水箱液位线性控制系统的设计与研究毕业论文.doc

本科生毕业设计 水箱液位线性控制系统的设计与研究水箱液位线性控制系统的设计与研究 摘 要 液位控制是工业中常见的过程控制 它对生产的影响不容忽视 为了保证安全生 产以及产品的质量和数量 对液位及时有效的控制是非常重要的 目前生产中应用的 液位控制系统 主要以传统的 PID 控制算法为主 但对于复杂的大型系统 其数学模 型往往难以获得 传统的 PID 控制方式显得无能为力 为适应复杂液位控制系统的控 制要求 人们研究了很多智能控制方法 模糊 PID 控制便是其中之一 文中介绍了水箱液位控制系统的总体硬件结构及三级串联水箱组成 分析各种对 象的工作原理 以及各种组成部件的特性 在水箱液位的控制中 由于三容水箱是一 个典型的非线性时变多变量耦合系统 用常规的控制手段很难实现理想的控制效果 本文用了模糊 PID 控制 首先对液位控制系统的 PID 控制算法进行分析 然后引入 了模糊 PID 控制 通过模糊 PID 控制器调节对输入偏差进行 PID 运算 得到 PID 参 数 实现对水箱液位的线性控制 系统经调试仿真 实现了各个控制要求 对水箱液 位具有较精确的控制 关键词 过程控制 水箱液位控制系统 模糊 PID 控制 ABSTRACT Liquid level control is industrial process control common in the influence on production can not be ignored In order to ensure safety in production and the product quality and quantity level timely and effective control is very important The current production application of liquid level control system mainly with the traditional PID control algorithm is given priority to But for complex large system and its mathematical model is often difficult to obtain the traditional PID control method proved powerless In order to adapt to the complex liquid level control system control requirements people studied a lot of intelligent control method fuzzy PID control is one of them This paper introduces the overall level control system tank hardware structure and level 3 series water tank analysis of various objects composed the working principle and the characteristics of various components The control of the tank due to the level of three let water tank is a typical nonlinear time varying multivariable coupling system with the conventional control means it is difficult to achieve the ideal control effect this paper used the fuzzy PID control First level control system of PID control algorithm is introduced and then analyzes the fuzzy PID control by fuzzy PID controller adjust the error of input get PID operation to realize PID parameters of linear control tank level by commissioning simulation system realized each control requirements of water tank with precise control level Keywords Process control Three Tank Water Control System Fuzzy PID Control 目 录 摘 要 ABSTRACT 第 1 章 引言 1 第 2 章 液位控制系统分析和控制策略 2 2 1 液位控制系统概述 2 2 2 液位控制系统组成 2 2 2 1 系统整体组成 2 2 2 2 三级串联水箱组成 3 2 2 3 液位控制系统设计 5 第 3 章 控制算法研究 