基于模糊PID控制系统设计及仿真研究

1、青 岛 科 技 大 学本 科 毕 业 设 计（论文）题 目 基于模糊PID控制器的恒压供水控制系统设计及仿真研究 学 院 名 称 自动化与电子工程学院 专业班级 自动化103班 学生姓名 陈 嘉 学 号 1007010323 指 导 教 师 王丽丽 填表时间：2014年5月引 言 根据自适应PID控制系统的结构和原理，研究MATLAB仿真工具箱及仿真方法，并给出仿真实例和分析结果。将自适应技术和PID控制技术相结合，借以辅助软件MATLAB有力地验证了这一技术的优势。随着经济社会的高速发展，能源的需求越来越大，人们对供水系统可靠性的要求也不断提高，采用先进的自动化控制技术来设计高节能、高可靠性

2、的恒压供水系统成为必然趋势。由于供水系统具有严重的非线性和时变性，无法用线性化方法近似，传统PID控制器的参数很难调整、适应性差。针对此问题，本文研究了供水的恒压控制，分析了恒压供水出水压力变化的特点及控制难点。在参阅大量的中外文献并结合实际控制要求的基础上，对基于模糊控制的恒压供水控制系统进行了理论研究和工程设计，提出了模糊控制的方法，对模糊控制进行了实验研究，取得了理想的控制效果治果。恒压供水系统的工作，水泵由初始状态向管网供水，一般分为压力上升过程和恒压过程。控制系统是以管网水压为设定参数，根据用水量的多少由单片机控制投入运行的水泵数量及电机的转速，实现管网水压的闭环调节，即恒压供水。本

3、文主要工作包括：1.研究了恒压供水系统的系统构成及工作原理，并对各环节总结近似的数学模型。 2.根据系统的工作原理和数学模型，设计模糊控制器，并利用MATLAB的simulink仿真，验证系统的设计。3.根据仿真结论，设计控制系统，给出了系统框图、控制原理图。研究了控制系统的总体硬件结构，确立了各部分硬件模块的功能，给出了一些典型电路设计和电动机的控制及电路原理图。4.详细研究了PID控制算法以及程序总体设计思路，设计了主程序模块、PID模块、检测模块、水泵控制等模块。关键词：模糊PID；恒压供水；变频调速ABSTRACT This article first to adaptive PID

4、control system structure and principle to give explanation，and thenbriefly introduces the simulation of MATLAB toolbox and simulation method of use，and finally gives the simulationexamples and the results of analysisThis paper emphasizes on the adaptive technology and PID control technology，the comb

5、ination of the last to suppo software MATLAB powerful to prove the technical advantage With the rapid developrnent of economy and society，energy resources areseriously lacking. At the same time, the demands for quality and reliability of water supply system are increased continually. So it is inevit

6、able tendency to design one kind of water supply system which is high reliable and saves on energy well,with the help of advanced technique of automation and control. The model of the water supply system is intrinsic nonlinear and time variant，which makes it difficult to liberalize the plant. Thus t

7、he traditional PID controller cannot adapt to the changes.To tackle this problem, we have designed an adaptive controller.The paper references a lot of Chinese and foreign literature and combinespractical control requirements，and conduct theoretical study and project design on computer controlled co

8、nstant pressure water supply system. The system is based on setting parameters for the pipeline pressure，the size for usage are controlled by microcomputer in operation of the pump number and motor speed，to achieve closed-looP pipe network water pressure regulator，that is to achieve constant pressur

9、e water supply.The main work of the constant pressure water supply system，the systemstructure and working principle.Components in the system，given the system block diagram of control principle，and this system the main function of the hardware and software，a brief introduction.According to the workin

10、g principle，set of fuzzy controller，using MATLABs Simulink simulation and verification system works.Of the control systems overall hardware architecture，and established various parts of the hardware module function ,gives some typical circuit: studies of the model and the device options，on the use o

11、f various chip features and characteristies deseribed in detail: of the system hardware design circuit，given the system hardware design charts and motor control chart.Keywords: Fuzzy PID; Constant Pressure Water SuPPly; Frequency Control 目录引言. ABSTRACT. 第一章绪论. 11.1供水控制系统的发展现状.11.2恒压供水控制系统国内外研究现状.21.

