D01液位由液位傳感器LI01送入電腦

，隨后進入D01的水經過閥門FV05進入下水箱D02，下水箱D02液位由液位傳感器LI02送入電腦，進入DO2水箱的水最后從FV04流出。如圖2.3所示：圖2.3雙容水箱液位系統(tǒng)流程圖FIG.2.3Twin-tankwatersystemflowchart而根據實驗要求，對實驗裝置進行接線，如圖2.4所示：-2-圖2.4裝置接線圖FIG.2.4Devicewiringdiagram在過程控制系統(tǒng)中，閥門、閥門的選型都是至關重要。在選擇閥門、傳感器時，要充分考慮到工藝要求、所處環(huán)境、室內常溫等條件，并綜合安全、控制精度以及經濟等原則，最終選出適合的型號。在本系統(tǒng)中，我們選擇使用的傳感器和閥門信號如下表四所示：表一閥門傳感器選型序號儀表測點信號型式量程單位位號名稱類型1LI-01大水0-100%箱液位2LI-02小水0-100%箱液位3LIT-大水4-兩線0-40cm

01`箱液位20mA制4LIT-小水4-兩線0-37.4cm

02箱液位20mA制5FT-01大水4-兩線L/h20mA箱入口流制

量6FT-02大小4-兩線L/h20mA水箱入口制

流量7FT-03水泵4-兩線L/h20mA與小水箱制入口流量-3-2.2對象特性分析在工業(yè)領域，雙容水箱是一個很常見但同樣很重要的設備。經過2.1分析，可以看出雙容水箱液位控制系統(tǒng)本身是一個復雜的控制對象，上水箱和下水箱之間的液位會互相影響。上水箱的輸入變量是由閥門FV01控制的輸入水量，輸出變量是由閥門FV05控制的輸出水量。而下水箱的輸入變量是由閥門FV05控制的輸入水量，輸

出變量是流經常開閥門FV04(閥門開度固定不變)的輸出水量。上下水箱的液位變化會互相影響：1.當上水箱液位達到給定液位之后，輸入輸出流量相等，下水箱液位未達到給定值時，會影響到閥門FV05開度變化，進而導致上水箱輸入輸出流量不等且變化，進而引起上水箱液位改變。2.當下水箱液位達到給定液位之后，輸入輸出流量相等，上水箱液位未達到給定值時，因為下水箱輸出流量為常開且閥門開度不變的閥門FV04控制，所以會引起閥門FV05閥門開度變化，進而導致上水箱輸入輸出流量不等，從而使上水箱液位發(fā)生偏移，需要繼續(xù)調節(jié)。3.當上水箱和下水箱液位都未達到給定值時，閥門FV01和閥門FV05會出現不間斷變化，直到兩個水箱都逐漸達到給定值并穩(wěn)定之后。由此可見：雙容液位水箱控制系統(tǒng)是一個復雜的控制系統(tǒng)，其數學模型預測為二階線性模型。2.3控制需求分析根據任務書要求，對本文雙容水箱液位控制系統(tǒng)的控制目標提出了以下的要求：1.應用本專業(yè)所學的自動控制理論、過程控制、可編程控制器等理論知識，研究對過程控制實驗裝置雙容水箱液位系統(tǒng)的控制問題，應用控制算法對雙容液位進行控制。2.實現西門子S7-200對雙容液位的控制。3.要能快速、穩(wěn)定、準確的控制上水箱、下水箱的液位，在穩(wěn)定之后給出階躍擾動之后仍能完成控制目標。4，需要對比、分析控制效果。-4-中國石油大學（北京）本科畢業(yè)設計（論文）第3章過程實驗裝置的雙容液位控制系統(tǒng)設計3.1控制系統(tǒng)設計在過程控制系統(tǒng)中，一般習慣的將PID控制叫做基本控制，在國內工業(yè)生產控制中，PID控制仍然占據了主導地位，這主要是因為PID控制實現簡單，控制穩(wěn)定，具有良好的可適性。本文對雙容水箱液位系統(tǒng)的控制也將先從最基本的PID控制開始，由簡入難，步步為營。當今的閉環(huán)自動控制技術都是基于反饋的概念以減少不確定性。反饋理論的要素包括三個部分：測量、比較和執(zhí)行[7]。測量關心的是被控變量的實際值，與期望值相比較，用這個偏差來糾正系統(tǒng)的響應，執(zhí)行調節(jié)控制。在工程實際中，應用最為廣泛的調節(jié)器控制規(guī)律為比例、積分、微分控制，簡稱PID控制，又稱PID調節(jié)。PI