8 3 1 PID 控制 8 3 2 模糊 PID 液位控制 10 3 2 1 定义输入 输出变量 11 3 2 2 描述输入和输出变量的语言变量 11 3 2 3 模糊变量的模糊子集的制定 11 3 2 4 建立模糊控制器的控制规则 12 3 2 5 模糊量的精确化过程 14 3 2 6 模糊控制算法 15 3 2 7 模糊判决 16 3 3 模糊 PID 液位控制器的设计的基本原理 20 3 4 模糊控制器的设计过程 21 3 4 1 模糊控制器的结构设计 21 3 4 2 模糊 PID 控制器输入及输出模糊化 21 3 4 3 模糊控制规则的建立 21 3 4 4 计算模糊控制表 21 第 4 章 水箱液位线性控制系统的仿真 22 4 1 模糊 PID 仿真模块图 22 4 2 模糊 PID 仿真效果图 23 结 论 26 致 谢 27 参 考 文 献 28 第 1 章 引言 过程控制系统可以分为计算机过程控制系统与常规仪表过程控制系统两大类 其 中计算机过程控制系统是近年来发展起来的以计算机为核心的控制系统 它以其特有 的优势和强大的功能 已成为过程控制的一个主流方向 随着工业生产的飞速发展 人们对生产过程的自动化控制水平的要求越来越 高 每一个先进 实用的控制算法 的出现都对工业生产具有巨大的推动作用 然而 当前的学术研究成果与实际生产应 用技术水平并不是同步的 甚至相差几十年 在我国 越是高深的 先进的控制理论 其研究越是局限于少数科研院所的狭小圈子内 也越是远离了国民生产这个应用基地 最近几年 国内一些控制领域已接近甚或超越了国际水平 然而 就先进理论应用于 工业生产等领域的状况来讲 与发达国家相比却存在较大差距 其原因固然是多方面 的 但是 一个很明显的原因就在于理论研究尚缺乏实际背景的支持 理论的算法一 旦应用于现场就会遇到各种各样的实际问题 制约了其应用前景 随着生产水平和科学技术的不断发展 现代控制系统的规模只趋大型化 复杂化 对设备和被控系统安全性 可靠性和有效性的要求也越来越高 三容水箱液位 控制系统试验装置是模拟现代工业生产过程中对液位 流量参数进行测量 控制并观 察其变化特性 研究过程控制规律的教学产品 具有过程控制的动态过程一般 特点 大惯性 大时延 非线性 难以对其进行精确控制 从而成为控制理论与控 制过程 过程控制教学 试验与研究的理想平台 液位控制是工业中常见的过程控制 它对生产的影响不容忽视 液位控制对象一 般具有纯滞后 大惯性 因此液位变化缓慢 系统一般呈非线性 用常规 PID 控制器 来控制时 其效果不理想 系统响应的调节时间较长 对于液位控制系统 常规的 PID 控制采用固定的参数 难以保证控制适应系统的参数变化和工作条件变化 得不 到理想效果 模糊控制具有对参数变化不敏感和鲁棒性强等特征 但控制精度不太理 想 如果将模糊控制和传统的 PID 控制两者结合 用模糊控制理论来整定 PID 控制器 的比例 积分 微分系统 就能更好的适应控制系统的参数变化和工作条件的变化 1 1 李敏远 都延丽 姜海鹏 智能自整定 PID 在液位控制系统中的应用 J 2003 20 5 805 808 第 2 章 液位控制系统分析和控制策略 2 1 液位控制系统概述 液位是过程控制中的一个重要参数 它对生产的影响不容忽视 为了保证安全生 产以及产品的质量和数量对液位及时有效的控制是非常重要的 水箱液位控制是液位 控制中的一个重要问题 三容水箱是较为典型的非线性 时延对象 工业上许多被控 对象的整体或局部都可以抽象成三容水箱的数学模型 具有很强的代表性 因此三容 水箱的数学模型的建立具有非常重要的意义 对工业生产中的液位控制系统研究具有 指导意义 目前 对水箱水位的控制大多采用传统常规PID控制方式 传统的PID控制 方式是根据被控制对象的数学模型建立 由于水箱水位系统存在非线性 不确定性 时滞和负荷干扰 非最小相位特征等 其精确的数学模型往往无法获得 而且传统 PID控制的参数是固定不变的 难以适应各种扰动及对象的变化 其控制效果不理想 2 2 液位控制系统组成 2 2 1 系统整体组成 模拟控制对象系统由上 中 下三个相同大小的水箱 液位检测变送仪表 执行 机构组成以及相应的管路组成 三水箱均装有也为传感器 配套的仪表屏上安装了配 有带连接信号插座孔的整个工艺过程模拟流程图 调节控制仪表 手操器 显示仪表 等 2 工艺过程模拟流程图如图 2 1 所示 图 2 1 带连接信号插座孔的液位装置工艺模拟流程图 2 翁维勤 孙洪程 过程控制系统及工程 第二版 北京 化学工业出版社 2003 18 21 上图中 标有字母的方块为各种仪表 为各仪表输入 输出信号的单线接插件 的插座孔 插孔 其中 C 控制器 调节器 该装置配有二个单回路调节器 C1 和 C2 每个调节器设有 三对插座孔 插孔 其中 M 孔为测量值输入 S 孔为外设定输入 O 孔为调 节器输出 R 记录仪为无纸 3 通道记录仪 输入信号 4 20mA 其中 R1 孔为 1 号通道 R2 孔为 2 号通道 R3 孔为 3 号通道 每个通道有两个插座孔 其中上孔 接变送 器来的信号 下孔 用来转接到其他仪表作为输入信号 注意不能接错 HT 液位变送器 液位变送器为 LSRY 1 量程 0 100mmH2O 2 量程 0 100mmH2O 3 