（电力电子与电力传动专业论文）基于plc的液位模糊控制系统设计.pdf

t h ed e s i g no fp l cb a s e dl i q u i dl e v e lf u z z yc o n t r o ls y s t e m a b s t r a c t p i dc o n t r o l l e rh a sa s i m p l es t r u c t u r ea n dg o o dr o b u s t n e s sa n di ti sw i d e l y u s e di np r o c e s sc o n t r o ls y s t e m s ，b u tc o n v e n t i o n a lp i dc a l ln o tb ee a s i l y r e g u l a t e i t s e l fa c c o r d i n gt ot h ec h a n g e s ，8 0t h ec o n v e n t i o n a lp i dc o n t r o lc a nn o tg e t s a t i s f y n gc o n t r o l l i n gr e m i t f u z z yc o n t r o l ，w h c hi s b a s e do nk n o w l e d g ea n d i n d e p e n d e n to f a c c u r a t em a t h em o d e l ，b r i n g san o ww a yo f r e s o l v i n gt h i sp r o b l e m i nt h i st h e s i s , f i r s t l y ，w eb u i l dam o d e lo f w a t e rt a n ko f l i q u i dl e v e lc o n t r o l s y s t e mb yu s i n gt h em e t h o do f e x p e r i m e n t ，a n dh a v ed e s i g n e dt h et w o l o o pc a s c a d e c o n t r o ls y s t e m ，w i t ht h ef u z z yc o n t r o l l e ra st h em a i nc o n t r o l l e ra n dt h epc o n t r o l l e r 龉 t h es u b r e g u l a t o r si sd e s i g n e d 。s e c o n d l y ，f o rt h el i q u i dl e v e lc o n t r o ls y s t e m ，t h e f u z z yc o n t r o l l e ri sd e s i g n e da f t e ra p p r o p r i a t em e m b e r s h i pf u n c t i o n sa n df u z z yc o n t r o l r u l e r s ，a n dt h ef u z z yc o n t r o lt a b l ei sc a l c u l a t e d f i n a l l y ，t h es i m u l a t i o n so ft h e d e s i g n e dc a s c a d es y s t e m a r ec a r r i e do u ti nm a t l a b s i m u l i n ke n v i r o n m e n t t h e p e r f o r m a n c e so f c o n v e n t i o n a lp i dc o n t r o l l e ra n df u z z yc o n t r o la r ec o m p a r e d i nt h i st h e s i s ，b a s e do nt h es i m u l a t i o u s e x p e r i m e n t a t i o n sa r ec a r r i e do u to n t h j - 2e q u i p m e n t b ys 7 3 0 0p l cc o n t r o ls y s t e ma n dc o n f i g u r a t i o ns o f t w a r e s t e p t v 5 2d e s i g n e dc o n v e n t i o n a lp i da n df u z z yc o n t r o la l g o r i t h m t h ec o n t r o l s y s t e mi sw a t c h t e db yt h