12、3模糊控制在恒压供水控制系统中的应用.31.4模糊恒压供水控制系统的研究意义.41.5论文的主要研究内容.51.6本文的主要工作.51.7本章小结.6第二章系统的模糊控制及其算法.72.1模糊控制理论的产生及发展.72.2模糊控制的特点.72.3模糊控制器的结构.92.3.1模糊控制规则.102.3.2模糊化接口.112.3.3隶属度函数的确立.112.3.4去模糊化.142.4恒压供水控制系统模糊控制器设计.142.5量化因子及比例因子的选择.172.6本章小结.18第三章恒压供水控制系统理论分析与仿真.193.1恒压供水的原理.193.1.1恒压供水系统的特点.193.1.2供水系统的主要

13、参数【19】.203.2变频恒压供水系统的数学模型.213.3系统的SIMULINK软件仿真.223.4本章小结.26第四章系统的硬件电路设计.274.1系统的工作流程.274.2结构概述.274.3各部分硬件电路的结构设计及其功能概述.284.3.1主控单片机引脚功能说明.294.3.2反馈压力检测电路.314.3.3输入控制电路.324.3.4输出控制电路.334.3.5系统电压监控及watchdog电路.334.6本章总结.35第五章系统的软件设计.365.1集成开发环境ADS.365.2软件设计.375.2.1 LPC2138的初始化设计.385.2.2液晶显示程序设计.395.2.3

14、故障检测子程序.405.2.4按键设置程序设计.415.2.5串口通讯程序设计.425.2.6模糊控制程序算法.:.435.3本章总结.45参考文献.46致谢.47第一章 绪论常规PID控制由于其结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为工业控制的主要技术之一，广泛应用于工业过程控制的各个领域。然而常规PID控制对非线性、时变系统的控制效果不甚理想，本文将模糊技术与PID控制系统相结合，构建自适应模糊PID控制系统，运用模糊推理，实现对PID参数的实时调整，为了验证自适应技术对PID控制的改进，文章通过MATLAB的SIMULINK模块对其进行了仿真，和常规PID控制系统相比，控制效果明显提

15、高，而借助仿真工具，可以更方便的调整参数达到最佳控制效果。模糊控制是以模糊集合论、模糊语言变量和模糊逻辑推理为基础的一种计算机控制方法，用模糊集表示规则的条件和操作，并把这些模糊控制规则以及有关信息作为知识存人计算机知识库中，然后计算机根据控制系统的实际响应情况进行控制，它是智能控制的一个重要分支，在控制领域获得了广泛应用。自适应技术的目的在于影响系统的结构，模糊PID控制因为能够在线调整PID的三个控制参数，是一种直接自适应控制，常称为模糊自适应PID控制。也就是说，模糊控制技术与PID控制结合构成模糊PID控制，而可自动实现对PID参数的最佳调整，就是自适应模糊P1D控制。1.1供水控制系

16、统的发展现状供水系统是一个城市的重要组成部分，它关系到城市的生存和发展。由于供水系统受到许多因素影响，因此，它是一个多目标、非线性、复杂的系统。本论文就供水系统中的管网压力平衡问题，采用控制管网压力，利用模糊控制理论对管网进行恒压供水控制。随着科学技术的进步以及微机技术和大规模集成电路的迅速发展，交流电机的变频调速技术已经越来越完善，对交流异步电动机的调速也越来越先进，现在利用变频调速器来调速，其性能优于以往的调速方式。最近几年，利用单片机设计的变频调速恒压供水系统在我国逐渐盛行起来，它是变频调速技术和微机控制技术在供水系统中最典型的应用，具有节能、造价低、自动化程度高、安全、供水压力稳定等优

17、点，适用于高层建筑、住宅小区的自动供水，同时安装调试方便，可靠性高，抗干扰能力强，性能满足系统设计要求。现在的恒压供水系统所应用的电动机调速装置大多采用交流变频控制技术，系统的控制装置采用单片机控制器，目前国内不少公司采用变频器控制水泵的转速，做变频恒压供水工程。对于水管管网压力的闭环调节及多台水泵的循环控制方案，有的采用可编程控制器PLC，有的采用单片机。这两种控制方案从可靠性方面讲，PLC优于单片机:从经济性、优化、算法等方面看，单片机优于PLC。这两种方法，前者容易实现，软启动器一般为成品部件，但设备投资较大; 后者设备投资少，但频率波动大，易引起管网压力不稳定。这两种方法都可以实现水泵

