基于fuzzypid控制器的双容水箱液位控制系统仿真设计说明书

1、基于 fuzzy-pid 控制器的 双容水箱液位控制系统仿 真设计说明书 第一章 前言1.1 设计背景 双容水箱为工业过程控制中常见的液位控制对象，它通过调节调节阀的开 度，使上下水箱的输入、输出水流量相等，以便液位保持不变。在水箱系统中， 上、下位水箱的水量变化存在延时，而外界的干扰又会导致增益、延时的变化。 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

2、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1.2 设计意义PID 控制是生产过程中最普遍使用的控制方法，在冶金、机械、化工等行业 获得广泛应用。 随着工业生产和现代化科学技术的迅速发展， 各个领域对自动控 制系统控制性能的要求越来越高。 实际的工业生产过程中往往具有非线性、 时变 性等不确定的干扰， 常规 PID 控制器经常出现参数整定不良、 控制性能欠佳且适 应性较差等缺点。模糊控制可以把人类语言表述的控制策略， 通过模糊集合和模糊逻辑推理转 化成数字或数字函数， 再用计算机去实现既定的控制。 常规的模糊控制缺少积分 环节，加之模糊

3、控制器特有的量化过程， 模糊控制是存在静态误差的， 而通过给 模糊控制器并联积分器成功地消除了静态误差。智能控制与常规 PID控制相结合， 形成了智能 PID控制，这种新型控制器已 引起人们的普遍关注和极大兴趣， 并已得到较为广泛的应用。 模糊 PID 控制可以根据系统的运行状态在线整定 PID 控制器参数，使系统的运行性能有很大的提 升。本设计建立了串联双容水箱液位控制系统的数学模型，应用 Matlab 软件对 PID 算法、模糊 PID 算法进行了仿真。第二章 被控对象的分析与建模该系统控制的是有纯延迟环节的二阶双容水箱，示意图如下图 2.1 ：h其中 A1A2 分别为水箱的底面积，q1q

4、2q3为水流量， R1R2为阀门 1、2 的阻力，称为液阻或流阻，经线性化处理，有：R2h 则根据物料平衡对水箱 1 有：q1q2A1 ddth11 dtq2R2拉式变换得：Q1(S)Q2(S) A1S H1(S)Q2(S)HR12(S)对水箱 2：q2d h2 q3 A2 dt2h2q3R3拉式变换得：Q2(S)Q3(S) A2S H 2(S)Q3(S)H2(S)R2则对象的传递函数为：W0(S) H 2(S)0Q1(S)R3K(A1R2S1)(A2R3S 1) (T1S1)(T2 S 1)其中T1 A1R2为水箱 1的时间常数， T2 A2 R3水箱 2的时间常数， K为双容 对象的放大系

5、数。若系统还具有纯延迟，则传递函数的表达式为：W0(S) H 2(S)K e 0S0Q1(S) (T1S 1)(T2 S 1)其中 0 为延迟时间常数。第三章 设计理论及仿真过程3.1 设计理论及分析方法3.1.1 PID 控制器PID 控制是最早发展起来的控制策略之一， 因为它所涉及的设计算法和控制 结构都很简单， 且十分适用于工程应用背景， 此外 PID 控制方案并不要求精确的 受控对象的数学模型， 且采用 PID控制效果一般是比较令人满意的， 所以 PID控 制器是一 种应用比较广泛的控制器。工业生产过程中，对于生产装置的温度、压力、流量、液位等工艺变量常常 要求维持在一定的数值上，或按

6、一定的规律变化，以满足生产工艺的要求。 PID 控制器是根据 PID 控制原理对整个控制系统进行偏差调节， 从而使被控变量的实 际值与工艺要求的预定值一致。模拟 PID 控制器的原理图 3.1 如图所示：图 3.1 模拟 PID 控制器原理图r(t) 为系统给定值， c(t) 为实际输出， u(t) 为控制量。PID控制器是一种线性控制器，经过离散化处理的数字 PID 公式为：ku(k) kpe(k) ki e( j) kde(k) e(k 1)j0式中：kp 为比例系数； ki 为积分系数； kd 为微分系数。比例调节作用：按比例反应系统的偏差，系统一旦出现了偏差， 比例调节立 即产生调节作

7、用用以减少偏差。比例作用大，可以加快调节，减少误差，但是过 大的比例，使系统的稳定性下降，甚至造成系统的不稳定。积分调节作用：使系统消除稳态误差，提高无差度。因为有误差，积分调节 就进行，直至无差，积分调节停止，积分调节输出一常值。积分作用的强弱取决 与积分时间常数 Ti ，Ti 越小，积分作用就越强。反之 Ti 大则积分作用弱，加入 积分调节可使系统稳定性下降， 动态响应变慢。 积分作用常与另两种调节规律结 合，组成 PI 调节器或 PID 调节器。微分调节作用：反映系统偏差信号的变化率，具有预见性， 能预见偏差变化 的趋势， 因此能产生超前的控制作用， 在偏差还没有形成之前， 已被微分调节

8、作 用消除。因此，可以改善系统的动态性能。在微分时间选择合适情况下，可以减 少超调， 减少调节时间。 微分作用对噪声干扰有放大作用， 因此过强的加微分调 节，对系统抗干扰不利。此外，微分反应的是变化率，而当输入没有变化时，微 分作用输出为零。微分作用不能单独使用， 需要与另外两种调节规律相结合， 组 成 PD或 PID 控制器。3.1.2 模糊 PID 控制器PID控制器的参数整定是一件非常令人头痛的事。合理的 PID 参数通常由 经验丰富的技术人员在线整定。在控制对象有很大的时变性和非线性的情况下， 一组整定好的 PID 参数远远不能满足系统的要求。 为此，引入了一套模糊 PID控 制算法。