ec o n f i g u r a t i o ns o f t w a r ew i n c c 5 0 t h er e a lc o n t r o lr e s u l t s s h o wt h a tt h ef u z z yc o n 仃o l l e rh a sg o o dc o n t r o lp e r f o r m a n c e k e yw o r d s ：p r o c e s sc o n t r o l ；p i dc o n t r o l ；f u z z yc o n t r o lp l c ；w i n c c 图表清单 图2 1 串级控制系统图8 图2 2 上水箱原始数据曲线图9 图2 1 3 一阶水箱特性测试图l o 图2 4 单容水箱的单调上升指数曲线1 1 图2 5 上水箱模型阶跃曲线图1 2 图2 6 下水箱模型阶跃曲线图1 2 图3 1 模糊集合与传统普通集合1 6 图3 2 模糊控制系统结构图1 9 图3 3 单点模糊集合的隶属度函数2 0 图3 4 三角形模糊集合的隶属度函数2 0 图3 5 液位模糊控制器方框图2 2 图3 6 函数描述的隶属度函数2 4 图3 7 模糊控制规则输出曲面2 7 图4 1 常规p i d 控制系统仿真图3 0 图4 2 常规p i d 液位控制系统的阶跃响应曲线图3 0 图4 3 模糊液位控制系统仿真图3 i 图4 4 模糊液位控制系统的阶跃响应曲线图3 1 图4 5 误差隶属函数3 2 图4 6 控制器输出隶属函数3 2 图4 7 模糊推理系统3 3 图4 8 模型参数改变时常规p i d 控制响应曲线一3 3 图4 9 模型参数改变时模糊控制响应曲线3 4 图5 1 控制系统硬件电路接线图3 5 图5 2s t e p 7 组成结构3 8 图5 3 符号编辑器3 8 图5 4 组态变量纪录3 9 图5 5 硬件组态图4 0 图5 6p i d 控制流程图4 5 图5 7 模糊控制算法流程图4 6 图5 8w i n c c 编辑器界面。4 7 图5 9 组态变量记录4 8 图5 。1 0w i n c c 启动画面5 0 图5 1 1 常规p i d 实验响应曲线图5 1 图5 1 2 常规p i d 模型参数改变时实验响应曲线图一5 1 图5 1 3 模糊控制实验响应曲线图5 2 图5 1 4 模糊控制模型参数改变时实验响应曲线图5 2 表3 1e 、e c 、u 量化表2 4 表3 2 数值方法描述的隶属度2 5 表3 3u 的模糊规则表2 7 表3 4 模糊控制决策表2 8 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取 导的研究成果。 据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写 过的研究成果，也不包含为获得 金胆王些盔堂 或其他教育机构的学位或证书而使 用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明 并表示谢意。 姗躲、缸撕期叼年易j 1 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金胆王些太堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保留 并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权金 匿王些太堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 靴做储戤：降、 签字日期：0 7 年j 明j 日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 导师签名 畜k 签字日期：d _ 7 年f ) ，月厂日 电话： 邮编： 致谢 本论文的完成，首先要感谢我的导师方敏教授。是方老师的悉心指导和帮助 才使我的论文得以顺利完成。方老师严谨踏实的治学态度、勤奋刻苦的研究精神 和朴素的工作作风都给我留下了很深的印象。我的每一点成绩都凝结着老师辛勤 的汗水和培养，让我难以忘怀，再一次向导师表示深深的敬意。 在论文撰写期间，还得到了很多同学的帮助，他们是李寅，陈志超，张俊等。 在此一并表示感谢! 此外，感谢我的家人给我的无私关怀与付出。 作者：江春红 2 0 0 7 年1 1 月1 8 日 1 1 过程控制概述 第一章绪论 液位是过程控制中重要的控制形式之一。过程控制涉及炼油、发电、化工、 冶金、医药、造纸和轻工等工业部门，对国民经济的发展起着十分重要的作用。 过程控制涉及的对象一般具有过程复杂、系统大和安全性要求高等特点，对自 动化的要求也较高，自动化程度自然相对发展也比较快【。 过程控制的发展经历了从常规仪器仪表到集散型计算机控制系统( d c s ) 的 发展过程【2 1 ，进入2 0 世纪9 0 年代，企业的自动化向着以计算机网络为基础的计 算机集成系统的方向发展。