三容水箱专家控制系统仿真

密级 科科 学学技技术术学学院院 NANCHANG UNIVERSITY COLLEGE OF SCIENCE AND TECHNOLOGY 学学 士士 学学 位位 论论 文文 THESIS OF BACHELOR 2008 2012 年 题 目 三容水箱专家液位控制系统仿真研究 学 科 部 信息学科部 专 业 自动化 班 级 08 自动化 1 班 学 号 7021308028 学生姓名 陈 超 指导教师 张肃宇 起讫日期 2011 年 12 月 2012 年 6 月 目录目录 NANCHANG UNIVERSITY COLLEGE OF 1 SCIENCE AND TECHNOLOGY 1 THESIS OF BACHELOR 1 第一章 绪论 4 1 1 引言 4 1 1 1 对专家控制器的要求 4 1 1 2 专家控制器的特点与原则 4 1 2 本文主要研究内容 5 第二章 三容水箱仿真模型设计 6 2 1 三容水箱模型的建立 6 2 1 1 建模原理 6 2 1 2 模型数学推导 7 2 2 三容水箱模型的 MATLAB 仿真 8 2 2 1 出水阀正弦量输出 8 2 2 2 三容水箱的灌满与排空 9 第三章 三容水箱专家液位控制器设计 12 3 1 直接型专家控制器设计 12 3 2 间接型专家控制器设计 13 第四章 三容水箱专家液位控制系统 MATLAB 仿真 15 4 1 三容水箱专家直接控制器仿真 15 4 2 三容水箱专家 PID 控制器仿真 17 第五章 结论 20 参考文献参考文献 21 致谢致谢 22 三容水箱专家液位控制系统仿真研究三容水箱专家液位控制系统仿真研究 专业 自动化 学号 7021308028 学生姓名 陈超 指导老师 张肃宇 摘要 摘要 三容水箱模型模拟了工业生产过程中对流量 液位参数的控制和测量 具有过程 控制中动态过程的一般特点 非线性 大惯性 大延时 难以对其进行精确控制 本文通 过设计专家控制器已达到控制液位的目的 利用 MTLAB 软件对三容水箱专家液位控制系 统进行仿真研究 本文首先介绍了智能专家控制的一般性知识 然后对三容水箱模型进行 了分析建模 并用 MTLAB 软件作了简单仿真 文章重点叙述了专家控制器的分析设计过 程 其中包括直接型专家控制器设计和间接型专家控制器设计 最后利用 MTLAB 软件对 三容水箱专家液位控制系统进行仿真 并得到相对准确的控制结果实现了控制目标 关键词关键词 三容水箱 液位控制 智能专家系统 PID 控制 Three tank water level control system simulation of expert Abstract Three tank water model to simulate the process of industrial production to flow liquid level control parameters and measurement process control in dynamic process has the general characteristics nonlinear big inertia time delay it is difficult to precisely control In this paper through the design of expert controller has reached the level control purpose the use of software MTLAB three tank water level control system simulation research of experts This paper introduces the intelligent expert control general knowledge and then to the three tank model was analyzed with MTLAB software modeling and has made the simple simulation This paper describes the analysis of expert controller design process