D控制器（比例-積分-微分控制器）是一個在工業(yè)控制應用中常見的反饋回路部件，由比例單元P、積分單元I和微分單元D組成。這個理論和應用的關鍵是，做出正確的測量和比較后，如何才能更好地糾正系統(tǒng)。PID控制原理簡單，易于實現，對無時間延遲的單回路控制系統(tǒng)極為有效，到目前為止，我國大多數工業(yè)控制還沿用著PID控制算法。PID算法作為經典控制理論推出的最為輝煌的理論成果之一最主要的特點是：綜合了各種控制器的優(yōu)點，既能克服對象的容量滯后，減少動態(tài)偏差，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定裕度，又能消除系統(tǒng)的余差。如果能對三個參數（比例P、積分I、微分D）加以適當的整定，可以使系統(tǒng)獲得良好的控制性能。下面分別介紹P、I、D三種控制效果：P：比例控制。比例控制是最簡單、最基本的控制規(guī)律，其能迅速有力的克服干擾的影響，或使被控變量能迅速跟蹤設定值的變化，但會存在余差。其偏差e(s)跟輸出u(s)的關系為：U(s)=Pe(s)(3.1)I：積分控制。在比例控制的基礎上加入積分控制，會減少系統(tǒng)的穩(wěn)定裕度，是比例增益減小，過渡過程變慢，動態(tài)偏差增大是其缺點，但是它可以消除余差，使控制更加精準。其偏差e(s)跟輸出u(s)的關系為：1U(s)=I*(3.2)sD:微分控制。在比例積分控制的基礎上引入微分控制，可以增大系統(tǒng)的穩(wěn)定裕度，使比例增益增加，從而加快過渡過程，減少動態(tài)偏差和余差，并且對對象的容量滯后有著明顯的效果。缺點是：過強的微分作用會引起系統(tǒng)振蕩。其偏差e(s)跟輸出u(s)的關系為：NU(s)=D(3.3)11NS-1-中國石油大學（北京）本科畢業(yè)設計（論文）綜合在一起，PID算法為::U(S)PI1NDS1N1S(3.4)因為需要控制的是兩個水箱，所以經過觀察與查找資料，最終確定方案為：PID串級控制。采用不止一個控制器，而且控制器間相互連接，一個控制器的輸出作為另一個控制器的輸入的設定值的控制系統(tǒng)叫做串級控制系統(tǒng)。雙容水箱串級控制方框圖如下圖3.1所示：階躍響應-PID控制器2-PID控制器1水箱1水箱2閥門開度變送器1變送器2圖3.1雙容水箱串級液位控制系統(tǒng)方框圖FIG.3.1Twin-tankcascadelevelcontrolsystemblockdiagram如圖所示：準備使用兩個PID控制器，一個PID控制器通過控制閥門FV01控制上水箱入水流量來控制水箱液位，另一個PID控制器通過控制閥門FV05控制下水箱入口流量來控制下水箱液位，閥門FV03常開。在通過實際的操作之后，發(fā)現兩個水箱的耦合并不嚴重，兩個PID控制可以實現單獨控制。3.2基于PLC的雙容液位控制在決定了控制方案之后，雙容液位控制系統(tǒng)將以PLC為平臺進行控制，即在西門子S7-200PLC編程軟件中編寫相應的控制程序，從而實現對水箱的液位控制。3.2.1PLC控制程序根據第二章的介紹，本次實驗需要控制上下兩個水箱，而要想控制水箱液位就需要對控制流量進出的閥門進行控制。所以本文的設定便是：通過閥門1控制上水箱液位，通過閥門5控制下水箱液位，控制閥門4使其常開（常開流量均小于上下水箱閥門全開時的最大流量）。所以本文的S7-200PLC編程中，在對三個閥門進行編程控制之后，使用PID控制面板設置了兩個PID控制器分別控制閥門1和閥門5，具體程序如圖3.2,圖3.3，圖3.4所示：-2-中國石油大學（北京）本科畢業(yè)設計（論文）圖3.2PLC閥門量編程FIG.3.2ValveamountPLCprogramming圖3.3閥門開度編程FIG.3.3Valveopeningdegreeprogram-3-中國石油大學（北京）本科畢業(yè)設計（論文）圖3.4兩個PID控制器編程FIG.3.4TwoPIDcontrollerprogramming3.2.2PID參數整定參數整定是通過調整控制器參數，改善系統(tǒng)動靜態(tài)特性，從而實現最佳控制的一種常用方法。在本文中，PLC的PID調節(jié)面板里，有著自動控制和手動控制兩種。當我們使用手動控制的時候，運用的方法是參數整定里的逐步逼近法。逐步逼近法是指在主回路斷開的情況下，求取副控制器的整定參數，然后將求得的數值寫入副回路控制器（這個時候保持副回路控制器數值不變），然后讓整個串級系統(tǒng)閉合，再求主回路控制器的PID參數。具體步驟如下所示：斷開主回路，閉合副回路，用求取單回路控制系統(tǒng)的整定方法（例如控制器參數經驗方法、臨界比例度法、衰減曲線法、反應曲線法等）整定副控制器參數。閉合整個串級系統(tǒng)，將上一步求取的副控制器參數寫入，整定主控制器參數。閉合整個串級系統(tǒng)，將求取的主控制器參數寫入，重新調整副控制器參數。將求得的主、副控制器參數寫入，驗證控制品質，如果達成目標則整定結束。如未達到整定目標，則返回步驟2重新開始。-4-中國石油大學（北京）本科畢業(yè)設計（論文）實驗結果：下水箱的整定參數為：P=50，I=3，D=0上水箱的整定參數為：P=0.5，I=0.5,D=03.2.3傳遞函數的求解與OPC的連接在完成了PID參數整定之后，下一步需要求取系統(tǒng)的傳遞函數。在對所用水箱進行了實地觀測和測量后，因為水箱本身存在厚度，且為多邊不規(guī)則柱體，兼因為其放置比較高，所以很難實地準確的測量其容量和高度，故放棄機理建模方法，改用系統(tǒng)辨識的方法來計算它的傳遞函數。求取傳遞函數的基本流程可以概括為：使用OPC完成MATLAB軟件與PLC程序的連接，繼而將在PLC程序中得到的數據圖像通過設置的OPC標簽（item）傳入到MATLAB里，隨后將數據放置入MATLAB的工作空間，使用辨識工具箱對所得數據進行分析辨識，最后得出傳遞函數。傳遞函數求解的具體步驟如下：打開PCACESS，在PCACESS中設置項目，新建標簽（ITEM）并運行。故在PCACESS中設置寫入進度、進水流量、進水閥門開度、SP（設定值）、PV（液位高度）標簽如圖3.5所示:圖3.5PCACESS設置標簽圖FIG.3.5PCACCESSSettingstabFigure打開MATLAB，新建Simulink，打開OPC工具箱，將工具箱里的OPC