从系统的功能角度看，连续过程的工业自动化由过 去的以保证平稳生产为目标的简单控制装置发展到考虑过程的非线性、时变性 等因素的先进控制系统。随着科学技术的发展和市场竞争的日趋激烈，企业把 注意力集中到如何形成一个能适应生产环境不确定性和市场供求多变性的、具 有高柔性、全局最优、高经济效益和高管理水平的，集生产与经营管理于一体 的综合自动化系统，也就是连续生产过程的计算机集成制造系统c i m s ( c o m p u t e r i n t e g r a t e dm a n u f a c t u r i n gs y s t e m ) ，亦称计算机综合处理系统c i p s ( c o m p u t e r i n t e g r a t e dp r o c e s s i n gs y s t e m ) 。连续过程工业的c i m s 完全摆脱了传统的“孤岛” 式的自动化模式，它以计算机的软、硬件系统的集成为基础，实现企业生产信 息和管理信息的集成，计划调度、控制功能和管理决策功能的集成，使企业成 为一个整体，协调地运行，从而创造出最好的经济效益和社会效益。 在现代化的大型企业中，尽管过程控制采用了先进的d c s 系统，但绝大部分 的控制回路仍采用比例，积分和微分控制。据有关资料介绍，在连续的工业过 程的控制中，8 5 9 5 的控制回路采用p i d 控制【孙，约有5 一1 5 的控制回路是 常规p i d 控制所不能奏效或效果不好的，而必须采用高等过程控制策略。高等过 程a p c ( a d v a n c e dp r o c e s sc o n t r 0 1 ) ，亦称先进过程控制目前尚无统的定义。习 惯上，将基于没有精确数学模型而又必须用计算机来实现的控制算法，统称为 高等过程控制策略【”。如模糊控制、补偿控制( 包括s m i t h ：补偿控制、前馈控制等1 、 预测控制、自适应控制、非线性控制、多变量控制、分布参数控制等。 1 2 背景知识 1 2 1 模糊控制的应用现状及发展趋势 模糊理论的创始人是美国加利福尼亚人学伯克林分校的扎德( z a d e h l a ) 教授。他与1 9 6 5 年在他发表的第一篇论文f u z z y s e t ) 中，提出了“隶属函数” 的概念用来描述差异的中间过程，提出了模糊概念的定量表示法哺l 。模糊数学 问世以来，它的发展并非一帆风顺，首先它受到经典数学家们的强烈抵制，他 们对模糊数学不屑一顾，认为它丧失了经典数学最重要的严谨性。然而在创立 这门学科不太长的时间里它的应用却异常迅速，正是由于这一点，到上世纪七 十年代初期，模糊集合的概念越来越被科学研究者们所接受。1 9 7 4 年英国的马 丹尼f m a , t m d a n i e h ) 把模糊理论应用于工业控制并获得成功。从此，标志着模 糊控制的诞生。三十多年来，模糊控制越来越广泛地应用与工业自动化和生产 过程中。水泥窑炉的控制是模糊控制最早的商业应用实例之一。 在工业生产过程中，有相当多的过程难以用传统的控制方法进行控制，比 如那些非线性，大滞后等复杂工业控制对象，那些难以获得数学模型或模型非 常粗糙的工业控制系统等，目前都还仍然以人工操作和人工控制为主。到目前 为止，地界上最高级的控制器还是我们人本身，因为人具有处理模糊信息和直 觉推理等多种智能功能，因此，对人来说，尽管不知道过程的精确模型，只要 凭经验判断，便可进行合理的控制，即使是有好几个控制目的的复杂控制系统， 也能够控制得得心应手。模糊控制就是要实现象人那样高超的控制能力，可以 不依赖于被控对象的数学模型，而直接使用人类的经验，来达到理想的控制目 标。模糊控制是基于人们对对象操作经验的基础上利用模糊数学的方法推理出 一套控制规律，即类似如下的一些语言控制规则。 i f ( 误差大) t h e n ( 控制量大) ( 误差d , ) t h e n ( 控制量小) 模糊控制的应用开发，最早是从英国、丹麦开始，1 9 7 4 年，英国伦敦大学 的m a m d a n i 教授提出可以把模糊理论用于工业控制领域。他把模糊推理用于蒸 汽机的自动运转中，通过实验取得了较好的控制结果。1 9 8 0 年丹麦的s m i d t h el 公司发表了第一个把模糊理论用于工业生产的实例。该公司的水泥回转窑开始 利用模糊控制自动运转，使窑的燃料消耗减少4 一5 ，运转率却达到8 0 8 5 ， 产品质量也有了明显的提高。 从八十年代起，模糊理论的开发中心转移到了日本，几乎所有把模糊理论用 于工业生产的实例都来自日本。日本已把模糊控制用于雨水泵运转控制；自来 水加氯控制，汽车速度控制；污水处理中溶解氧浓度控制；电梯群管理；集装 箱吊车运转：隧道挖掘装置的自动运转；玻篱熔化炉的温度控制：钢板冷轧过 程控制；核堆输出控制等等许多方面。此外，日本还利用模糊逻辑元件及其它 2 先进计算机集成电路制成的新一代智能电视摄像机能拍出清晰度很高和图像很 稳定的录像带。 在德国，模糊控制技术也己有了实质进步。