18、的逻辑控制，并可完成系统的模糊逻辑PID控制，还可以对系统中的各种运行参数、控制点的进行实时的显示，并完成系统运行的故障报警及打印报表等功能。自动恒压供水系统具有标准的通讯接口，可与城市供水系统的上位机联网，实现城区供水系统的优化控制，为城市供水系统提供了现代化的调度、管理、监控。1.2恒压供水控制系统国内外研究现状发达国家的供水控制技术比较成熟，并且在实践中得到了推广应用。模糊控制、专家系统等控制技术，在供水控制系统中进行了基础性研究。国内的恒压供水控制装置大多采用PID控制或模糊控制，适应性不强，控制精度较低，参数整定和调试麻烦。在变频与工频电源的切换技术上，多数采用主电路串接软启动器的方

19、法进行降压起动;也有采用切换时封锁变频器的控制脉冲，使变频器的输出为零，再切换到工频电源上。模糊控制变频调速恒压供水系统，是根据用水量的多少，自动调整系统参数，实现恒压供水。1.3模糊控制在恒压供水控制系统中的应用模糊控制是指能适时地调节系统的控制参数，以适应外界变化、系统本身参数变化，降低系统对外界干扰的影响，使整个控制系统能够以最佳的状态在某一性能指标下运行。在系统模型已知的情况下，可以采用模糊控制的方法;当然，系统模型未知或者部分已知的系统，也可以采用模糊控制的方法，这是模糊控制方法最显著的一个特点。通过设计一个模糊控制器，使被控对象的输出满足其系统的动态性能。对于一个控制系统，传统的控

20、制方法，如PID控制、最优控制、状态反馈控制等，其控制对象只能是一个参数和状态已知的系统，它的控制策略是建立在系统已知的基础之上。而模糊控制的控制策略和控制规律是建立在系统未知的基础之上，他不但能抑制外界干扰和环境变化对系统本身参数的变化，而且在某种程度上，还能有效的消除模型化对系统误差的分析的影响。变频调速恒压供水控制系统由水泵、电机、变频器等多个环节所组成，整个系统涉及的参数比较多，其中很多的参数都难以测定，而且有一部分参数在系统运行的过程中发生变化。水泵的工作具有很强的非线性特性，管路末端用水量的变化以及电力负载的波动及其特性的变化等都将导致水泵恒压运行的工况点发生改变，从而影响系统的参

21、数。恒压变频供水在理论上是较为理想和先进的。首先恒压变频供水能够保证出水压力不变，还可以根据终端用水量的大小进行变频恒压供水，不但能够节约电能，而且保证水泵降压软启动，减少对电网电压冲击，各台水泵轮换使用，延长水泵的使用寿命。大多数的系统采用先投入使用的水泵先退出运行的控制策略，这样，各台水泵的使用时间均匀，而且，一旦水泵出现故障，该系统能跳过故障泵运行。对于供水这样的复杂控制系统，参数可变，理论上难以建立精确的数学模型，利用常规的PID控制器，难以保证在任何工况条件下系统始终具有最佳的控制性能。模糊控制是建立在人工经验基础之上，无需知道控制对象的数学模型，它采用语言变量来描述系统特征，并依据

22、系统的动态信息和模糊控制规则进行推理以获得合适的控制量，具有对参数变化不敏感和鲁棒性强等特点，但缺点是控制精度不高，研究表明，模糊控制和PID控制结合是提高控制性能的有效手段。为了有效地提高变频调速恒压供水系统的控制精度和鲁棒性，本文设计了Fuzzy-PID控制器，利用模糊逻辑对PID参数进行在线调整，实现供水管道的压力恒定。1.4模糊恒压供水控制系统的研究意义PID控制算法简单、鲁棒性好及可靠性高，被广泛应用于过程控制和运动控制中。在可建立精确数学模型的确定性的控制系统中，用常规的PID控制就可达到控制要求。然而对于非线性、时变、参数不确定、难以建立精确数学模型的生产过程，由于参数很难确定，

