模糊PID控制在液位控制中的应用.doc

毕业设计（论文）第I页模糊PID控制在液位控制中的应用摘要液位控制是工业控制中的一个重要问题，针对液位控制过程中存在大滞后、时变、非线性的特点，为适应复杂系统的控制要求，人们研制了种类繁多的先进的智能控制器，模糊PID控制器便是其中之一。模糊PID控制结合了PID控制算法和模糊控制方法的优点，可以在线实现PID参数的调整，使控制系统的响应速度快，过渡过程时间大大缩短，超调量减少，振荡次数少，具有较强的鲁棒性和稳定性，在模糊控制中扮演着十分重要的角色。本文介绍了模糊PID控制在双容水箱的液位控制系统中的应用。首先建立了液位控制系统数学模型，介绍了PID控制、模糊控制以及模糊PID的基本原理，然后利用MATLAB工具生成仿真曲线。关键词:液位系统，液位控制，模糊PID控制，仿真毕业设计（论文）第II页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毕业设计（论文）第III页目录1绪论.11.1课题研究的背景与意义.11.1.1PID控制器的应用与发展.11.1.2模糊控制产生的背景与意义.21.2液位控制系统实验装置及其控制策略.31.2.1水箱液位控制系统简介.31.2.2液位控制系统控制对象及控制策略.52液位控制系统结构及其建模.62.1水箱系统的结构.62.2二阶对象的结构.72.3双容水箱系统的建模.73控制算法研究.93.1PID控制算法.93.1.1模拟PID调节器.93.1.2数字PID控制算法.113.1.3PID控制器的特点.133.2模糊控制算法.143.2.1模糊控制的产生及发展.143.2.2模糊控制的特点.153.2.3模糊控制的基本概念.153.2.4模糊控制的基本理论.194模糊PID算法的研究与仿真.244.1模糊PID控制.244.1.1模糊PID控制器的基本理论.244.1.1.1输入输出变量模糊化接口设计.244.1.1.2模糊推理算法设计.254.1.1.3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总结.32致谢.33毕业设计（论文）第1页1绪论1.1课题研究的背景与意义随着工业生产的飞速发展，人们对控制系统的控制精度、响应速度、系统稳定性与适应能力的要求越来越高。而实际工业生产过程中的被控对象往往具有非线性、时延的特点，应用常规的控制手段难以达到理想的控制效果，研究对非线性、时延对象的先进控制策略，提高系统的控制水平，具有重要的实际意义。本文所提及的液位控制系统是一种可以模拟多种对象特性的实验装置。该装置是进行控制理论与控制工程教学、实验和研究的理想平台，可以方便的构成多阶系统对象，用户既可通过经典的PID控制器设计与调试，完成经典控制教学实验，也可通过模糊逻辑控制器的设计与调试，进行智能控制教学实验与研究。1.1.1PID控制器的应用与发展在过去的几十年里，PID控制器在工业控制中得到了广泛应用。在控制理论和技术飞速发展的今天，工业过程控制中95%以上的控制回路都具有PID结构，并且许多高级控制都是以PID控制为基础的。我们今天所熟知的PID控制器产生并发展于1915-1940年期间。尽管自1940年以来，许多先进控制方法不断推出，但PID控制器以其结构简单，对模型误差具有鲁棒性及易于操作等优点，仍被广泛应用于冶金、化工、电力、轻工和机械等工业过程控制中1。PID控制器作为最早实用化的控制器己有70多年历史，它的算法简单易懂、使用中参数容易整定，也正是由于这些优点，PID控制器现在仍然是应用最广泛的工业控制器。PID的发展过程，很大程度上是它的参数整定方法和参数自适应方法的研究过程。最早的PID参数工程整定方法是在1942年由Ziegler和Nichols提出的简称为Z-N的整定公式，尽管时间已经过去半个世纪了，但至今还在工业控制中普遍应用。1953年Cohen和Coon继承和发展了Z-N公式2，同时也提出了一种考虑被控过程时滞大小的Cohen-Coon整定公式3。自Ziegler和Nichols提出PID参数整定方法起，有许多技术己经被用于PID控制毕业设计（论文）第2页器的手动和自动整定。