READ和OPC-5-中國石油大學（北京）本科畢業(yè)設計（論文）拖入Simulink里，隨后將示波器Scope拖入Simulink，并連接Scope和Opcread。如圖3.6所示：圖3.6Simulink設置與實時讀取數據圖FIG.3.6Simulinksetandreadreal-timedatagraphs3.通過OPC完成了PLC程序和Simulink的連接，接著打開PLC程序，將正副控制器參數寫入（參數整定已完成），隨后在PLC程序中寫入給定值。運行PLC程序，打開PID控制面板，觀察給定值和輸入值的變化，等到給定值與輸入值相等且平穩(wěn)時停止。如圖3.7、3.8所示：-6-中國石油大學（北京）本科畢業(yè)設計（論文）圖3.7PLC控制運行程序FIG.3.7PLCcontroltoruntheprogram圖3.8PID控制面板FIG.3.8PIDcontrolpanel在PID控制面板上數值穩(wěn)定后，調整給定值數值，給系統(tǒng)一個階躍響應，觀察曲線變化，直到輸入曲線平穩(wěn)，就可以結束控制了。隨后將會在MATLAB里進行數據讀寫，并辨識曲線。在完成了以上的數據導入之后，可以重新選取需要的數據進行定義（因為要求傳遞函數只需要取其中從階躍開始到輸入值穩(wěn)定的這一部分，故需要去除其余部分，以保證傳遞函數的準確性。）如圖3.9所示，分別定義數據x,y。在這里先打開的數據是LO3數據，其中x為閥門開度，y為液位高度。-7-中國石油大學（北京）本科畢業(yè)設計（論文）圖3.9設置所得數據量FIG.3.9Theresultingdataset4.隨后在命令窗口輸入：ident，即打開辨識工具箱。5.在打開的辨識工具箱中，找到importdata,點開下滑菜單欄，選擇Timedomaindata，在緊接著彈出的importdata中的Workspacevariable的input（輸入量）中填入x1(即之前設置的工作空間里的橫軸變量)，在output（輸出量）中填入y1（即之前設置的工作空間里的縱軸變量），隨后點擊下面的import。如圖3.10所示:圖3.10辨識工具箱的應用FIG.3.10IdentificationToolboxapplication6.接下來在Estimate中的TransfersFunctionModel中選擇預期的傳函格式，因為雙容液位水箱的傳遞函數可能是一階傳函，也可能是二階傳函，所以在對比了兩種傳函的擬合曲線后，最后本文選定的雙容水箱-8-中國石油大學（北京）本科畢業(yè)設計（論文）格式為二階無零點，并在顯示圖像上打鉤（可以出現相應的傳遞曲線。）如圖3.11所示，為一階傳遞函數和二階傳遞函數以及實際曲線的擬合圖，根據下圖可以很容易看出，下水箱辨識曲線圖更接近于二階擬合曲線：圖3.11一階二階擬合曲線比較圖FIG.3.11First-ordersecond-orderfittingcurvecomparisonchart而且，相應的擬合度在圖3.12中可見分別為68.61%和-1398%，故而可以認定傳遞函數為二階傳遞函數。進一步單獨對二階擬合曲線進行求取，可得圖3.13和圖3.14結果：圖3.12一階二階擬合曲線擬合度比較圖FIG.3.12Fittingasecond-ordercurvefitordercomparisonchart-9-中國石油大學（北京）本科畢業(yè)設計（論文）圖3.13下水箱二階傳遞函數FIG.3.13Undersecond-ordertransferfunctiontank圖3.14下水箱二階擬合曲線FIG.3.14Undersecond-ordercurvefittingtank如圖3.13所示，粗實線為辨識曲線，細虛線為實際曲線，傳遞函數的最后結果為e5（下水箱傳遞函數），擬合度為68.61%。ss2隨后根據以上，可求得上水箱傳遞函數，如圖3.15所示：-10-中國石油大學（北京）本科畢業(yè)設計（論文）圖3.15上水箱一階二階三階擬合曲線對比圖FIG.3.15FirstOrder2ndand3rdorderonthetankfittingcurvecomparisonchart從上圖可以看出二階擬合曲線與原圖線最為接近，且一階二階三階的擬合度比較如圖3.16所示：圖3.16一階二階三階擬合曲線擬合度對比圖FIG.3.16FirstOrderof2ndand3rdorderfittingcurvefittingcomparisonchart所以可以認為上水箱傳遞函數為二階傳遞函數，傳遞函數的最后結果為：e5，擬合度為57.57%。傳遞函數如圖3.17所示：ss8.6e211-11-中國石油大學（北京）本科畢業(yè)設計（論文）圖3.17上水箱二階傳遞函數FIG.3.17UP-Watertanksecond-ordertransferfunction至此，上下水箱的傳遞函數都已經辨識出來。