9、所谓模糊 PID 控制器，即利用模糊逻辑算法并根据一定的模糊规则对 PID控 制的比例、积分、微分系数进行实时优化，以达到较为理想的控制效果，模糊 PID 控制共包括参数模糊化、模糊规则推理、参数解模糊、 PID 控制器等几个重 要组成部分。 计算机根据所设定的输入和反馈信号， 计算实际位置和理论位置的 偏差以及当前的偏差变化， 并根据模糊规则进行模糊推理， 最后对模糊参数进行 解模糊，输出 PID 控制器的比例、积分、微分系数。本设计通过 PID控制器实现对系统的控制， 模糊推理系统以误差 e 作为输入， 采用模糊推理方法对 PID 参数 kp、ki 、kd 进行在线整定，以满足不同误差 e

10、 对 控制器参数的要求。图 3.2 为模糊 PID 控制的系统结构图。模糊 PID算法参数整定的原则是当偏差 e 的绝对值较大，系统处于响应阶段， 为加快响应速度并防止开始时偏差 e 瞬间变大，需取较大的 kp，为了防止积分 饱和，应取较小的 ki ，同时为了防止微分饱和，避免系统响应出现较大的超调，应减小微分的作用。3.2 双容水箱液位控制系统的仿真过程为了验证 PID 模糊控制器的控制效果，用 Matlab/Simulink 软件进行仿真， 通过对双容水箱液位控制的分析， 在了解其控制过程性能特点的基础上， 选用其 功能强大的 MATLAB进行仿真。 MATLAB是现今流行的一种高性能数值

11、计算与图形 显示的科学和工程计算软件，基本单位为矩阵， 并且矩阵的行和列无需定义， 可 随时添加和修改，有极强的可扩展性，主要包括主程序， SLMULINK和工具箱。MATLAB/SIMULINK是一个用来对动态系统进行建模、仿真和分析的软件包， 它具有模块化、可重载、可封装、面向结构图编程及可视化等特点，可大大提高 系统仿真的效率和可靠性。 MATLAB的优化工具箱中提供了一系列用于解决无约 束和有约束问题的优化函数， 可以方便地用来对普通非线性函数求解极大或极小 值。利用 SIMULINK和优化工具箱，用仿真与优化有机结合以实现 PID 控制器参 数的优化。在换热器动态特性分析基础上， 设

12、计简便演示程序， 这样可以方便的 观察双容水箱液位的仿真曲线 ; 采用 fuzzy-pid 控制器的双容水箱液位控制系 统仿真框图如图 4.1 所示：图 4.1 系统仿真框图仿真曲线如下图 4.2 所示：图 4.2 仿真曲线图运行仿真程序， 得到如图 4.2 所示的仿真结果。 图中黄线表示 PID 控制器仿 真曲线图，红线标示 fuzzy-pid 控制器的仿真曲线图。从图中可以知道，在阶跃 响应下，与传统 PID仿真图， fuzzy-pid 控制器的仿真曲线图的上升时间和调节 时间大大缩小，超调量明显减小，大大提高了系统的动态性能。本设计以双容水箱的液位控制系统为被控对象， 采用将常规 PID

13、 控制与模糊 PID 控制相结合的控制策略， 仿真结果表明模糊 PID 对液位的控制不仅具有良好 的动静态品质，而且具有较强参数时变的适应能力。第四章 设计总结本次设计是对 fuzzy-pid 控制器的双容水箱液位控制系统系统的仿真， 通过 对相应控制系统的设计、 分析及仿真，来不断地对控制系统参数进行整定和修改， 最终使系统达到稳定状态。经过这一周的 Matlab 课程设计，让我认识到了 Matlab 在各个领域的重要性， 同时也对 Matlab 这门学科有了更深入地了解。这次课程设计使自己学到了很多 知识，更进一步地加深了自己对 Matlab/Simulink 软件的认识与了解。 除此之外

14、， 还学到了很多在书本上所没有学到的知识， 并且提高了自己查阅资料、 分析问题、 解决问题的能力，也使自己对控制系统仿真的整体性有了一定的了解。我觉得想要学好 MATLAB是不容易的，这是一件需要持之以恒的事，必须要 坚持不懈的学习，还需要敢于开口向别人请教， 更需要我们勤于思考， 勤于记忆， 勤于动手。程序设计是实践性和操作性很强的事情，需要我们亲自动手。因此， 我们应该经常自己动手实际操作设计程序，熟悉 MATLAB的操作，这对提高我们 的操作能力非常有效。我的课程设计能够顺利完成， 首先要感学校和老师能给予我们这次课程设计 的机会。其次要感我的指导老师梁老师， 在设计的过程当中梁老师给予

15、了我热情 的帮助和悉心的指导，在此我要向她说声。通过这次理论与实际结合的学习， 加 深了我对专业知识的学习， 更重要的是锻炼了我的能力， 这次设计在不断的复习、 学习中度过，使我受益匪浅，也使我对Matlab 的运用有了进一步的了解和掌握， 也为今后的学习生活和工作打下良好的基础。参考文献1 国勇，控制系统数字仿真与 CADM，：电子工业， 2003，92 王丹力， MATLAB控制系统设计仿真应用 M ，：中国电力， 2007，93 薛定宇，控制系统仿真与计算机辅助设计 M ，：机械工业， 2005，14 金以慧，过程控制 M ，：清华大学， 2003，65 金琨. 先进 PID控制及其 MATLAB仿真M . ：电子工业， 2003，6 薛