23、用常规的PID控制很难描述其生产过程中如果能够不断的测量被控对象的性能和参数，并反馈到控制器中，就可以使系统运行在某种意义下的最优状态。在供水控制系统中，由于水泵工作特性具有很强的非线性和管路的滞后特性，传统的PID控制方式存在着不同程度的超调或振荡现象。因此，对供水系统采用模糊控制来达到最优的状态。模糊恒压供水系统能够根据供水管网的用水情况，调整水泵投入台数及转速，实行全自动恒压供水，达到高效节能的目的，对电网无冲击，能延长水泵的使用寿命。基于单片机的智能控制供水系统，基本上可一以实现无人值守的供水工作，造价低，维护方便，寿命长，给学校、企事业单位带来较好的社会效益。1.5论文的主要研究内容

24、1.首先分析系统的工作原理，研究子恒压供水控制系统的控制算法，介绍了模糊控制的基本原理及存在的问题，提出模糊PJD控制器的设计，建立了供水系统的近似模型，对其进行仿真。2.介绍了基于ARM控制系统的硬件电路结构框图，对信号输入电路、压力检测电路、A/D转换电路、信号输出电路等进行了设计，并介绍了硬件电路设计中采取的抗干扰措施。3.设计了供水系统主程序流程图、串口通讯服务程序流程图、LCD液晶显示模块、模糊PID控制算法的软件设计，以设计的硬件为开发平台，进行初步的调试。1.6本文的主要工作第一章绪论中介绍了此系统的课题背景和当前的研究成果、国内国际的研究现状，介绍了论文的主要工作。第二章研究了

25、模糊控制系统的理论，论述了模糊控制理论的发展、以及模糊控制在供水系统中的运用，包括系统的模糊化理论、模糊控制规则的建立、解模糊化等过程。第三章中研究子恒压供水系统的系统构成及工作原理和系统的软件仿真。根据系统的工作原理，设置模糊控制器，利用MATLAB的simulink仿真，验证系统的设计。第四章论述了系统的构成，给出了系统框图、控制原理图，并对系统中的硬件和软件的主要功能做了简要的介绍。在系统的硬件设计部分，介绍了系统硬件设计过程，研究了控制系统的总体硬件结构，并确立了各部分硬件模块的功能，给出了一些典型电路,研究了机型及器件的选择和系统硬件设计电路，给出了系统硬件设计原理图和多台电机的控制

26、原理图。第五章重点介绍了软件设计开发的过程，详细研究了PID控制算法以及程序总体设计思路，设计了主程序模块、PID模块、报警检测模块、水泵控制等功能模块。1.7本章小结本章详细描述了恒压供水控制系统的国内外发展现状和恒压供水控制系统的意义，叙述了模糊控制在恒压供水控制系统中的意义，交代了论文的主要研究内容和工作。第二章 系统的模糊控制及其算法模糊控制是以模糊集合论、模糊语言变量及模糊逻辑推理为基础的计算机智能控制技术，在无法获知系统精确的数学模型的情况下，模仿人的思维方式，以操作人员的经验为基础，根据操作者的语言表达来确定系统的各个参数和控制规律，然后在实际系统中进行调试和整定的一种智能控制。

27、2.1模糊控制理论的产生及发展作为研究事物模糊性的一种方法，模糊集合理论最早出现在20世纪60年代中期。Zadeh教授为处理人的思维中普遍存在的模糊性，提出了模糊集理论。模糊控制的特点，在Zadeh的“模糊集”理论的基础上，对那些难以用数学解析式描述的系统特性，用语言变量描述出来，从而在控制过程中，用模糊控制把人的智能体现出来，将智能控制的高层次决策和低层次控制结合于一体，实现模糊控制在系统中的运用，这些也是模糊控制的优点。如今，在各行各业中，都可以发现模糊控制技术应用，家用电器设备己成为主攻市场，诸如智能洗衣机、微波沪、吸尘器、空调机、照相机和摄影机，在工业闭环控制系统中则有水净化处理、发酵