3.3實驗結果分析在雙容水箱液位控制系統(tǒng)中，對系統(tǒng)本身的調節(jié)性能的分析，一般可以從動態(tài)性能和穩(wěn)態(tài)性能兩方面來進行結果分析。穩(wěn)定被認為是控制系統(tǒng)能夠運行的首要條件，所以只有當動態(tài)過程收斂時，研究系統(tǒng)的動態(tài)性能才有其實際意義。而為了研究系統(tǒng)本身動態(tài)性能的好壞，一般情況下會使用階躍響應來進行試驗，因為階躍輸入對系統(tǒng)來說是最嚴峻的工作狀態(tài)[7]，如果在階躍函數的作用下還能滿足對動態(tài)性能的要求，那么系統(tǒng)在其他形式的函數作用下，其動態(tài)性能可以滿足其他各種形式下的函數要求。除了動態(tài)性能，在液位系統(tǒng)中，一般對穩(wěn)態(tài)性能的性能指標指定為穩(wěn)態(tài)誤差。穩(wěn)態(tài)誤差是系統(tǒng)控制精度或者抗干擾能力的一種測量量。綜上所述，為了對控制系統(tǒng)的動態(tài)性能和穩(wěn)態(tài)性能進行測試和評估，會先對控制系統(tǒng)施加階躍函數效果，即改變給定值大小。在完成階躍響應實驗測試后，會進一步增加擾動實驗，即改變穩(wěn)定狀態(tài)下的常開閥門開度，從而觀察其重新穩(wěn)定時間等各項參數，對比數據指標，評估控制系統(tǒng)品質。1.當液位穩(wěn)定且在給定值附近上下波動時（波動極?。?，改變給定值數值，在實際效果上等同于階躍響應，則上下水箱PID調節(jié)曲線圖如下圖3.18-12-中國石油大學（北京）本科畢業(yè)設計（論文）圖3.18下水箱給定值階躍響應后的PID調節(jié)曲線圖FIG.3.18PIDregulatorgraphunderthetanksetpointstepresponseafter由圖3.18所示的下水箱給定值階躍響應的PID調節(jié)曲線圖可得出以下數據：延遲時間：125S上升時間：140S超調量：0.5%峰值時間：400S調節(jié)時間：420S穩(wěn)態(tài)誤差：0.2根據以上數據，基本可以認為：下水箱液位控制系統(tǒng)響應時間較快，阻尼系數較小，超調量符合標準，穩(wěn)態(tài)誤差很小。圖3.19上水箱階躍響應后的PID調節(jié)曲線圖FIG.3.19PIDregulatoronthetankafterthestepresponsegraph同上，上水箱也進行階躍響應實驗，如圖，虛線為上水箱給定液位值，實線為實際液位值，可得上水箱控制系統(tǒng)數據：延遲時間：40S上升時間：90S超調量：0.87%峰值時間：130S調節(jié)時間：160S穩(wěn)態(tài)誤差：0.34根據以上數據，基本可以任務：上水箱液位控制系統(tǒng)響應時間較下水箱控制系統(tǒng)更快，但阻尼系數比之更大，超調量符合標準，穩(wěn)態(tài)誤差較小。-13-中國石油大學（北京）本科畢業(yè)設計（論文）可以說階躍響應實驗下的液位控制系統(tǒng)總體來說響應時間較快，阻尼系數很小，超調量和穩(wěn)態(tài)誤差都很小，基本實現預期效果。在雙容水箱液位穩(wěn)定之后，通過改變閥門開度，對控制系統(tǒng)施加擾動，以觀察其控制效果。圖3.20、圖3.21分別為上水箱、下水箱施加擾動后的控制效果：圖3.20下水箱擾動實驗圖FIG.3.20UndertanksdisturbanceexperimentFigure下水箱控制系統(tǒng)數據：延遲時間：120S上升時間：200S超調量：0.83%峰值時間：250S調節(jié)時間：500S穩(wěn)態(tài)誤差：0.012根據數據所得：在調整了閥門開度之后，系統(tǒng)本身超調與波動都不大，但是調節(jié)時間較階躍響應要長一些，整體動態(tài)性能基本達到預期，穩(wěn)態(tài)誤差較階躍要更小，說明系統(tǒng)抗擾動能力很強。圖3.21上水箱擾動實驗圖FIG.3.21FIGperturbationexperimentsonwatertank上水箱控制系統(tǒng)數據：-14-中國石油大學（北京）本科畢業(yè)設計（論文）延遲時間：100S上升時間：190S超調量：0.67%峰值時間：270S調節(jié)時間：600S穩(wěn)態(tài)誤差：0.056根據數據所得：上水箱擾動控制系統(tǒng)較下水箱的調節(jié)時間要略長一些，但整體抗干擾能力類似，都算是很強，超調量也很小，基本保證了水箱液位的穩(wěn)定控制。在依次進行了階躍響應實驗和擾動響應試驗之后，可以得出以下結論：1.基于雙容水箱液位控制系統(tǒng)的PID控制控制效果顯著，控制速度較快，且穩(wěn)態(tài)誤差較小，動態(tài)性能和穩(wěn)態(tài)性能都達到了預期標準。這說明PID控制在液位控制