近年来，德国的科技工作者己研 制成功安装在小汽车样机上的模糊控制器，它能够使小汽车在处于极端情况( 例 如汽车打滑) 时改变汽车车轮的内压力，增强汽车轮胎与地面的摩擦，从而使小 汽车能够重新运行正常。这项技术若能实际实用于我国北方寒冷地区将会给交 通运输和工农业生产带来巨大的益处。德国著名的西门子公司己将“大力发展 模糊技术并率先用于欧洲市场”作为他们的市场策略。 在美国，模糊控制也有了长足的发展。但是由于美国企业界的接受态度问 题，它的发展远不及日本迅速。几乎所有人的美同公司都在调查模糊技术作为 高技术或换代技术商业使用寿命期。美国宇航局己在航天飞机计划中考虑使用 模糊控制。 在中国，模糊数学的研究一直在世界上享有声誉，曾出现过重理论轻实践的 倾向。进入上世纪八十年代后情况有了改变，越来越多的科技人员开始注意到 了模糊理论在工程上的应用价值。 模糊控制有它自身的优点，但也有它的局限性1 0 】f l l 】【1 4 】【1 们。模糊控制器的结 构过于简单；规则语言还不足以表达控制复杂过程需要的知识；规则库一般只 允许一种格式的规则；也不具有自学习和自适应能力：同时控制动作比较粗糙， 稳定精度有待提高。但是模糊控制具有它自身独特的优点，把现代控制理论技 术与人工智能技术、神经元网络技术、仿人智能技术相结合则可以弥补它的不 足，会大大推动控制技术的发展。今后，智能控制技术主要的研究方向是以模 糊控制为核心辅以其它控制方法从而构成大系统智能控制体系，如模糊自适应 控制，模糊p i d 控制，基于神经的仿人模糊控制，基于神经的自适应模糊控制等。 1 2 2p l c 的发展状况 一、p i _ , c 的特点与应用【3 7 l 1 9 6 9 年，第一台可编程序控制器( p l c ) 在美国面世。经过近4 0 年的发展，现 在可编程序控制器己经成为最重要、最可靠、应用场合最广泛的工业控制计算 机。可编程控制器有以下主要特点。 ( 一) 可靠性高、抗干扰能力强。可靠性是用户的首要要求，因而p l c 的生 产厂家都着力于提高可靠性的指标。目前各生产厂家生产的p l c ，其平均无故 障时间都大大超过i e c ( i n t e m a t i o n a le l e c t r ot e c h n i c a lc o m m i s s i o n ) 规定的1 0 万小 时。而且规模较大、要求较高的系统还可以采用多机冗余系统或表决系统，进 一步提高系统的可靠性。p l c i 均i o 接口电路均采用光电隔离，可以有效地抑制 干扰。 ( 二) 编程简单、使用方便。p l c 的编程可采用与继电器电路极为相似的梯 形图语言。直观易懂，深受现场电气技术人员的欢迎。 ( 三) 功能完善、通用性强。p l c 不仅具有逻辑运算、定时、计数、顺序控 制等功能，而且还具有a d ，d a 转换，数值运算和数据处理，通信和联网，对 模拟量进行闭环p i d ( p r o p o r t i o n a b i n t e g r a l - d e r i v a t i v e ) 控制等功能。 ( 四) 设计、安装容易，调试周期短，维护简单。因p l c 产品的系列化、标 准化，设计者可在规格繁多、品种齐全的p l c 产品中选用性能价格比高的产品。 p l c 用软器件功能取代了继电器控制系统中大量的中间继电器、时间继电器、 计数器等器件，从而使控制柜的设计、安装接线工作量大为减少。用户程序大 部分可以在实验室模拟进行，调试好后再将p l c 控制系统放到生产现场联机调 试，这样既快速又方便，从而大大缩短设计和调试周期。在维修方面，由于p l c 本身故障率极低，而且各种模块上均有运行和故障显示，便于用户了解运行情 况和查找故障。还由于大部分p l c 采用模块化结构，一旦某一模块发生故障， 用户还可以通过更换模块的方法，使系统迅速恢复运行。 ( 五) 体积小、能耗低、性能价格比高。由于p l c 具有上述功能特点，目前 已广泛应用于冶金、能源、轻工、化工、汽车、机械、电力、建材、运输、环 保和文化娱乐等领域。l 瞳着p l c 性能价格比的不断提高，其应用范围不断扩大， 大致可归纳为如下几类。 1 ) 开关量的逻辑控制 这是p l c 最基本、最广泛的应用领域。它取代传统继电器控制系统，实现逻 辑控制、顺序控制、可用于单机控制、多机群控，自动化生产线的控制。 2 ) 位置控制 多数p l c 铝u 造商，目前都提供步进电机或伺服电机的单轴或多轴位置控制模 块。这一功能可泛用于各种机械，如金属切削机床、金属成型机床、装配机械、 机器人和电梯等。 3 ) 过程控制 过程控制是指对液位、温度、压力、流量等连续变化的模拟量的闭环控制。 4 ) 数据处理 p l c 具有数学运算、数据转换、排序、位操作等功能，还能完成数据的采集、 分析和处理这些数据可通过通信接口传到其它智能设备。 5 ) 通信联网 p l c 的通信包括p l c 与p l c 之间，p l c 与上位计算机之间，p l c 与其它智能 设备之间的通信分布式控制系统。