28、控制、化学反应釜、水泥窑炉等;在专用系统和其他方面的应用有地铁控制、电梯、自动扶梯、蒸汽引擎、声控直升机、纸币识别装置以及机器人控制等等。2.2模糊控制的特点模糊控制采用语言型控制规则，模拟人工控制的过程和方法，增强控制系统的适应能力，使之具有一定的智能水平。在设计中不需要知道被控对象的精确数学模型，依据现场操作人员的控制经验或相关专家的知识，分析系统的动态和静态特性，这有利于增强模糊控制系统的鲁棒性，干扰和参数变化对控制效果的影响将被大大减弱，控制机理和策略易于接受和理解，设计简单，便于应用，尤其适合于非线性、时变及纯滞后系统的控。从工业过程的定性认识出发，比较容易建立语言控制规则，因而模糊

29、控制对那些数学模型难以获取，动态特性不易掌握或变化非常显著的对象非常适用。常规的控制器的设计方法是基于模型的控制算法，由于出发点和胜能指标的不同，容易导致较大差异，但一个系统语一言控制规则具有相对的独立胜，利用这些控制规律间的模糊连接，容易找到折中的选择，.使控制效果优于常规控制器。模糊控制与常规的PID控制相结合，以模糊集合论、模糊语一言变量、模糊推理为思想基础，根据不同的e和ec，对PID控制器参数Kp、Ki、Kd进行在线整定。这种控制器与传统的控制器相比较，具有响应快、超调量小、鲁棒性强的特点。模糊控制的核心部分是模糊控制器，其核心的控制规律是由计算机的程序实现的，实现模糊控制算法的过程

30、如下:经采样获取被控量的精确值，然后将此值与给定值比较得到误差信号E，一般选取误差信号E作为模糊控制器的一个输入量，把误差信号E的变化快慢作为模糊控制器的另外一个输入量EC，把误差信号E的精确量和误差变化率Ec的精确量进行模糊化变成模糊量。误差E和误差变化率EC的模糊量可用相应的模糊语一言表示，得到误差E和误差变化率EC的模糊语言集合的一个子集e和ec，在由e和模糊控制规则R根据合成推理规则进行模糊决策，得到模糊控制量u。u=e o R ( 2- l )模糊控制器的设计包括以下几项内容:确定模糊控制器的输入变量和输出变量(即控制量)设计模糊控制器的控制规则 确立模糊化和非模糊化(又称清晰化)的

31、方法选择模糊控制器的输入变量及输出变量的论域并确定模糊控制器的参数编制模糊控制算法的应用程度2.3模糊控制器的结构模糊控制器的结构如图2.1所示：输入变量分别为e和ec ，输出变量为u，输入输出的语言变量男E、EC和U，模糊控制规则为:R1: if E=Ai and EC = Bi，then U=Ci (2-2)式中Ai、Bi、Ci.均为输入输出上的模糊子集。图2.1模糊PID控制器结构图模糊集合Ai、Bi、Ci的数学表达式分别为:于是，表达式可以写成 Ai x Bi Ci (2-6)上式对应的模糊关系R为R=A x B x C (2-7)将实际输入量e和ec进行模糊化，得模糊输入量A*、B*

32、，则输出C*可用下式求得:C*= ( A* x B* ) o R (2-8)式中，“o”为合成算子。2.3.1模糊控制规则模糊控制规则是基于专家知识或操作人员长期积累的经验，它是按人的经验知识推理的一种语言表示形式。模糊规则通常由一系列的关键词连接而成，常用的关系词为if 、then、also，对于多变量模糊控制系统，还有and等，他们通过关系词将这些规则数值化。对于一个输入变量为e (误差) 和ec (误差变化) 的模糊控制系统，输入变量应的语言变量为E和EC，可给出一组模糊规则：R1：IF E is NB and EC is NB then U is PBR2：IF E is NB and