量程 0 100mmH2O 输出均为 4 20mA VL 调节阀为电子小流量调节阀 调节器输出 4 20 mA 信号 输入给电子调节阀 控制水流量 24V 电源 O 上孔 插孔 接电源变送器来的正信号 下孔 插孔 接电源 变送器来的负信号 不能接错 S 手操器 在本系统中作恒流源给定器用 输出 4 20mA 用作外给定控制 由图可见 液位线性控制系统由下列 5 部分组成 被控对象 水箱 电子阀 液位变送器 调节器和 手操器 它们连接成控制系统的方框图如图 2 2 所示 图 2 2 液位线性控制系统原理方框图 图中被控对象是三级串联的水箱 被调参数是水箱的液位 H 调节参数是流入水 箱的水流量 Q 水箱液位由液位变送器检测得到液位反馈信号 Hf 它和手操器输出的 液位设定信号 Hs 进行比较 得到偏差信号 Hi 调节器对输入偏差 Hi 进行 PID 运算 输出变化量 y 控制信号 控制电子调节阀门的阀位 改变调节参数 Q 使被调参数 H 保持在设定值 2 2 2 三级串联水箱组成 图 2 3 液位线性控制系统实验装置原理图 三级串联水箱如图 2 3 所示 它由三个水箱组成 稳压水由两路经过电子调节阀 VL1 和 VL2 以及手动阀 V1 V6 分别流入三个水箱 调节阀 VL1 和 VL2 可以一个作为 控制回路的执行机构 另一个用于产生扰动信号 若以进入水箱的水流量作为输入量 水位作为其输出量 则每一号水箱可以看成是一阶惯性环节的被控对象 当 VL1 作为 控制回路执行机构 通过手动阀 V1 V3 和 V5 的打开关闭不同组合使水箱构成不同阶 次的被控对象 选择第 3 个水箱的液位 H3 作为被调变量 关闭手动阀 V1 和 V3 只 打开 V5 则构成一阶被控对象 关闭手动阀 V1 和 V5 只打开 V3 使两个水箱串联 则两个惯性环节串联构成二阶被控对象 关闭手动阀 V3 和 V5 只打开手动阀 V1 使 三个水箱串联 则三个惯性环节串联构成三阶被控对象 当然 第一个水箱的液位 H1 和第二个水箱的液位 H2 也可以作为被调变量 若以 H2 为被调参数 关闭手动阀 V3 打开 V1 使第一个水箱和第二个水箱串联 构成二阶被控对象 关闭手动阀 V1 打开 V3 只控制第二个水箱 则为一阶被控对象 2 2 3 液位控制系统设计 为了满足工艺要求 设计了带修正因子和寻优参数的液位模糊控制器 控制规则 是模糊控制器的核心部分 它决定了模糊控制器的有效性与实用性 3 一成不变的控 制规则 其适应性显然较差 为此本文采用一种带修正因子的模糊控制算法 ECAAEINTU 1 1 0 A 2 1 式中 为加权系数 为取整 值的大小直接反映了控制量对偏差及偏A 1INTAUE 差变化率的加权程度 其值可根据偏差的大小自动在线调整 设偏差和偏差ECEE 变化率EC 的论域为 NNNECE 2 1 0 1 2 1 2 2 由 2 式可知 在整个论域范围内具有在线参数自整定的模糊控制规则可表达为 ECEINTU 1 NEABS 010 2 3 式中 一般取0 3左右 这个控制规则的特点是 调整参数在 1 0 0 和1之间随误差绝对值的大小而变化 由于N 是量化等级 故有N 1 个可能的0 取值 当 时 为最小 的权重最大 当时 1 的权重最 0 ECEE E 大 故能尽快消除偏差 图3给出了带修正因子的规则自整定模糊控制器 在控制策 略中 增加了积分抑制作用 其目的在于提高系统的稳态精度 增强适应性 改善系 统的动态特性 IF 0 11 eandecNecandABSMeABS keKKQKTHENQ 1 1 1 KQKELSEQ 2 4 式 4 中 分别为给定的阀值 为比例系数 模糊量化部分采用归一 1 M 1 N 1 K 化模糊量化处理 这样就无需再设置和调整量化因子 和 而模糊控制器所需 e K ec K 3 叶健美 一种改进的液位控制系统 J 中国科技信息 2005 12 130 调整的参数只剩下一个 可采用自寻优在线调整 使系统工作在最佳状态 文 u K u K 中选用ITAE准则作为目标函数 即 min dttu tJ 2 5 带修正因子和优化参数的模糊控制器 可使模糊控制规则实现自调整 自完善 适用于被控对象的特性不太明确或特别复杂 而无法用精确数学模型来描述的系统 这种方法不仅可以保证系统输出响应快 调节时间短 超调量小 控制精度高 鲁棒 性好 而且还有较强的抗干扰能力和自适应能力 EcU h 图2 4 液位模糊控制系统方框图 液位控制常采用PID控制 该控制方法具有响应迅速 稳态误差小等优点 但当 系统内部参数发生变化或受到外界干扰时 参数整定就比较困难 造成了很大的不便 为了满足自动化 冶金 化工等专业的实验室水箱液位控制的要求 对其进行了研究 设计了一种带修正因子和寻优参数的水槽液位模糊控制系统 该系统具有较强的适应 内部参数变化和克服外界干扰的能力 具有一定的应用价值 液位控制系统方块原理图如图 2 4 所示 利用水泵将储水槽中的水输出 通过电 动调节阀调节上水箱进水流量 采用双闭环串级控制对上 下水箱的液位控制使下水 箱液位保持恒定 液位变送器对上 下水箱液位进行实时测量 在系统中 由于水箱液位系统具有纯滞后和大惯性 如果采用普通 PID 控制 系 统比例系数小时会使系统的调节时间较长 而比例系数大时会造成系统很大的稳态误 