p l c 系统与通用计算机可以相连构成通讯网 络以实现信息交换，并可够成分布式控制系统，以满足工厂自动化系统的发展 需要。 4 二、p l c 的发展趋势【3 8 1 随着计算机技术的发展和市场需求量的增加，p l c 的结构和功能有了不断改 进，生产厂家不断推出功能更强的新产品。目前，p l c 的发展主要有两个趋势： 其一是向体积小、速度快、功能强、价格低的微小型方向发展；其二是向大型 网络化、高可靠性、兼容性、多功能方向发展。 ( 一) 大型网络化 网络化和加强通信能力是p l c 的一个重要发展趋势。p l c 构成的网络将有多 个p l c 、多个加模块相连，并可与m c ( t 业计算机) e p c ( 嵌入式计算机) 、以 太网等相连构成整个工厂的自动控制系统。现场总线技术( 如p r o f i b u s ) 在工业 控制中将会得到越来越广泛地应用。 ( - - ) 高可靠性 一些特定的环境和条件要求自动化系统要有很高的可靠性，因而自诊断技 术、冗余技术、容错技术在p l c 中都已得到厂泛的应用。 ( 三) 多功能 ， 为了适应各种特殊功能的需要，各个公司陆续推出了多种智能模块。智能 模块是以微处理器为基础的功能部件。它的c p u 与p l c 的c p u 并行工作，占用主 机的c p u 时间很少，有利于提高p l ，c 扫描速度和完成特殊的控制要求。 ( 四) 编程语言向高层次发展 p l c 编程语言在原有梯形图语言、顺序功能图语言和指令表语言的基础上， 不断丰富和向高层次发展。如s i e m e n s 公司的s i m a t i cs 7 可以使用c 、从c + + 等高级语言进行编程。 ( 五) 良好的兼容性 p l c 产品的优劣除了要看它内在技术优劣外，还需考察它满足国际标准化的 程度和水平。标准化一方面保证了产品出厂质量，另一方面也保证了各厂家产 品的相互兼容性。 三、i e c l l 3 1 3 标准概述【卅 由于各个厂商生产的p l c 硬件和软件互不兼容，给p l c 应用人员的开发工作 带来许多麻烦，同样也阻碍了p i _ , c 的发展速度。为了打破以前各p l c 生产厂商的 产品相互不兼容的局限性，c ( 国际电工委员会) 于1 9 9 4 年5 月颁布了工业自动 化控制领域中的最新国际标准i e c l l 3 1 3 。i e c l l 3 1 3 国际标准包括五部分：通 用信息、设备与测试要求、编程语言、用户指南、通信。i e c l l 3 1 3 是i e c l l 3 1 的第三部分，也是工业控制编程唯一的国际标准，此编程标准包括五种编程语 言：顺序功能图( s e q u e n t i a lf u n c t i o nc h a r t s ，s f 0 、功能块图( f u n c t i o nb l o c k d i a g r a m ，f b d ) 、梯形 ( l a d d e rd i a g r a m ，l d ) 、指令表( i n s t r u c t i o nl i s t ，j 及 结构文本( s m m t u m dt e x t ，s t ) 。按照该国际标准，为了充分利用工业控制计算 机i p c 和嵌入式计算机e p c 的硬件和软件资源( 球c 和e p c 的可靠性己大人提高， 接近p l c 的可靠性) ，全部用软件来实现传统p l c 的功能，这就是所谓的s o f l p l c 技术。s o f t p l c 技术由开发系统和运行系统组成，s o f t p l c 开发系统和s o f l p l c 运 行系统式相互独立而又密不可分的两个应用程序，可以分别单独运行。 ( 一) s o f l p l c 开发系统：实际上就是带有调试和编译功能的p l c 编程器， 具备如下功能。 1 ) 编程语言标准化：遵循i e c l l 3 1 3 标准，支持多语言编程( 共有5 种编程 方式：s t 、i l 、l d 、f d b 和s f c ) 编程语言之间可以相互转换。 2 ) 开放的控制算法接口：支持用户嵌入自己的控制算法模块。 3 ) 丰富的控制模块：支持多种p i d 算法如常规p i d 控制算法、自适应p i d 控制算法等。 4 ) 仿真运行，实时在线监控，在线修改程序和编译。 5 ) 强大的网络功能：支持基于t c p i p 网络，通过网络实现p l c 远程监控， 远程程序修改。 ( 二) s o f l p l c 运行系统；这一部分是s o f l p l c 的核心，完成输入处理、程序 执行、输出处理等工作。通常由i o 接口、通信接口、错误管理器、系统管理器、 调试内核和编译器组成。 1 ) i 0 接口：可与任何i o 系统通信，包括本地i o 系统和远程i o 系统，远程 f o 主要通过现场总线i n t e r b u s 、c a n 等实现。 