系統(tǒng)中的應用很成功，魯棒性好，應用簡單，操作方便。2.基于雙容水箱液位控制系統(tǒng)的PID控制的缺點主要在于遇到干擾時，雖然穩(wěn)態(tài)誤差很小，超調量也很小，但是調節(jié)時間較長，而且上下水箱會出現相互影響的情況。這也說明了在遇到突發(fā)狀況以及控制方案改變的時候，PID控制會出現調節(jié)時間過長且可能會難以滿足更為細致和嚴苛的控制目標。3.4小結在這一章中，本文主要設計了PID串級控制方案，通過PLC編程，實現對閥門開度的控制，進而對水箱液位實現了控制。在水箱穩(wěn)定之后，對其設定值進行改變，從而得到階躍變化下的水箱數據，并將其傳入MATLAB中，使用辨識工具箱進行分析后分別得出兩個水箱的傳遞函數。在完成了以上控制目標之后，本文又進行了對PID串級控制系統(tǒng)的動態(tài)性能和穩(wěn)態(tài)性能的實驗，依次進行了階躍響應實驗和擾動響應實驗，并得出了以下結論：從現場傳出的控制圖像上看，PID控制實現簡單，控制方便，魯棒性強，穩(wěn)態(tài)性能和動態(tài)性能都很好，可以說PID控制基本符合控制預期，能夠實現控制目標。但是，從擾動實驗的調節(jié)時間過長可以看出，當控制目標和突發(fā)狀況發(fā)生時，PID控制就可