including the direct expert controller design and indirect expert controller design Finally using the MTLAB software to the three tank water level control system simulation expert and get relatively accurate control the results achieved in the control target Key words three tank water level control of intelligent expert system of PID control 第一章 绪论 1 1 引言 专家系统是人工智能应用研究最活跃和最广泛的领域之一 自从 1965 年第一个专家系 统 DENDRAL 在美国斯坦福大学问世以来 经过 20 年的研究开发 到 20 世纪 80 年代中 期 各种专家系统已遍布各个专业领域 取得很大的成功 现在 专家系统得到更为广泛 的应用 并在应用开发中得到进一步发展 专家系统是一个智能计算机程序系统 其内部含有大量的某个领域专家水平的知识与 经验 能够利用人类专家的知识和解决问题的方法来处理该领域问题 也就是说 专家系 统是一个具有大量的专门知识与经验的程序系统 它应用人工智能技术和计算机技术 根 据某领域一个或多个专家提供的知识和经验 进行推理和判断 模拟人类专家的决策过程 以便解决那些需要人类专家处理的复杂问题 简言之 专家系统是一种模拟人类专家解决 领域问题的计算机程序系统 专家式控制系统 或叫做专家控制系统 expert control system ECS 它已广泛应用于 故障诊断 工业设计和过程控制 为解决工业控制难题提供一种新的方法 是实现工业过 程控制的重要技术 1 1 1 对专家控制器的要求 1 运行可靠性高 对于某些特别的装置或系统 如果不采用专家控制器来 取代常规控制器 那么 整个控制系统将变得非常复杂 尤其是其硬件结构 其结果使 系统的可靠性大为下降 因此 对专家控制器提出较高的运行可靠性要求 它通常具有 方便的监控能力 2 决策能力强 决策是基于知识的控制系统的关键能力之一 大多数专家 控制系统要求具有不同水平的决策能力 专家控制系统能够处理不确定性 不完全性和 不精确性之类的问题 这些问题难以用常规控制方法解决 3 应用通用性好 应用的通用性包括易于开发 示例多样性 便于混合知 识表示 全局数据库的活动维数 基本硬件的机动性 多种推理机制以及开放式的可扩 充结构等 4 控制与处理的灵活性 这个原则包括控制策略的灵活性 数据管理的灵 活性 经验表示的灵活性 解释说明的灵活性 模式匹配的灵活性以及过程连接的灵活 性等 5 拟人能力 专家控制系统的控制水平必须达到人类专家的水准 1 1 2 专家控制器的特点与原则 1 模型描述的多样性 所谓模型描述的多样性原则是指在设计过程中 对 被控对象和控制器的模型应采用多样化的描述形式 不应拘泥于单纯的解析模型 如 离散事件模型 模糊模型 规则模型 基于模型的模型等 总之 在专家式控制器的设计过程中 应根据不同情况选择一种或几种恰当的 描述方式 以求更好地反映过程特性 增强系统的信息处理能力 2 在线处理的灵巧性 智能控制系统的重要特征之一就是能够以有用的方式 来划分和构造信息 在设计专家式控制器时应十分注意对过程在线信息的处理与利用 在信息存储方面 应对那些对作出控制决策有意义的特征信息进行记忆 对于过时的信 息则应加以遗忘 在信息处理方面 应把数值计算与符号运算结合起来 在信息利用方 面 应对各种反映过程特性的特征信息加以抽取和利用 不要仅限于误差和误差的一阶 导数 灵活地处理与利用在线信息将提高系统的信息处理能力和决策水平 3 控制决策的灵巧性 控制策略的灵活性是设计专家式控制器所应遵循的 一条重要原则 工业对象本身的时变性与不确定性以及现场干扰的随机性 要求控制器 采用不同形式的开环与闭环控制策略 并能通过在线获取的信息灵活地修改控制策略或 控制参数 以保证获得优良的控制品质 此外 专家式控制器中还应设计异常情况处理 的适应性策略 以增强系统的应变能力 4 决策机构的递阶性 人的神经系统是由大脑 小脑 脑干 脊髓组成的 一个分层递阶决策系统 