差或者引起振荡 系数小时稳态误差不能消除 而积分系数大时系统会有较大的超调 量 因此 本文用模糊推理在线整定 PID 参数 构造模糊 PID 液位控制系统 提高系 统性能 本系统模糊 PID 控制 将下水箱液位控制在设定高度 串级回路是由内反馈组成的 双环控制系统 属于复杂控制范畴 模糊化模糊算法模糊决策Ku液位对象 积分抑制KiI S 本系统以下水箱液位为主调节参数 上水箱液位为副调节参数 构成串级控制系 统 在串级控制系统中 两个调节器任务不同 因此要选择调节器的不同调节规律进 行控制 副调节器主要任务是快速动作 迅速抵制进入副回路的扰动 至于副回路的 调节不要求一定是无静差 主调节器的任务是准确保持下水箱液位在设定值 因此 主调节器采用 PI 调节器也可考虑采用 PID 调节器 串级控制系统的方块原理图如图 2 5 h 主控制器 副变送器 下水箱上水箱副控制器执行器 主变送器 图2 5 串级调节系统方块图 第 3 章 控制算法研究 目前 针对过程控制所研究开发出来的控制策略 算法 很多 但其中许多算法仍 只停留在理论的推算或计算机仿真上 真正能有效地应用在工业过程控制中的仍为数 不多 较公认的 特别是得到工程界认可 的控制策略主要有以下几种 1 PID控制算法 大量的事实证明 传统的PID控制算法对于绝大部分工业 过程 的被控对象 高达90 可取得较好的控制效果 将PID算法与其他算法进行有机结合 往往可以进一步提高控制质量 2 自适应控制 在过程工业中 不少的过程是时变的 如采用参数与结构固定不 变的控制器 则控制系统的性能会不断恶化 这时就需要采用自适应控制系统来适应 时变的过程 它是辨识与控制的结合 3 智能控制 随着科技的发展 对工业过程不仅要求控制的精确性 更加注重控 制的鲁棒性 实时性 容错性以及控制参数的自适应和自学习能力 另外 被控工业 过程日益复杂 过程严重的非线性和不确定性 使许多系统无法用数学模型精确描述 没有精确的数学模型作前提 传统控制系统的性能将大打折扣 而智能控制器的设计 却不依赖过程的数学模型 因而对于复杂的工业过程往往可以取得很好的控制效果 3 1 PID 控制 PID控制是最早发展起来的控制策略之一 目前在工业过程控制中 采用最多的 控制方式仍然是PID方式 即使在科技发达的日本 PID控制的使用率也达84 5 这 一方面是由于PID控制器具有简单而固定的形式 在很宽的操作条件范围内都能保持 较好的鲁棒性 另一方面是因为PID控制器允许工程技术人员以一种简单而直接的方 式来调节系统 即使被控对象的数学模型不精确也可使用 因此 长期以来PID控制 被广泛应用于工业过程控制 并取得了良好的控制效果 就是目前最新的过程控制系 统其基本控制方式也仍然是PID控制 在实际工业控制过程中 有的对象参数未知或参数缓慢变化 有的对象带有时间 滞后或随机干扰 即所谓的不确定性 面对这种情况 常规PID控制因为不能够在线 自整定参数Kp Ki和Kd 不能适应系统改变后的工况 因而应用常规PID控制器往往 不能达到理想的控制效果 另一方面 在实际生产现场中 由于受到参数整定方法烦 杂的困扰 常规PID控制器参数往往整定不良 性能欠佳 对运行工况的适应性很差 针对这些问题 长期以来 人们一直在寻求PID控制器参数的自动整定技术 以适应 复杂的工况和高指标的控制要求 随着微处理机技术的发展和数字智能式控制器的实 际应用这种设想已变成了现实 同时 随着现代控制理论研究和应用的发展与深入 为控制复杂无规则系统开辟了新途径 近年来 出现了许多新型PID控制器 如瑞典 著名学者K J Astrom等人推出的智能型PID自整定控制器 对于复杂对象 其控制 效果远远超过常规PID控制 PID控制器是一种线性控制器如图3 1 它根据给定值与实际输出值构成 tr ty 控制偏差 将偏差的比例 P 积分 I 和微分 D 通过线性组合构成控制量 对被控 制对象进行控制 其控制规律为 3 1 t D P dt tdeT dtte T teKtu 0 1 式中 为比例系数 为积分时间常数 为微分时间常数 P K I T D T 比例P 比例I 比例D 被控对象 y t u t f t e t 图3 1 PID控制系统原理图 数字PID控制算法通常有位置式PID算法和增量式PID算法两种 一般在以步进电 机或电动阀门作为执行器的系统中 多采用增量式PID控制算法 其算式如式 2 其 输出是控制量的增量 ku 3 2 1 kekeKkeKkeKku DIP 其中 为比例系数 为积分系数 为微分系数 P K IPI TTKK TTKK DPD 从系统的稳定性 响应速度 超调量和稳态精度等方面来考虑 P K I K 对系统的作用如下 D K 比例系数的作用是加快系统的响应速度 提高系统的调节精度 越大 P K P K 系统的响应速度越快 系统的调节精度越高 但是很容易产生超调 甚至导致系统不 稳定 过小 则会降低调节精度 使响应速度缓慢 从而延长调节时间 使系统 P K 静态 动态特性变坏 积分系数的作用是消除系统的稳态误差 越大 系统的稳态误差消除 I K I K 越快 但过大 在响应过程的初期会产生积分饱和现象 从而引起响应过程的较 I K 大超调 若过小 将使系统稳态误差难以消除 影响系统的调节精度 I K 微分作用系数的作用是改善系统的动态特性 