2 ) 通信接口：通过此接口使运行系统可以和开发系统或脚i 软件按照各 神协议进行通信，如下载p l c 程序或进行数据交换。 3 ) 错误管理器：检测和处理程序执行期间发生的各种错误。 4 ) 系统管理器：处理不同任务和协调程序的执行，而且从i 0 映象读写变 量。 5 ) 调试内核：提供多个调试函数，如重写、强制变量、设置断点、设置 变量和地址状态。 6 ) 编译器：通常开发系统将编写的p l c 源程序编译为中间代码，然后运行 系统的编译器将中间代码翻译为与硬件平台相关的机器可执行代码( 即目标代 码) 。 s o f l p l c 控制技术是自动化技术发展的新方向。目前，世晃许多著名厂商生 产出了支持1 e c l l 3 1 国际标准s o f l p l c 产品，如：德国s m m e n s 公司的w i n c e 和 w i n a c 、k w - s o f l w a r e 公司的m i 丌m r o gw t 3 2 、w o n d v r w a r e 公司的i n c o n t r o l7 0 、 wi z d o ms y s t e m 公司的p a x a d y m - 3 1 、研华公司的a d v a n t e c h pa r a d y m 3 1 等。 s o f l p l c 与硬件p l c 相比，最突出的优势在于通用性和兼容性高，系统的开放性 好，使得用户嵌入自己的控制算法成为可能。 6 1 3 课题研究的主要内容 一、本文以水箱为研究对象，水箱的液位为被控制量。为了改善调节过程的 动态性能。采用串级控制。针对t h j 2 液位控制系统装置的特点，用实验法建立 了被控对象的模型。 二、论述了p i d 控制器与模糊控制器的设计和实现，针对液位控制系统的特 点，设计出较好的控制规则和隶属度函数，计算出离线控制表。 三、将设计好的模糊控制算法通过m a t l a b 进行仿真，将常规p i d 控制性能 和模糊控制的性能作了比较。 四、设计好的控制系统用p l c 编程实现p 1 d 控制、模糊控制。用w i n c c 监 控软件进行组态监控，以实现对液位的实时控制。 7 2 1 液位控制系统 第二章系统分析与建模 本液位控制系统是基于“t h j - 2 型高级过程控制系统装置”。本文设计的主 要目的是控制下水箱的液位。控制下水箱的液位在某一比较小的范围变化。 2 1 1 液位控制系统组成 本文的研究对象是双容水箱的串级液位控制系统，其控制系统结构图如图 2 1 。它由控制器、电动调节阀、上水箱、下水箱和液位变送器等组成。电动调 节阀用于调节上水箱的进水量大小，液位变送器用于检测上水箱和下水箱的液 位。控制器的输出量用于控制调节阀的开度。 糸蓉 下水蒋 图2 1 串级控制系统图 串级控制系统是由两个或以上的控制器串联连接组成复杂控制系统。其中 前面控制器的输出作为后面控制器的设定值，最后一个控制器的输出控制调节 阀。在控制过程中，副回路起“粗调”作用。主回路起“细调”作用。 串级控制系统增加了副回路，使系统的控制性能有了较大的提高，因为系 统增加了包含二次扰动的副回路。主要表现在：改善了被控过程的动态特性： 能及时克服进入副回路的各种二次扰动；提高了系统的抗干扰能力；提高了 系统的鲁棒性：具有一定的自适应能力。 2 1 2 液位控制系统的控制目标 水箱的液位变化范围是o l o o m m ，要求设计合适的控制器，能使被控对象 8 下水箱的液位快、准、稳的稳定在所给的液位值上，稳态误差不超过2 5 m m 。 当系统发生扰动时，被控液位能快速恢复到原来所给定的液位值。 2 2 建立水箱模型 由于在仿真的时候要用到t h j - 2 型过程控制系统中的上、下两水箱的传递 函数，现用开环阶跃响应曲线法建立被控对象的模型。 在本设计中将通过实验建模的方法，分别测定被控对象上水箱和下水箱在 输入阶跃信号后的液位响应曲线和相关参数。 通过磁力驱动泵供水，手动控制电动调节阀的开度大小，改变上水箱下水 箱液位的给定量，从而对被控对象施加阶跃输入信号，记录阶跃响应曲线。 在测定模型参数中可以通过智能调节仪表改变调节阀开度，增减水箱的流 入水量大小，从而改变水箱液位实现对被控对象的阶跃信号输入。 一、上水箱阶跃响应参数测定： 手动操作调节器，控制调节阀开度，使初始开度o p l = 5 0 ，等到水箱的液位 处于平衡位置时，改变调节阀开度至o p 2 - - 6 0 ，即对上水箱输入阶跃信号，使其 液位离开原平衡状态。经过一定调节时间后，水箱液位重新进入平衡状态。记 录两次液位稳定之间液位变化的数据。利用m a t l a b 绘制出原始数据曲线与拟 合曲线图如图2 3 。 图2 2 上水箱原始数据曲线图 由曲线图，我们可以将上水箱按照一阶模型( 单容水箱) 来处理。一阶模 型的传递函数为： 9 ( s ) = 和k + o1 下面以一阶水箱模型的求解过程来推导水箱的传递函数。 图2 3 一阶水箱特性测试图 ( 2 1 ) 由图2 3 可知，对象的被控制量为水箱的液位h ，控制量( 输入量) 是流入 水箱中的流量q ，手动阀v 。