按照发展阶段划分，可分为常规PID参数整定方法及智能PID参数整定方法；按照被控对象个数来划分，可分为单变量PID参数整定方法及多变量PID参数整定方法，前者包括现有大多数整定方法，后者是最近研究的热点及难点；按控制量的组合形式来划分，可分为线性PID参数整定方法及非线性PID参数整定方法，前者用于经典PID调节器，后者用于由非线性跟踪一微分器和非线性组合方式生成的非线性PID控制器。1.1.2模糊控制产生的背景与意义随着现代科学技术的迅速发展，生产系统的规模越来越大，形成了复杂的大系统，导致了控制对象、控制器以及控制任务和目的的日益复杂化。另一方面，人类对自动化的要求也更加广泛，传统的自动控制理论和方法显得已不能适应复杂系统的控制。在许多系统中，复杂性不仅仅表现在很高的维数上，更多表现在:(1)被控对象模型的不确定性；(2)系统信息的模糊性；(3)高度非线性；(4)多层次、多目标的控制要求。因此，建立一种更有力的控制理论和方法来解决上述提出的问题，就显得十分重要。模糊控制是智能控制的一种典型和较早的形式，作为智能控制的一个分支，1974年英国的Mandani成功将其应用于锅炉和蒸汽机的控制，近几年来得到了飞速的发展。模糊控制是模糊数学和控制理论相结合的产物，它利用了人的思维具有模糊性的特点，通过使用模糊数学中的隶属度函数、模糊关系、模糊推理等工具得到控制表格进行控制，它具有许多特点:(1)不需要建立被控对象的数学模型；(2)系统鲁棒性强；(3)模糊控制方法易于掌握。因此，它特别适用于那些难以获得过程的精确数学模型及具有时变、时滞非线性、大滞后的复杂工业控制系统，具有较强的鲁棒性和抗干扰能力。现在模糊控制被越来越多地应用于工业过程、家用电器等复杂场合。模糊控制系统的核心是模糊控制器，而模糊控制规则是设计模糊控制器的核心，它毕业设计（论文）第3页实际上决定了控制系统的性能及控制效果。模糊控制也有缺陷:(1)以前，模糊控制规则完全是凭操作者的经验或专家知识获取的，这并不能保证规则的最优或次最优，达到最佳控制的目的；(2)规则的获取没有系统的步骤可以遵循；(3)在控制过程中，外界突加干扰，参数大幅度变化，原来总结的经验和规则不够等因素，都会严重影响控制质量。1.2液位控制系统实验装置及其控制策略1.2.1水箱液位控制系统简介水箱液位控制系统实验装置是基于工业过程的物理模拟对象，它是集自动化仪表技术、计算机技术、通讯技术、自动控制技术为一体的多功能实验装置。根据自动化及其它相关专业教学的特点，吸收了国内外同类实验装置的特点和长处后，经过精心设计，多次实验和反复论证，推出了这一套全新的实验装置。该系统包括流量、液位、压力等参数，可实现系统参数辨识、单回路控制、串级控制、前馈-反馈控制、比值控制、解藕控制等多种控制形式。系统的水箱主体由蓄水容器、检测组件和动力驱动三大部分构成。水箱1,2,3和储水箱是用来蓄水的容器；检测液位可以采用压力传感器或者浮漂加滑动变阻器两种方案来实现液位高度数字量的采集，采用电动调节阀用来进行控制回路流量的调节。整个系统通过不锈管道连接起来，储水箱为三个水箱提供水源，通道阀门开启时，水可以被分别送至三个水箱。三个水箱底部均有两个出水管道，其中装有手动阀的管道是控制系统的一部分，也可以手动调节阀门开度用来做漏水干扰的控制实验；另外一个直通管道则是在水箱液位达到最大值时经由它流至储水箱，以防止水箱里的水溢出水箱。除了上述的控制对象组件，另外还有一个智能仪表综合控制台和一台计算机，这三个部分才构成了完整的液位控制系统实验装置。仪表综合控制台作为系统的电气部分，主要由三部分组成:电源控制屏面板、仪表面板和I/O信号接面板。该控制台通过插头与对象系统连接，结合实验装置水箱主体中应用到的不同组件对象，实验操作员可以自行连线组成不同的控制系统，从而实现几十种过程控制系统的实验。计算机用于采集控制毕业设计（论文）第4页台中的电流、电压信号，使用MCGS组态软件系统构造和生成上位机监控系统，并且与系统控制对象中的电动调节阀配套使用，组成最佳调节回路。利用水箱液位系统实验装置中各个组件的不同组合情况，可以构成多种不同功能的实验系统。