即在响应过程中抑制偏差向 D K 任何方向的变化 对偏差变化进行提前预报 在系统引入一个有效的早期修正信号 从而加快系统的动作速度 减少调节时间 但过大 会使响应过程提前制动 而 D K 且会降低系统的抗干扰能力 所以 对 3个参数的选取直接影响控制效果 P K I K D K 3 2 模糊 PID 液位控制 模糊控制从20世纪70年代逐渐兴起 至今已经在许多领域广泛应用并取得了巨大 的成就 模糊控制是建立在人类思维模糊性的基础上的 它的核心是在于它用具有模 糊性的语言条件语句 作为控制规则去执行控制 常规PID控制对强非线性 时变和机理复杂的过程难以控制和参数在线整定困难 模糊控制器虽然能对复杂的和难以建模的过程进行简单而有效的控制 但是 不管如 何调整各参数 纯粹的模糊控制也不能消除稳态误差 因为模糊控制器是以误差和误 差变化作为输入变量 因此它具有Fuzzy比例一微分作用 而缺少Fuzzy积分作用 故 其稳态性能不能令人满意 如果将2种控制策略结合 则可以构成两者优点兼有的新 的控制器 即模糊PID控制器 本系统采用的是模糊 PID 控制器 模糊控制器采用串级结构 输入量选用设定的 液位值与采样液位值之间的偏差以及液位偏差值的变化率 输出量选用液位控EEC 制量 模糊控制器的设计是模糊控制中的重点 它由模糊化 模糊算法 模糊判决U 三部分组成 自适应模糊PID就是找出PID的3个参数 与误差 和误差变化率之 P K I K D Ke c e 问的模糊关系 在运行中通过不断检测 和 对3个参数进行在线修改 以满足不e c e 同 和时对控制参数的要求 使被控对象具有良好的动 静态特性 e c e 根据PID输出的工程状态 将系统响应划分为3个区域 响应阶段 此时 较大 e 为加速系统的响应速度 应取较大的 较小的 且为0 跟随阶段 此 P K D K I K 时 中等 为了使系统的超调量减小和保证一定的响应速度 应取较小的 和e P K I K 的大小要适中 调整阶段 此时 较小 为了使系统具有良好的稳态性能 应 D Ke 增大和的数值 并取适当 使系统避免振荡 P K I K D K 3 2 1 定义输入 输出变量 本文设计的模糊控制器以误差 误差变化率作为模糊控制器2个输入变量 e c e 作为模糊控制器的3个输出变量 用MATLAB SIMULINK 进行仿真 其 P K I K D K 控制系统的仿真结构图如图3 2所示 图3 2 模糊控制系统结构仿真图 3 2 2 描述输入和输出变量的语言变量 该模糊控制器是以 e 和 ec 为输入语言变量 以Kp K1和Kd为输出语言变量 根据精确程度和控制要求一般选择7个等级较适合 对于误差 误差变化率 及e c e 输出控制量 的模糊集均为 NB NM NS ZO PS PM PB 7个等 P K I K D K 级 3 2 3 模糊变量的模糊子集的制定 将误差和误差率模糊语言变量量化到整数论域均为 一3 3 输出变量的整数论 域为 0 1 各变量隶属函数曲线采用三角形 水位误差 误差变化率的隶属度曲线如图e c e 3 3 输出控制量 的隶属度曲线如图3 4 P K I K D K 量化因子的选择 误差的量化因子Ke n Xe 误差变化率的量化因子Kec m Xec 输出控制量的比例因子Ku Yu l 其中为误差值 为误差变化率 为输出控 e x c e x u y 制量 为论域值 在本设计中取 nml3 mn 图3 3 输入E Ec的隶属函数曲线 图3 4 输入Kj j P I D 的隶属函数曲线 3 2 4 建立模糊控制器的控制规则 确定模糊控制规则的原则是使控制效果达到最佳 4 根据控制系统的现状及工程 经验不断修改 归纳总结出PID3个参数的控制规则如表3 1 表3 2 表3 3 表 3 1 KP 控制规则表 4 刘金琨 先进 PID 控制及其 MATLAB 仿真 M 北京 电子工业出版社 2003 67 81 P K ec 表 3 2 K1 控制规则表 ec I K NBNMNSZOPSPMPB NBPBPBPBPSPSPSZO NMPSPSPSPSPSZONS NSPSPSPSPSZONSNB ZONSNSNSZOPSPSPS PSNBNSZOPSPSPSPS PMNSZOPSPSPSPSPS e PBZOPSPSPSPBPBPB 表 3 3 Kd 控制规则表 ec D K NBNMNSZOPSPMPB NBNSNSNBNBNBNSNS NMNSNSNBNSNSNSZO NSZONSNSNSNSNSZO ZOZ0NSNSNSNSNSZO PSZOZOZOZOZOZOZO PMPBPSPSPSPSPSPB e PBPBPSPSPSPSPSPB 根据模糊 PID 控制规则建立的模糊模糊推理系统 并显示其特性曲面 如图 3 5 NBNMNSZOPSPMPB NBNBNSNSNSZOZOPS NMNSNSZONSZOZOPS NSNSNSZOZOPSPSPS ZOZOZOZOZOPSPBPB PSNSNSZOZOPSPSPS PMNSNSNSNSZOPSPS e PBNBNSNSNSZOZOZO 图3 5 模糊推理输出特性曲面 3 2 5 精确量的模糊化过程 根据本系统的实际性质和要求 对输入量 E EC 和输出控制量 U 的模糊语言描述 模糊集 