和v ：的开度都为定值，q ：为水箱中流出的流量。根 据物料平衡关系，在平衡状态时 q l o 叫妇5 u 动态时，则有 q 。- q 2 - 华 式中v 为水箱的贮水容积，孚为水贮存量的变化率， d v ：a d h ，即一d v - a a h d td | a 为水箱的底面积。把式( 2 4 ) 代入式( 2 3 ) 得 q 。也a 粤 基于q ：= ，r 。为阀v 2 的液阻，则上式可改写为 脚 q 1 一姿：a 粤即a r s 婴+ h = k q 。 凡廊 。 。疵 或写作 ( 2 2 ) ( 2 3 ) 它与h 的关系为 ( 2 4 ) ( 2 5 ) 掣：姜 ( 2 6 ) q l ( s ) 嚣+ l 式中t - a r 。，它与水箱的底积a 和v 2 的r s 有关；k = r s 。 l o 式( 2 6 ) 就是一阶水箱的传递函数。 。 若令q 。( s ) = 等，如= 常数，则式( 2 6 ) 可改为 吣卜嚣1 争生s 嚣s 一ss + 对上式取拉氏反变换得 h ( t ) = k r 。( 1 一e 1 7 t )( 2 7 ) 当t 一时，h ( o o ) = k ，因而有k = h ( 一) r o = 输出稳态值阶跃输入 当t = t 时，则有h ( t ) = k ( 1 - e 1 ) ：0 6 3 2 k p = 0 6 3 2 h ( o o ) 式( 2 7 ) 表示一阶惯性环节的响应曲线是一单调上升的指数函数，如图2 2 所 示。当由实验求得图2 2 所示的阶跃响应曲线后，该曲线上升到稳态值的6 3 h 0 6 3 2 h 图2 4 单容水箱的单调上升指数曲线 所对应的时间，就是水箱的时间常数t 。该时间常数t 也可以通过坐标原点 对响应曲线作切线，切线与稳态值交点所对应的时间就是时间常数t ，由响应曲 线求得k 和t 后，就能求得一阶水箱的传递函数。 = 、控制系统模型的建立 根据拟合曲线采用上述计算法求得上水箱传递函数为： g ( j ) = 而4 而7 5 6 鬲 为了验证此传递函数的可行性，利用m a t l a b 绘制出阶跃响应曲线与原始 曲线的比较见图2 6 。 图2 5l 访真曲线，醐合曲线。卜擞据曲线 基于本控制装置的特点，同样的方法可得到下水箱的模型，求 ：导下水箱的 传递函数为： g ( s ) = 面6 j 3 石9 丽3 图2 6l 仿真曲线，2 _ 喇合曲线。瑚据曲线 1 2 3 1p i d 控制 第三章常规p i d 控制和模糊控制 3 1 1p i d 概述删1 3 嘲 多年以来，在控制系统中，按偏差的比例( p ) 、积分( i ) 、微分( d ) 进行 控制的p i d 控制器( 亦称调节器) 是应用最广泛的一种自动控制器。它具有原理 简单、易于实现、鲁棒性强和适用范围广等优点。在计算机用于控制之前，采 用的气动、液动和电动的p i d 调节器几乎一直占垄断地位。计算机的出现和它在 控制中的应用使这种情况发生改变，近2 0 多年来相继出现了一批复杂的，只有 计算机才能实现的控制算法。但是在目前，即使在计算机控制中，p i d 算法仍然 是应用最广泛的算法。不过，用计算机实现p d 控制，就不仅仅是简单的把p i d 控制规律数字化，而是进一步与计算机的逻辑判断功能结合起来，使p i d 控制灵 活多样，更能满足生产过程提出的各式各样的要求。 模拟量p i d 调节器的数学模型为； r1 硼) = k ，f 印) + 丢f 蝴凌+ r o 警f ( 3 1 j l i一j 式中：u ( t ) 为调节器的输出信号，e ( t ) 为调节器的输入偏差信号。 一、比例环节 k p 是为了及时成比例地反应控制系统的偏差信号，以最快速度产生控制作 用，使偏差向减小的趋势变化。k p 系统误差一旦产生，控制器立即就有控制作 用，使被p i d 控制的对象朝着减小误差的方向变化。比例系数k p 的作用在于 加快系统的响应速度，提高系统的调节精度。k p 越大，系统的响应速度越快， 但过大将产生超调和振荡甚至导致系统不稳定；如果k p 取值过小，则会降低调 节精度，使响应速度缓慢，从而延长调节时阅，使系统动、静态特性变坏。因 此，比例调节常与无差的积分调节或增加阻尼的微分调节共同作用。 二、积分环节k i 能对误差进行记忆并积分，有利于消除系统的静差。k l 为了保证被控量在 稳态时对设定值的无静差跟踪。只要存在偏差，则它的控制作用就会不断增加。 只有在偏差t 户o 时，积分值变成常数，控制输出才是一个常数。因而，积分 部分的作用可以消除系统的偏差。积分时间常数乃对积分部分的作用影响极大。 当t i 较大时，则积分作用较弱，这时，系统的过渡过程不易产生振荡，但是消 除偏差所需的时间较长；当t i 较小时，则积分作用较强，这时系统过渡过程中 有可能会产生振荡，但消除偏差所需的时间较短。 三、微分环节k o k d 是为了改善闭环系统的稳定性和动态响应的速度。通过对误差进行微分， 能感觉出误差的变化趋势。