33、 EC is NS then U is PM通常把if的部分称为“条件”，而then的部分称为“结论，基本的结构可归纳为lf A and B then C，其中A为论域U上的一个模糊子集，B是论域V上的一个模糊子集。根据控制经验，可以计算生成一个控制决策表R，R是笛卡尔乘积集UxV上的一个模糊子集，则其某一时刻其控制量由下式给出:C=(A x B) o R (2-9)式中，x 模糊直积运算; o 模糊合成运算模糊控制器的关键是设计模糊控制规则，其规则的设计一般包括三部分：1.描述输入和输出变量2.定义各模糊变量的模糊子集，确定模糊子集函数曲线3建立模糊控制器的控制规则2.3.2模糊化接口模糊控

34、制器的输入必须通过模糊化才能用于求解模糊控制器的输出，将真实的确定量转化为一个模糊矢量。2.3.3隶属度函数的确立隶属度函数的确定，要客观反映模糊现象的特点，符合客观规律，而不是主观臆想的11,12。由于模糊现象本身存在着差异和每个专家在知识、实践经验、判断能力等方面不同，即使对同一个模糊概念的认定和理解，也会有差异性，因此，隶属度函数的确定带有一定的主观性。目前确定隶属度函数的方法有如下几种：1.模糊统计法对论域E上的一个确定元素e。，是否属于论域上的一个可变动的集合，Aa是属于一个模糊集合A，对应的模糊概念水平为a。2.对比排序法它是通过对多个事物之间的对比来确定某种特征下的排列顺序，由此

35、来决定具有这些特征的隶属度函数的大致图形。3.神经网络法 对于一个复杂系统，如果输入和输出的响应数据间呈现高度非线性，就可以用模糊逻辑将输入和输出数据分为不同的聚类，利用神经网络来确定隶属度函数，通过改变神经网络中的权系数来适应这种变化，从而不断修正隶属度函数值。设e、ec、kp、ki、kd、幻的隶属度函数均服从三角函数分布，如图2.2所示图2.2隶属度函数的分布根据实际的操作经验和PID参数对系统影响，建立模糊控制规则表。用模糊控制规则表来描述模糊控制规则，由上表得到49条模糊规则，各个模糊语句之间是与或关系，由第一条语句所确定的控制规则可以计算出ut。同理，可以由其余各条语句分别求出控制量

36、u2， u49，则控制量为模糊集合u，如2-10所示 u= u1 + u2 + .+ u492.3.4去模糊化由式2- l计算出的模糊控制量可以选用一种去模糊化的方法，如采用最大隶属度方法弓将控制量由模糊量变成精确量。在工业控制中广泛采用加权平均法【13】。它主要是针对论域中的每个元素xi ( i = 1，2， n )，以它作为输出模糊集合的隶属度 u( i )今的加权系数，即取乘积xi u(i)，在计算该乘积和 对一于隶属度和的平均值x0 ，即： （2-11）平均值x0便是应用加权平均法为模糊集合求得的判决结果，从而得到控制量的实际值。2.4恒压供水控制系统模糊控制器设计系统的输入压力范围是

37、o-100 kpa，设定的压力值是50kPa，压力差的范围是-50，50，设误差e的基本论域为- 6，6，ec的基本论域为- 6，6，E和EC的论域为- 6，- 5，- 4，- 3，- 2，- 1，O ，1 ，2 ，3 ，4 ，5 ，6，语言变量选取负大，负中，负小，零，正小，正中，正大7个语言变量。则负大表示误差范围在 - 50，-35，负中表示误差范围- 35，- 20，负小表示的误差范围- 20，- 5，零表示的误差范围- 5，5，正小表示的误差范围5，20，正中表示的误差范围是20，35，正大表示的误差范围是35，50。通过模糊控制规则的建立，得到输入与输出的控制规则如下所示表2.2模

38、糊控制规则表PID参数模糊整定是找出比例、积分、微分这三个参数与偏差e和偏差变化率ec之间的模糊关系，在运行中通过不断检测e和ec，根据模糊推理来对三个参数进行在线修改，以满足不同e和ec对控制参数的不同要求扩从而使被控对象具有良好的动、静态性能。一般情况下，在不同的e和ec下被控对象对kp、ki、kd的自整定要求可归结为：(1)当lel较大时，为使系统具有较好的快速跟踪性能，应取较大的kp与较小的kd，同时为了避免系统在开始阶段产生较大的超调，通常取ki=O;(2)当lel和ee处于中等大小的时候，为使系统具有较小的超调，kp应取得小些；在这种情况下，kd的取值对系统响应的影响较大，也应取得