定义如下 描述输入量 E EC 和输出控制量 U 的语言值模糊子集均选为 PB PM PS ZO NS NM NB 量化论域均取为 3 2 1 0 1 2 3 输入量 E 的基本论 域为 2 1 2 1 输入量 EC 的基本论域为 6 0 6 0 输出量 U 的基本论 域为 12 12 则量化因子分别为 250 123 1 K 500 6 03 2 K 4312 3 K 把在 3 3 之间变化的连续量分为7个档次 每一个档次对应一个模糊子集 这 样处理模糊过程较简单 把区间 ba 的精确量 转换为 nn 区间的模糊变量y 采 用公式 ab ba xn y 2 2 3 3 若求得的结果不是整数 可以把它进行四舍五人 归人接近于y的整数 根据实际系统可写出输入量和输出量各档的隶属函数 本系统所选择的隶属函数 均为三角形分布 这样就完成了精确量的模糊化过程 需要注意的是 不同系统中 模 糊集的隶属函数是不同的 要根据实际情况和实践经验而定 3 2 6 模糊控制算法 模糊控制的核心是模糊控制规则的建立 模糊控制规则的实质是把操作者的经验 加以总结 并将在控制过程中由经验得来的相应措施总结成一条条控制规则 在得到 输入偏差量 E 偏差变化率 EC 和控制量 U 的模糊集后 就可以利用 若 E 且 EC 则 U 的控制规则进行模糊控制器的建立 这种控制规则是总结人们的操作经验和思维过程 根 据测得的偏差和偏差变化率 来判断应该施加的控制量 表 3 4 为总结出各种情况时 的控制规则表 表 3 4 控制规则表 偏差变化率控制量 NBNMNSOPSPMPB NBPBPBPMPMPSOO NMPBPBPMPMPSOO NSPBPBPMPSONMNM OPBPBPMONMNBNB PSPMPMONSNMNBNB PMPM0NSNMNMNBNB 液 位 偏 差 PB00NSNMNMNBNB 该表总结出一个完整的控制策略 表中每项对应一条模糊条件推理语句 每一条 模糊条件推理语句 对应一个模糊关系为 UoEcER 按上式即可计算出每一条模 糊条件推理语句所对应的一个模糊关系矩阵RnRR 21 将所有的模糊关系矩阵求 并集运算 即 RnRRR 21 即可求出总的模糊关系 R 在计算出总的模糊关系 R 后 在输入已知的条件下 输出由这个总控制规则的模 糊关系确定 例如当有任意输入偏差 1 E和偏差变化率 1c E时 用推理合成原理即可算出 相应的控制量0 1111 REEUU c 3 2 7 模糊判决 由模糊数学理论知道 总的模糊关系矩阵 R 是一个 49 7 的矩阵 每次控制计 算都处理这样一个矩阵是很困难的 为此 事前先将 R 矩阵算出 然后算出每种输入 状态下的模糊控制输出 最后用最大隶属度决策算法 将模糊控制输出转化为精确的 实际输出动作 经过计算的模糊查询表如表 3 5 所示 表 3 5 模糊查询表 E E 3 2 10123 33221 410 70 221110 700 12110 5000 010 50 50 0 5 1 1 10 500 0 5 1 1 1 20 50 1 1 1 1 1 30 1 1 2 2 2 3 在实时控制时 先将该表存入计算机 只要测得E和EC 通过查询计算机内存中 的总控制表 即可得到相应的控制量 U 去控制生产过程 普通的增量型 PID 控制算法 5 为 2121 kekekeDkekekeKpku 3 4 kukuku 1 3 5 IPI TTKK 3 6 TTKK DPD 3 7 其中 P K I K D K分别为比例 积分 微分系数 ke 1 ke 2 ke分别为 第 k k 1 k 2 次采样时的偏差值 ku为第 k 次采样时的控制器输出值 I T为积分 时间常数 D T为微分时间常数 T为采样周期 模糊 PID 控制以偏差e和ec偏差变化率作为输入量 P K I K D K 为输出 量 在线调整 PID 参数 1 K 2 K 3 K 4 K 5 K为比例因子 图 3 6 所示为模糊 PID 液位控制原理图 5 张化光 何希勤 模糊白适应控制理论及其应用 北京北京航空航大学出版社 2002 158 161 PID调节器水箱液位 测量变送器 K1 K2 K3K4 K5 d dt 模糊推理 输出值 kd ki kp 图 3 6 模糊 PID 液位控制原理图 在水箱水位控制过程的初期 应将 P K设定为较小的值 以减少系统各物理量的 冲击 在控制的中期 为加快系统的影响速度 应适当增加 P K值 在控制的后期 为避免系统产生较大的超调 需要将 P K值适当减小 如表 3 6 所示在水箱水位控制 过程的初期 为了防止由于某些因素 如饱和非线性特性使得在响应过程初期会产生 积分饱和现象 从而引起响应过程超调量较大 所以 此时应将积分作用减小 以避 免其对系统稳定性的影响 在控制过程中期 应适当选取积分作用值 在控制过程后 期 应取较大积分作用值 以减小系统的静态误差 提高系统的稳态精度 I K 控制 规则如表 3 7 所示 表 3 6 P K控制规则表 T E PBPMPS0NSNMNB NBNBNBNBNBNBNBNB BNBNBNB0PSPMNM MNMNMNMPSPSPB0 SNSNSNS0000 表 3 7 I K 控制规则表 T EA PBPMPSONSNMNB NBPBPBPBPBPBPBPB