反映偏差信号的变化趋势( 变化速率) ，并能在偏差 信号变太大之前，在系统中引入一个有效的早期信号，从而加快系统的动作速 度，减少调节时间。微分部分的作用强弱由微分时间常数t d 决定。t d 越大， 则它抑制e ( t ) 变化的作用越强；t d 越小，则它反抗e ( t ) 变化的作用越弱。 四、采样周期的选择 根据采样定理，采样周期t 薹丌6 0 m a x 。从系统控制品质的要求来看，希望 采样周期取的小一些，这样接近于连续控制，不仅控制效果好，而且可采用模 拟p i d 控制参数的整定方法。采样周期的选择还应考虑被控对象的时间常数t p 。 p i d 参数的整定可用稳定边界法来实现。也可以通过齐格勒一尼科尔斯整定 法。在控制初期，关键要克服各环节的滞后，为了避免积分饱和造成极大超调， k i 应选的小一些：在控制过程中期，系统偏差已减小，但为了不过分影响系统 稳定性，k i 可适当增大一些。在调节过程后期，为了减小系统稳态误差，提高 控制精度，k i 可选取更大一些。 在控制初期，为尽快消除偏差，提高响应速度，k p 应取大一些；在控制过 程中期，为了防止超调过大造成震荡，k p 要减小一些；在控制过程后期，则要 克服超调，使系统尽快稳定，r p 值再减小一些。 可见p i d 算法简单，参数调整方便，并且有一定的控制精度，因此它成为 当前最为普遍采用的控制算法。 3 。1 2 数字式p i d 控制算法 在计算机控制系统中，由于连续的模拟量不能被识别，只能通过模数转换 变成数字量。以一定的采样周期对输入量进行定时采样，得到每个采样时刻的 瞬时值。当采样周期比较短时，用求和代替积分、用后项差分代替微分，使模 拟p i d 离散化变为差分方程。数字式p i d 控制算法有两种： 一、数字式p i d 位置型控制算法 为了便于计算杌实现，可将积分项与微分项做如下处理 球( f ) 衍“e r e ( i ) 如( f ) 。e ( 后) 一e ( 叫 3 2 出。r 一。 式中，t 为采样周期，k 为采样序号。从而可得位置型控制算法如下： 1 4 小m + 丢扣弓掣 慨s ， 该算法提供了执行机构的位置u ( k ) ，如阀门的开度，u ( 1 ( ) 的值和执行机构 的位置( 如闸板的开度) 是一一对应的所以叫做数字p i d 位置型控制算法。 二、数字p i d 增量型控制算法 所谓增量式p i d 是指数字控制器的输出是控制器的增量a u ( k ) 。当执行机构 需要的是控制量的增量( 例如驱动步进电机) 时，应采用增量式p i d 控制。根据 递推原理，可得增量式p i d 控制算法。 a u ( k ) = u ( k ) - u ( k - i ) = f h ) ) + i t + t de ( k ) - 2 e ( k t i ) + e ( 1 - 2 ) 4 ) 即 a u ( 青) = k p a e ( 膏) + k i e ( k ) + k d a e ( k ) 一p ( j 一1 ) 】 其中：k p 为比例增益；k i 为积分时间常数，k d 为微分时间常数。 实际中常用增量式控制算法，因为该算法不要做累加，仅与最近几次误差 采样值有关，对控制量的计算影响较小，且不会产生累加误差；得出的是控制 量的增量，无动作影响小，不会严重影响系统的工作；还容易实现手动到自动 的无冲击切换。 3 2 模糊控制 模糊逻辑控制( f i l z z yl o g i cc o n t r 0 1 ) 简称模糊控f l ；u ( f u z z yc o n t r 0 1 ) ，是以模 糊集合论、模糊语言变量和模糊逻辑推理为基础的一种计算机数字控制技术。 模糊控制实质上是一种非线性控制，从属于智能控制的范畴。模糊控制的一大 特点是既具有系统化的理论，又有着大量实际应用背景。模糊控制不依赖于被 控对象的数学模型，而只要求掌握现场操作人员和有关专家的经验、知识或者 操作数据1 1 4 】f 1 5 】【1 8 】【1 9 1 。 3 2 1 模糊集合 一、模糊集合的基本概述 8 01 8 0身高傩 图3 1 模糊集合与传统普通集合 在传统的集合论中，任何一个元素与集合之间的关系，只有“属于”或“不 属于”某个集合这两种关系，而且只能是两者之中的任一种。其元素与集合之 间关系非常明确，故传统集合又称为明确集合。模糊集合是以特征函数来表示 元素与集合间之隶属程度。因此，特征函数又称为隶属函数。隶属函数是在【0 ，1 】 区间上连续取值，其隶属度值的大小表示属于个集合的程度，若隶属度值为l ， 表示完全属于某个特定集合；隶属度值为0 则表示完全不属于某个特定集合。 由此可见，传统普通集合是模糊集合的特例，而模糊集合是普通集合的扩展。 图3 1 以人对身高的感觉而言，说明模糊集合与传统普通集合之区别。 设a 为论域u 上的模糊集合，由隶属度函数以( 砖来表征，其中胁c d 在 实轴的闭区问 0 ，l 】中取值，即以( 力峥【o ，1 】。模糊集合可以用如下的序偶形式 表示： 彳= ( x ，玩( 苫) ) 卜z