以仿智为核心的智能控制 其控制器的设计必然要体现分层递 阶的原则 即根据智能水平的不同层次构成分级递阶的决策机构 5 推理与决策的实时性 对于设计用于工业过程的专家式控制器 这一原 则必不可少 这就要求知识库的规模不宜过大 推理机构应尽可能简单 以满足工业过 程的实时性要求 由于专家式控制器在模型的描述上采用多种形式 就必然导致其实现方法的多 样性 虽然构造专家式控制器的具体方法各不相同 但归结起来 其实现方法可分为两 类 一类是保留控制专家系统的结构特征 但其知识库的规模小 推理机构简单 另一 类是以某种控制算法 例如 PID 算法 为基础 引入专家系统技术 以提高原控制器的 决策水平 专家式控制器虽然功能不如专家系统完善 但结构较简单 研制周期短 实 时性好 具有广阔的应用前景 目前在国内化工应用的专家控制系统基本停留于理论研究阶段 实验性的比较 多 长期使用比较少 虽然国外大型化工企业应用已有所突破 但未产业化 1 2 本文主要研究内容 完成三容水箱专家液位控制系统仿真研究 设计的要求 1 设计三容水箱仿真模型 2 完成三容水箱专家液位控制系统软件设计 3 完成仿真研究 第二章 三容水箱仿真模型设计 2 1 三容水箱模型的建立 2 1 1 建模原理 过程控制系统是根据被控制对象的特性和控制要求 由选配合适的过程检测与控制仪 表所组成 在过程控制系统的设计中 主要的依据是被控制对象的特性 所以必须了解被 控制对象的静态和动态特性及控制要求才能实施控制方案的定制 仪表的选型及系统参数 的整定 当某种形式的扰动作用于被控制对象 就会引起对象的输出发生相应的变化 这 种变化在时域或频域上用微分方程或传递函数进行描述 称为被控对象的数学模型 用它 来反映对象的特性 特别是动态特性 三容水箱的实验逻辑结构如下图 水流入量 Qi 由调节阀控制 上 中 下三个水箱的 流出量 Q1 Q2 Q3 则由负载阀来改变 被控制量为下水箱水位 h3 本文根据三容水箱的自平衡特性研究数学模型 所谓自平衡能力就是指 当对象受到干 扰作用 平衡状态被破坏后 不需要外加任何控制作用 能依靠对象自身达到新的平衡状 态的能力 这是一种自然形成的负反馈 过程控制对象有无自平衡能力 决定于对象本身 的结构 并与生产过程的特性有关 本系统可以看成是由三个单容水箱串连构成 例如以 上水箱为例 水流量为 Qi 由调节阀控制 流出量 Q1 则由负载阀来改变 水位 hl 的变化 反映了流入量 Qi 和流出量 Ql 不等而引起水箱中蓄水或泄水的过程 当水的流入量与流出 量相等的时候 水位保持不变 当控制阀突然开大 水的流入量阶跃增多 水位开始上升 随着水位的升高 水箱内水的静压力增大 则水的流出量也随之增多 最终会使得流入量 和流出量相等 水位就再次平衡稳定下来 2 1 2 模型数学推导 通过物料平衡可得公式 2 1 2 2 2 3 其中 Qi 是入水量 被控量为下水箱水位 h3 F1 F2 F3 分别为上 中 下三个水箱截面积 这里 为上 中 下三个水箱的液位 为上中下三个水箱的液位 1 1 1 1 QQ Fdt dh i 1 21 2 2 QQ Fdt dh 1 32 3 3 QQ Fdt dh i i i R h Q 321 ihi 对上面的公式经过一系列的微分和积分计算 整理后得到一个复杂的三阶微分方程 按照流体力学原理 水箱流出量 Q0与出口静压有关 同时还与调节阀门的阻力 R 有 关 假设三者之间的变化关系为 流体在一般流动条件下 液位 h 和流量 之间的关系是非线性的 为了简化问题 通常将其线性化 线性化方法如下图所示 通常在特性曲线工作点 a 附近不大的范围内 用切于 a 点的一段切线代替原曲线上的一段 曲线 进行线性化处理 经过线性化后 水阻 R 是常数 由式 2 4 可知 只要确定了三个 水箱的水阻 这个三阶微分方程的参数就定下来了 进而可以确定三容水箱系统的传递函 数 2 2 三容水箱模型的 MATLAB 仿真 2 2 1 出水阀正弦量输出 clear all close all q4 0 for i 1 1 25 q4 180 abs sin 0 2 i pi 0 5 tt i i qq i q4 end 3 32121 3 32121 332211 3 32121 323231312121 33 2121 1 1 h RRRFF h RRRFF RFRFRF