BPSPSPSPSPSPSPS MNSNSOOOOO SNBNBNSNSNSNSNS 在水箱水位控制过程的初期 适当增强微分的作用 以避免超调 故取较大的 D K值 在控制过程中期 由于系统的响应过程对 D K 值的变化很敏感 此时 D K 值应取得较小些 在控制过程后期 D K 值要取得更小些 从而减弱过程的控制作用 增加对扰动的抑制能力 使得在调节过程初期因 D K较大而导致系统调节时间增加得 到补偿 D K 控制规则如表 3 8 所示 表 3 8 D K 控制规则表 T E PBPMPS0NSNMNB BPSPS000PBPB MNBNSNMPSPSPBPB SNBNBNMPS0PMPM 在水箱水位控制系统中 由于模糊控制器的输出量 DIP KKK 都采用对称的 三角函数作为隶属函数 因此 可以采用加权平均法进行模糊判决 利用模糊推理合成规则分别计算出模糊PID参数自调整控制器的输出 IP KK 和 D K 的查询表如表3 9 表3 11所示 表3 9 P K 查询表 T E 3 2 20123 100000 1 2 203110 2 2 3 23100 3 3 4 3 3 3 3 3 3 3 表 3 10 I K 查询表 EA T 3 2 20123 1 1 1 1 1 1 2 2 200000 1 1 32111111 42222222 表 3 11 D K 查询表 T EC 3 2 20123 1110 1 2 2 2 2220 1 2 3 3 3110 1 2 3 3 4331 1 1 3 3 5210 1 1 1 1 63300011 模糊 PID 控制器调整 PID 参数计算为 PPP KKK 3 8 III KKK 3 9 DDD KKK 3 10 其中 P K I K D K 为初始设定的 PID 参数 P K I K D K 为模糊控制器 的 3 个输出 可以根据被控对象的状态自动调整 PID 的 3 个控制参数的值 3 3 模糊 PID 液位控制器的设计的基本原理 第一步 在采样时刻 采样系统的输出值 然后根据所选择的系统的输入变量来 进行计算 得到输入变量的具体值 一般系统通常选择误差及误差的变化情况作为输 入变量 第二步 将输入变量的精确值变为模糊量 当然 在这之前需要先确定模糊变量 的基本论域 模糊子集论域 模糊词集及隶属函数 系统中输入变量的实际变化范围 称为变量的基本论域 对于模糊控制输入所要求的变化范围称为它们的模糊子集论域 模糊子集论域的确定和下一步的模糊推理中需要的模糊值有关 模糊值可用模糊词集 来表示 人们对数值的模糊表示一般可用大 中 小加以区别 再加上正负模糊词集 就可表示为 负 大 负中 负小 零 正小 正中 正大 一般系统的输入变量的 模糊子集论域所含的元素个数应为词集总数的两倍以上 这样才能确保模糊词集能较 好地覆盖 模糊子集论域 避免出现失控现象 针对上面选用的模糊词集 模糊子集 论域可选择为 6 5 4 3 2 一 1 0 1 2 3 4 5 6 对于一个模糊控制系统 它的控制器输入变量的实际范围一般不会正好和模糊子 集论域一致 这时就需要进行转化 假如基本论域为 ba 模糊子集论域为 nm 则将一个精确输入量 x 转化到模糊子集论域中的变量 Y 是通过以下公式来实现的 ababxmny 2 3 11 第三步 根据上一步得到的输入变量 模糊量 及模糊控制规则 按模糊推理合成 规则计算控制量 模糊量 模糊控制规则是根据操作者的经验或专家的知识 用 if then 描述的一组条件语句 第四步 控制量的模糊量转化为精确量 上一步虽然通过模糊推理得到了控制量 但它是模糊形式的 而真正的执行机构不能接受模糊量 只能接受精确量 所以必须 把控制量由模糊形式转化为精确形式 这一步也叫做解模糊化 3 4 模糊控制器的设计过程 3 4 1 模糊控制器的结构设计 模糊控制器的结构设计是指确定模糊控制器的输入变量和输出变量 模糊控制器 输入变量的个数称为模糊控制器的维数 目前广泛采用的均为二维模糊控制器 在此 我们也选择这一结构形式 我们设计的是液位模糊控制器 就选择液位的误差和误差 的变化作为模糊控制器的输入变量 分别记作 E Ec 模糊控制器的输出应该是用来 控制液位的 液位实际上就是受流入量和流出量的影响 而流出量是根据后续工艺不 停的变化 是不可控的 所以模糊控制器的输出就只有一个 作为控制流入量执行机 构的控制量 记作 U 对于模糊控制器的输出 可以有两种形式 一种是绝对的控制量 输出 另一种是增量方式输出 在本次设计的模糊控制器中 我们选择了绝对值输出 方式 3 4 2 模糊 PID 控制器输入及输出模糊化 偏差e和偏差变化率ec作为该控制器输入量 偏差 setsample HHe 其中 nsample H为nTt 时刻采样获得的液位值 set H为用户设定的液位值 在该模糊 PID 控制器中 偏差e的变化范围为 100 100 偏差变化率ec的变化范围为 4 0 0 4 0 将偏差e和偏差变化率ec模糊化为E和EC E 和 EC 的模糊论域均为 3 2 1 0 1 2 3 P K I K D K 的模糊论域取为 4 3 2 1 0 1 2 3 4 普通的增量型 PID P K I K D K 的模糊子集均为 PBPSZONSNB 其中NB NM NS ZO PS PM