能會出現難以快速調節(jié)的情況，或者說PID控制對某些控制精度有著更高要求的工業(yè)流程時會出現一定偏差。-15-中國石油大學（北京）碩士學位論文第4章基于PID的Matlab和模糊控制仿真4.1數據通訊系統(tǒng)本次試驗的數據通訊系統(tǒng)是由集散控制系統(tǒng)（DCS）、組態(tài)王6.50版和MATLAB2012A版組成。其中DCS集散控制系統(tǒng)是以過程控制和過程監(jiān)控為組成，以通信網絡為紐帶的控制系統(tǒng)。在本文中，選用的DCS硬件設備是西門子過程控制系統(tǒng)，軟件

部分是西門子S7-200PLC編程軟件。西門子過程控制系統(tǒng)是在一臺緊湊設計的工控機中整合了一個最優(yōu)秀過程控制系統(tǒng)(DCS)的所有組件，諸如可視化系統(tǒng)、工程師站、現場總線、基

于SQL的歸檔系統(tǒng)以及集成的硬件控制器?？刂葡到y(tǒng)硬件體系結構根據可靠性高和開放性好的原則進行選擇。DCS是本次設計的主要控制系統(tǒng)，而組態(tài)王則是一款開發(fā)監(jiān)控的自動化軟件，是一款將工業(yè)計算機軟硬件結合在一起的集成系統(tǒng)。通過組態(tài)王，可以建立自己的工業(yè)流程畫面，并設定需要監(jiān)控或者修改的變量，組態(tài)王最大的優(yōu)點就是可以更加直觀的看到數據的變化與趨勢。本文使用的組態(tài)王版本是6.5版本，即動畫效果還不太完善的版本。因為本文最終是通過MATLAB直接控制PLC程序模塊并間接控制雙容水箱液位控制系統(tǒng)（見第三章），所以組態(tài)王的人機畫面就只設計了監(jiān)控報警界面、動畫連接界面、實時報表界面、實時趨勢曲線和歷史趨勢曲線。如圖4.1、圖4.2和圖4.3所示：在使用了以上軟件之后，為了進行數據的處理，本文就使用了MATLAB這一數學軟件。MATLAB是美國MathWorks公司出品的商業(yè)數學軟件，主要用于算法開發(fā)、數據可視化、數據分析以及數值計算的高級技術計算語言和交互式環(huán)境。其主體部分包括MATLAB和Simulink兩大部分，本文主要使用的是simulink仿真部分，

目標通過simulink進行先進控制與PID控制的比較得出結論（將在第五章重點介紹）。本文使用的simulink版本為MATLAB2013b（用于仿真的版本）與MATLAB2012Ra版本（用于控制PLC）。-1-中國石油大學（北京）碩士學位論文圖4.1組態(tài)王界面FIG.4.1Kingviewinterface圖4.2組態(tài)王控制主界面（已開啟監(jiān)控）FIG.4.2Kingviewcontrolofthemaininterface(monitoristurnedon)-2-中國石油大學（北京）碩士學位論文圖4.3組態(tài)王實時趨勢曲線FIG.4.3Kingviewreal-timetrendcurve4.2基于PID控制器的模糊控制系統(tǒng)設計通過第三章系統(tǒng)辨識的方法后，可以分別得出上下水箱的傳遞函數。整理手頭得到的數據，便可以使用simulink進行仿真。根據第二章控制方案所得到的控制方框圖，可以建立simulink相應的仿真圖。本次仿真將先對PID控制方案進行仿真模擬，以驗證得到的PID參數可以穩(wěn)定快速準確的控制液位。隨后將會根據之前編寫

的模糊規(guī)則制作模糊PID控制器，從而使用先進控制進一步對控制方案進行優(yōu)化，以達到控制目標。4.2.1模糊控制器的編寫在完成了PID控制方案之后，通過下幾章的具體實驗可以發(fā)現PID控制有效且平穩(wěn)，是很不錯的方案。不過，為了加強控制效果，在PID控制的基礎上，增加了新的先進控制方案，即模糊控制。模糊控制是應用模糊數學里的知識，對復雜系統(tǒng)里變量過多、影響因素過多的現象進行簡化，通過模糊數學建立相應的模糊規(guī)則，從而快速準確的完成控制任務。本文通過MATLAB里的模糊工具箱來設定之前設置好的模糊規(guī)則，建立FIS格式的模糊文件，從而可以在之后的simulink仿真的時候進行調用。本文設定的模糊規(guī)則是專門為PID控制器所編寫的，所以本文設計的也可以叫做模糊PID控制器。其原理方框圖如下圖4.4所示：-3-中國石油大學（北京）碩士學位論文圖4.4模糊控制器原理方框圖FIG.4.4FuzzyControllerBlockDiagram其整體為模糊PID控制器，一共有兩個輸入和三個輸出。兩個輸入E和E分別C為偏差和偏差的導數，三個輸出則是PID的三個參數KP、KI、KD。整個判定流程為

：數據通過與對象反饋來的結果相減為偏差，偏差數據直接進入第一個通道為輸入偏差E，通過du/dt運算后進入第二個通道為輸入EC（即偏差E的導數）。在得到兩個輸入之后，經過模糊化和模糊推理器（內涵已編寫的模糊規(guī)則）的判斷之后，將結果傳到PID控制器中，傳回來的是三個輸出，即KP、KI、KD（PID的三個參數）。得到的