h RRRFF RRFFRRFFRRFF hFQ RRFF i R h Q 0 plot tt qq 2 2 2 三容水箱的灌满与排空 clear all close all q1 0 q2 0 q3 0 q4 0 s 105 三个水箱横截面积三个水箱横截面积 h1 70 h2 60 h3 20 被控量被控量 H 100 理想水位理想水位 k 40 控制量控制量 变化范围变化范围0 100 b 2 1 a1 14 8 a2 13 9 for i 1 1 20000 水箱模型算法水箱模型算法 q1 b k q2 a1 sqrt h1 h1 h1 q1 q2 s q3 a2 sqrt h2 h2 h2 q2 q3 s q4 180 abs sin 0 2 i pi 0 5 h3 h3 q3 q4 s tt i i hh i h3 end plot tt hh 1 当进水阀开到最大时 即令 K 100 各变量数值表 由表可知 当进水阀门开到最大时 三水箱水位 h1 h2 h3 均小于 200 说明三水箱皆能 灌满且无溢出 2 当进水阀门开到最小时 即令 K 1 各变量数值表 由表可知 当进水阀门开到最小时 三水箱水位 h1 h2 h3 均小于 1 说明三水箱都能排 空 第三章 三容水箱专家液位控制器设计 3 1 直接型专家控制器设计 直接型专家控制器可以直接控制被控对象或生产过程 用于取代常规控制器 具有延长 扩展或模拟操作工人智能的功能 直接型专家控制器的功能和任务比较简单 但却要实时 在线控制 直接型专家控制器的结构如图示 典型的三阶系统单位阶跃响应曲线如图所示 设 H 为理想水位 h3 为第三水箱的水位 令 e H h3 表示当前采样时刻的水位误差值 e 1 表示前一个采样时刻的水位误差值 ec e e 1 表示误差变化 根据误差及其变化 对图示系统的单位阶跃响应曲线进行如下定性分析 1 当 e M1 0 时 即 1 区 说明水箱水位 h3 低于理想水位 H 且误差很大 控制器应当 输出一个大的定值控制量以迅速调整误差 使误差在尽量短的时间内减少 同时要避免出 现超调 此时 系统相当于实施开环控制 2 当 e M1 0 时 即 4 区 说明水箱水位 h3 高于理想水位 H 且出现很大超调 控制 器也应当输出一个较大的定值控制量以迅速调整误差 使误差在尽量短的时间内减少 同 时要避免水箱水位再次低于理想水位 H 3 当 0 e0 时 即 2 区 说明水箱水位 h3 低于理想水位 H 且十分接近 H 控制器输出应当保持不变或者输出一个正的较小控制量 使误差稳步地减小 同时要避免 出现超调 4 当 M1 e0 时 即 3 区 说明水箱水位 h3 高于理想水位 H 且十分接近 H 控制器输出应当保持不变或者输出一个负的较小控制量 使误差稳步地减小 同时要避 免出现超调 5 当 M1 e 0 且 ec 0 时 即 5 区 说明水箱水位 h3 高于理想水位 H 且十分接近 H 控制器输出应当保持不变或者输出一个负的较小控制量 使误差稳步地减小 同时要避 免出现超调 6 当 0 e M1 且 ec0 5 1区区 k 56 5 elseif e0 elseif e 0 2 elseif e 0 2 0 7 elseif abs x 1 0 60 u k 0 5 0 5 elseif abs x 1 0 40 u k 0 2 0 2 end if x 1 x 2 0 x 2 0 规则二规则二 if abs x 1 0 1 u k u 1 k1 kp x 1 else u k u 1 k2 kp x 1 end end if x 1 x 2 0 x 1 0 规则三规则三 u k kp x 1 kd x 2 ki x 3 end if x 1 x 2 0 else u k u 1 k2 kp x 1 end end if abs x 1 60 u k 60 elseif u k 1 u k 1 end 完成迭代完成迭代 error H h3 u 2 u 1 u 1 u k h3 2 h3 1 h3 1 h3 x 1 error Calculating P x2 1 x 2 x 2 error error 1 ts Calculating D x 3 x 1 error ts Calculating I error 1 error 水箱模型算法水箱模型算法