PB分别表示负大 负中 负小 零 正小 正中 正大 隶属度函数形状均采用三角形 3 4 3 模糊控制规则的建立 通过分析 当偏差比较大的时候 希望系统调节参数中对控制上升时间占优的参 数处于主导地位 当偏差比较小的时候 调节超调量的控制参数占有优势 但是在一般的 PID 当中 PID 参数数值上不能在线地及时调整及修正 而模糊控 制可根据已经掌握的 PID 控制规律 6 按照一定的规则调整控制参数提高控制性能 3 4 4 计算模糊控制表 根据模糊控制规则表 应用模糊推理合成规则 计算出模糊控制表 其中模糊推 理合成规则采用最大 最小合成法 清晰化计算采用加权平均法 根据偏差 E 和偏差 变化率 EC 在控制表中实时地查出 P K I K D K 分别乘以比例因子 3 K 4 K 5 K 得到 P K I K D K 利用公式 3 8 3 9 3 10 即可计算出实时的 PID 控制参数 第 4 章 水箱液位线性控制系统的仿真 6 闻新等 MATLAB 模糊逻辑工具箱的分析与应用 北京 科学出版社 2001 85 87 4 1 模糊 PID 的仿真模块图 鉴于前面水箱液位系统分析 为了验证模糊控制器在水箱液位控制系统中的使用 效果 同时为了在仿真过程中及时调整模糊控制器的控制规则和各项参数 我们利用 MATLAB 软件进行了仿真研究 在仿真过程中对于执行器和被控对象 近似等效为带 滞后的二阶惯性环节 基于MATLAB SIMLINK图形化建立的模糊PID控制系统 整个模块由模糊控制器模 块 PID模块 控制对象及输入输出等部分组成 针对水箱水位控制系统分别采用传 统PID控制方式和自适应模糊PID控制方式 控制系统结构如图4 1和图4 2 利用 MATLAB进行仿真 比较两者的仿真结果 1 图4 1为水箱水位的常规PID控制系统 2 图4 2为水箱水位的自适应模糊PID控制系统 图4 1 水箱水位的常规PID控制系统 图4 2 水箱水位自适应模糊PID控制系统 4 2 模糊 PID 的仿真结果图 在进行MATLAB仿真时 首先在模糊逻辑工具箱的图形用户界面 GUI 下建立上 述的模糊控制器 然后在SIMULINK环境下 选择所需的模块 建立系统仿真模型进行 仿真 根据控制系统结构 利用MATLAB进行仿真 比较两者的仿真结果 对两种控制系 统分别在水位给定值跟踪响应情况下进行仿真 仿真结果如图4 3和图4 4 图4 3 水位给定值跟踪响应时常规PID仿真结果 图4 4 水位给定值响应时模糊PID仿真结果比较图 从图 4 3 跟图 4 4 中可以明显看到 模糊 PID 的响应速度较快 调节时间更短 超调量也很小 和常规 PID 控制算法相比有着明显的优越性 这表明模糊 PID 控制算 法有着比常规 PID 控制算法有更好的控制性能 也证明了模糊 PID 控制算法的有效性 结 论 毕业设计是本科学习阶段一次非常难得的理论与实际相结合的机会 通过这次比 较完整的水箱液位线性系统设计 我摆脱了单纯的理论知识学习状态 和实际设计的 结合锻炼了我的综合运用所学的专业基础知识 解决实际问题的能力 同时也提高我 查阅文献资料 设计手册 设计规范等其他专业能力水平 而且通过对整体的掌控 对局部的取舍 以及对细节的斟酌处理 都使我的能力得到了锻炼 经验得到了丰富 并且意志品质力 抗压能力及耐力也都得到了不同程度的提升 这是我们都希望看到 的也正是我们进行毕业设计的目的所在 在此期间 我一步步的对自动控制有了本质上的了解 以前上课没听到的或没弄 懂的 都在老师和同学的帮助下 得到了解决 本次对水箱液位线性系统的设计与研 究基本上达到了要求 本文在水箱液位线性控制系统硬件结构分析和设置的基础上 对系统的非线性进行了算法补偿的研究 结合三容水箱液位系统的特点进行了几种算 法的研究 主要取得了以下几点成果 1 介绍了水箱液位系统的总体硬件结构 以及各单元的用途 2 利用三容水箱液位控制系统 对液位过程的常规PID控制算法进行讨论 在此 基础上研究了模糊PID控制算法 仿真和实际控制曲线证实了算法的有效性 通过本次的设计 我从中受益匪浅 参 考 文 献 1 李敏远 都延丽 姜海鹏 智能自整定 PID 在液位控制系统中的应用 J 控制 理 论与应用 2003 20 5 805 808 2 翁维勤 孙洪程 过程控制系统及工程 M 第二版 北京 化学工业出版社 2003 135 148 3 叶健美 一种改进的液位控制系统 J 中国科技信息 2005 12 130 4 刘金琨 先进 PID 控制及其 MATLAB 仿真 M 北京 电子工业出版社 2003 67 81 5 张化光 何希勤 模糊白适应控制理论及其应用 M 北京 北京航空航大学出版 社 2002 158 161 6 闻新等 MATLAB 模糊逻辑工具箱的分析与应用 M 北京 科学出版社 2001 85 87 7 钱艳平 李奇 魏海坤等 基于模糊与 PID 混合算法的制浆蒸煮过程控制 J 信 息与控制 2003 32 2 172 175 8 王树青等编著 工业过程控制工程 M 北京 化学工业出版社 2007 25 32 9 孙增圻 张再兴 邓志东 智能控制理论与技术 M 北京 清华大学出版社 1997 322 337 10 刘福才 贾超 毕朝卉 一类大时滞系统模糊控制的设计探讨 J 微计算机信 息 2002