例如，开启与水箱1连接的电动调节阀以及其底部管道的手动阀，关闭水箱2、水箱3通道的所有阀门，关闭水箱1、水箱2和水箱3间的连接阀，这时就可以做单容水箱特性的实验。基于此，也可以打开与水箱2的连接阀和水箱2的出水阀，关闭水箱1出水阀，这样，就构成了双容水箱特性实验。本文主要研究双容水箱系统相关特性，根据本课题研究内容，需要打开储水箱与水箱1、水箱2连通的管道阀门，关闭与水箱2与水箱3连通的阀门，同时关闭水箱1和水箱3底部的出水阀，打开水箱2底部出水阀。这样，就得到了如图1-1所示的双容水箱结构示意图。其中，三个水箱截面积为A,水箱2出水孔截面积为An,hl,h2和h3分别为水箱1(T1)、水箱2(T2)和水箱3(T3)的液位，hmax是最高液位。图1.1水箱液位系统结构示意图实验系统的检测装置:采用浮漂和滑动变阻器实现对水箱液位的采集和D/A转换。实验系统的执行机构:电动调节阀:采用智能型电动调节阀，用来进行控制回路流量的调节。电动调节阀型号为:QSVP-16K。具有精度高、技术先进、体积小、重量轻、推动力大、功能强、控毕业设计（论文）第5页制单元与电动执行机构一体化、可靠性高、操作方便等优点，控制信号为4-20mADC或1-5VDC，输出4-20mADC的阀位信号，使用和校正非常方便。1.2.2液位控制系统控制对象及控制策略工业生产过程中的液位控制必须具有可靠的稳定性才能保证生产的正常，水箱系统控制的难点集中在对水箱的液位高度h的控制上，本文在双容水箱系统中讨论水箱1的液位控制，控制策略的研究工作也就是围绕它进行的。传统PID调节已经不适合像液位控制系统这样的非线性、时变、多变量祸合的复杂系统。而模糊控制则以其响应速度快、鲁棒性强等特点脱颖而出，在液位控制系统控制中得到比较广泛的应用。但是，基本模糊控制器也有其缺点。首先，基本模糊控制器相当于PD控制，它不具备I(积分)作用，因此基本模糊控制器的稳态性能又不如传统PID控制器的稳态性能好；其次，基本模糊控制器的推理合成过程计算量大，信息损失严重，且模糊控制表的在线修改不方便。基于这些原因，人们针对模糊控制器的种种不足，又吸收融合了其它一些控制思想的优点，将基本模糊控制器加以改进，推出了多种改进型模糊控制器。例如:为了使模糊控制器得到比较好的稳态性能而推出了模糊PID双模控制器，为了能在线得到模糊控制器的最佳参数而推出了自适应模糊控制器(本文采用的正是这种控制器)、神经元模糊控制器和自寻最优模糊控制器，为了使模糊控制器对大滞后系统也能取得良好控制效果而推出Smith预估模糊控制器，为了便于模糊控制规则的修改而推出模糊数模型模糊控制器和带修正因子的模糊控制器。模糊控制技术的发展使模糊控制理论更加迎合控制场合的要求，使得模糊控制技术得到更广泛的应用。毕业设计（论文）第6页2液位控制系统结构及其建模2.1水箱系统的结构水箱液位控制系统有多种系统结构，其中液位控制系统液位控制系统由水箱主体、检测元件(液位传感器)、潜水泵、数据采集卡及工控计算机(内有ISA总线插槽)构成，总体结构的原理图如图2-1所示。水箱主体由三个圆柱型玻璃容器、一个回收水槽、两个连接阀门、三个泄水阀门及两个调整进水阀门的步进电机和连接构件组成。三个玻璃容器Tankl(Tl),Tank2(T2)和Tank3(T3)通过两个连接阀门CV1和CV2依次连接。三个容器分别通过泄水阀门LV1,LV2和LV3排出容器里的水，排出的水流进下面的回收水槽中，用来供潜水泵使用，潜水泵抽出的水通过两个进水阀门(见图2.1中的阀门1和阀门2)进入容器T1和T3，这样就构成了一个封闭的回路。图2.1液位控制系统液位控制实验装置三个容器上各装有一个由浮漂和滑动变阻器组成的自制的液位传感器作为测量元件，用来测量液位。两个进水阀门通过两个步进电机的转动控制其开度，达到调节进水流量的目的。计算机通过数据采集卡完成从液位传感器采集的电信号的A/D转换，同时通过PC机自带的并行端口输出脉冲给步进电机的驱动器，驱动步进电机，带动步进电机所连接的进水阀门从而调节进水流量，执行各种控制算法。三个泄水阀门LV1,LV2和LV3可以保证实验结束后完全放掉容器中的水。由于水箱液位对象具有惯性特性，因此可以通过连接阀门和泄水阀门的组合，由这