PID結果最后傳到控制對象里，從而實現了控制目標。4.2.2模糊控制器的編寫接下里具體描述模糊規(guī)則的幾個基本概念：輸入E和E。E是偏差，即反饋值和給定值的差。EC為偏差的導數，在MATLACB里面通過du/dt模塊實現。三個輸出為KP、KI、KD為PID的三個參數，是經過模糊推理器之后得出的。E和E的模糊子集本文一共有七個，分別為NB、NM、NS、Z、PS、PM、PB它們C的定義依次為負大、負中、負小、零、正小、正中、正大輸入輸出的分別有著特定的隸屬度曲線，具體會在下面的編寫過程中展示。在MATLABsimulink仿真中，會將模糊控制器封裝成子系統(tǒng)，這樣子可以簡便的展示其結構，方便使用.以下是模糊規(guī)則編寫全過程：打開MATLAB（本文中MATLAB版本為2013b），在命令窗口鍵入fuzzy命令，如圖4.5所示，便可以出現模糊工具箱。-4-中國石油大學（北京）碩士學位論文圖4.5進入模糊工具箱編輯器FIG.4.5EnterFuzzyToolboxEditor確定模糊控制器的結構，本文需要兩個輸入，三個輸出，所以在菜單欄的EDIT里面找到ADD（增加），按照要求增加一個輸入和兩個輸出量，并修改名字。如圖4.6所示：圖4.6修改輸入輸出量FIG.4.6Modifytheinputoutput-5-中國石油大學（北京）碩士學位論文將輸入和輸出的變量進行模糊化，換句話說即確立模糊子集，使變量自動識別成子集量，從而按照規(guī)則自動進行輸出。之前編好的子集一共有七個，分別為NB、NM、NS、Z、PS、PM、PB，根據系統(tǒng)分析，將偏差E和偏差導數EC的論域定為[-3，3]，輸出參數kp的論域定為[-0．5，0．5]，ki的論域定為[-0．1，0．1]，kd的論域定為[-3，3].隨后按照預先計算過的結果，點開EDIT里membershipfuction來選取隸屬度函數。其中E和EC選為高斯函數，而KP、KD、KI選為在論域范圍內均勻分布、等距離的三角函數。如圖4.7和圖4.8所示：圖4.7偏差E的七個高斯隸屬度函數FIG.4.7DeviationEofsevenGaussianmembershipfunction-6-中國石油大學（北京）碩士學位論文圖4.8輸出K的七個三角隸屬度函數PFIG.4.8KseventriangularoutputmembershipfunctionP編寫模糊推理器，即書寫模糊規(guī)則。模糊規(guī)則一共有49條。點開VIEW里的fule

，即可書寫模糊規(guī)則。49條模糊規(guī)則如下所示，一共是三個表，分別對應KP、KD、KI：KPNB表4.1K的模糊規(guī)則表PTABLE.4.1FuzzyrulesofKPECNMNSZPSPMPB

NBPSPSPBPMPMZZ

NMPBPBPBPSPSZZ

NSPBPMPMPSZNSNS

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PBZZNMNBNMNBNB表4.2Ki的模糊規(guī)則表KiTABLE.4.2FuzzyrulesofKIECNBNMNSZPSPMPBNBPMNBNBNBNBNBPM-7-中國石油大學（北京）碩士學位論文PSNMNMNMNMNMNMPS

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PBPBPMPMPMPMPMPM表三Kd的模糊規(guī)則表KDTABLE.4.3FuzzyrulesofKDECNBNMNSZPSPMPB

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PBZZPMPMPMPBPB對輸出量進行解模糊，本文選擇重心法。如圖4.9所示：-8-中國石油大學（北京）碩士學位論文圖4.9設置解模糊為重心法

FIG.4.9Settocenterofgravitymethodofdefuzzification

最后在菜單欄選擇file-export-tofile,本文命名為fuzzy_control,最后便得到了一個fuzzy_control.fis格式的文件。當我們在MATLAB命令窗口寫入如下命令：fuzzy=readfis(‘fuzzy_control’),便可在工作窗

口（workspace）調用我們編寫的模糊控制器了，如圖4.10所示。在之后的simulink仿真里面，我們還會具體介紹使用模糊工具箱調用編好的模糊控制器。-9-中國石油大學（北京）碩士學位論文圖4.10調用模糊控制器FIG.4.10Callfuzzycontroller命令輸完之后，可以看到出現了幾列關于模糊控制器的信息，比如兩個輸入三個輸出，49條規(guī)則等等。4.2.3模糊控制仿真設計在上一節(jié)里已經介紹了模糊控制器的整個編寫規(guī)則過程，在此基礎上，本節(jié)將會先做出模糊PID控制器。因為模糊PID控制器的本身所需原件很多，所以本文先對做好的模糊PID控制器進行封裝，將其做成子系統(tǒng)，從而更方便的應用到仿真系統(tǒng)中。具體步驟如下：在MATLAB命令窗口中輸入命令：fuzzy=readfis(‘fuzzy_control.fis’)##第一步先調用之前編好的模糊控制器（名字叫fuzzy_control），如圖4.11所示：-10-中國石油大學（北京）碩士學位論文圖4.11調用模糊控制器FIG.4.11Callfuzzycontroller2.隨后先封裝模糊PID控制器子系統(tǒng)，建立如下圖4.12所示模型：圖4.12封裝子系統(tǒng)FIG.4.12PackageSubsystem3.整個雙容水箱的液位控制系統(tǒng)模型圖如圖4.13所示：-11-中國石油大學（北京）碩士學位論文圖4.13模糊控制系統(tǒng)仿真圖FIG.4.13FuzzyControlSystemSimulationFIG在畫好了連接圖之后，隨后點擊運行程序。雙擊示波器，即可顯示仿真波形，如圖4.14所示：圖4.14下水箱階躍響應仿真圖FIG.4.14Underthetankstepresponsesimulationmap從圖像看，可知超調量：17%調節(jié)時間：12S穩(wěn)態(tài)誤差：3%。總體來說，模糊控制魯棒性強，穩(wěn)定所用時間也較少，穩(wěn)態(tài)誤差不高，曲線光滑。下圖4.15為上水箱模糊控制液位圖：-12-中國石油大學（北京）碩士學位論文圖4.15基于模糊控制的雙容液位控制系統(tǒng)上水箱仿真實驗圖

FIG.4.15Twin-tanksimulationbasedonadual-tankliquidlevelcontrolsystembasedon

fuzzycontrolexperimentsFigure由圖可知超調量：8%調節(jié)時間：40S穩(wěn)態(tài)誤差：4%。4.3實驗結果對比分析為了對比模糊控制與PID控制的效果，本文也進行了PID控制的仿真，PID仿真

方框圖與仿真結果如下圖4.16、圖4.17、圖4.18所示：圖4.16基于PID控制的simulink仿真實驗圖FIG.4.16BasedonsimulinksimulationdiagramPIDcontrol-13-中國石油大學（北京）碩士學位論文圖4.17下水箱PID仿真圖FIG.4.17UnderwatertankPIDsimulationmap仿真數據：調節(jié)時間：27S超調量：0穩(wěn)態(tài)誤差：0圖4.18上水箱PID仿真波形圖FIG.4.18PIDsimulationwaveformsonthetank仿真數據：調節(jié)時間：16S超調量：18%穩(wěn)態(tài)誤差：0-14-中國石油大學（北京）碩士學位論文緊接著，本文對兩種控制方案進行對比，如圖4.19和圖4.20所示：圖4.19下水箱兩種控制方案對比圖FIG.4.19Twocontrolschemesunderthetankcomparisonchart由下水箱液位控制效果，我們看出：模糊控制相比于PID控制的優(yōu)點在于控制速度較快，且切線相較于PID控制也更為光滑，魯棒性也更好。PID控制相比于模糊控制的優(yōu)點在于PID控制的穩(wěn)態(tài)誤差比模糊控制要更小，且控制起來簡單便捷，更易實現。-15-中國石油大學（北京）碩士學位論文圖4.20上水箱兩種控制方案對比圖FIG.4.20Thetanktwocontrolschemescomparisonchart由下水箱控制效果來看，除了下水箱控制仿真對比圖所顯示出的優(yōu)缺點之外，還可以看出：模糊控制雖然控制效果會比PID控制要好一些，但模糊控制的控制基礎是基于控制者和研究人員本身的經驗來編寫程序實現控制的，所以需要根據具體控制環(huán)境（在仿真環(huán)境里可認為是傳遞函數）來改變模糊控制輸入量誤差和誤差導數EC的倍數，所以有時會出現模糊控制控制時間超過PID控制的情況。模糊控制的顯著優(yōu)點在于當控制需求和實際控制目標進行改變時，其內核控制規(guī)則是可以無需改變的，即模糊控制規(guī)則是基于語言變量的程序語言，是可以視為獨立于控制系統(tǒng)的量，故而這比PID控制要強很多。-16-中國石油大學（北京）本科畢業(yè)設計（論文）第5章總結在為期7周的畢業(yè)設計中，前三周本文將大量的時間投入到對PID參數整定的過程中去，概因為實驗儀器因為老化、生銹，出現了不準確的現象，甚至有些閥門控制器和傳送器線路出現故障無法使用。所以本來預期一周的PID參