39、小写;ki的取值要适当。(3)当lel较小时，为使系统具有较好的稳态性能，kp与ki不应该取的很大，同时为避免系统在设定值附近出现振荡，kd值的选择是相当重要的。其原则是:当偏差变化率ec较小时，kd取大一些，ec较大时，kd取较小的值，通常kd为中等大小。PID控制器的控制规律的一般形式为: ( 2-12 )其中e(k) ，e(k) ，ec(k)分别为输入变量偏差、偏差和变化率，kp、ki、kd分别为表征其比例、积分、微分作用的参数。则PID参数由以下公式求得:KP = KP0 + KP ( 2-13)Ki = Ki 0 + Ki (2- 14)Kd = Kd0 + Kd (2- 15)其中

40、Kp0、Ki0、Kd0表示初始的PID参数，kp、ki、kd参数按照模糊控制规则表2.2进行调整，kp、ki、kd表示调整后的PID参数。模糊PID控制的任务是找出PID调节器的参数Kp、Ki、Kd气偏差e和偏差变化率ec之间的模糊关系；接着在系统运行中不断检测e和ec，控制器的输入，根据模糊控制规则对PID的三个参数进行在线调整，并将Kp、Ki、Kd作为模糊控制器的输出，最后根据调整后的Kp、Ki、Kd重新代人PID公式中进行运算，计算结果即为控制器的最终输出。其工作流程图如图2.3所示 图2.3工作流程图2.5量化因子及比例因子的选择设计一个模糊控制器，不但要设计模糊控制规则，而且合理地选

41、择模糊控制器输入变量的量化因子和输出变量的比例因子也很重要:大量的科学实验表明，不同的量化因子和比例因子，对模糊控制器的性能影响很大。选择合理的量化因子和比例因子，不但要考虑计算机的字长，还要考虑计算机的输入输出接口中D/A和A/D转换的精度及其变化的范围。因此，选择量化因子和比例因子要充分考虑与D/A和A/D转换精度，使其变换范围被充分利用。量化因子的大小对控制系统的动态性能影响很大。从系统的稳定性、响应速度、超调量和稳态精度等各方面来考虑，kp、ki、kd的作用如下【14,15】：比例系数kp的作用是加速系统的响应速度，提高系统的调节精度。kp越大，系统的响应速度越快，系统的调节精度越高，

42、但易产生超调，甚至会导致系统不稳定。kp取值过小，则会降低调节精度，使响应速度缓慢，从而延长调节时间，使系统静态、动态特性变坏。积分作用系数ki的作用是消除系统的稳态误差。Ki越大，系统的静态误差消除越快，但ki过大，在相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大超调。若ki过小，将使系统静态误差难以消除，影响系统的调节精度。微分作用系数kd的作用是改善系统的动态特性，其作用主要是在响应过程中抑制偏差向任何方向的变化，对偏差变化进行提前的预报。但kd过大，会使响应过程提前制动，从而延长调节时间，而且会降低系统的抗干扰性能。2.6本章小结在这一章中，我们详细描述了模糊控制理论的产生、

43、发展过程，概述了模糊控制理论在工程中的应用过程，包括控制器的结构设计、控制规则的建立、模糊化接口和解模糊化，通过模糊规则的建立和模糊推理，使实际的模拟量与数字量建立了联系，查询表格，修正参数，满足系统的控制要求。 第三章恒压供水控制系统理论分析与仿真3.1恒压供水的原理对供水系统进行的控制，实际上是为了满足用户对水的流量需求，让用户得到稳定的水量。因此，流量就成了供水系统的基本控制对象。在不同时间（如自天和晚上)、不同季节(如冬天和夏天)，用水流量的变化是很大的，这就造成供水不足或者供水过剩的情况时有发生。一般情况下，管道中水压的大小与用水需求之间的平衡情况有关:如供水能力>用水需求，则

44、压力上升如供水能力<用水需求，则压力下降如供水能力=用水需求，则压力不变由此可见，要保持某处供水系统的压力恒定，实际上是保证该处的供水和用水处于平衡状态，这就是恒压供水所要达到的目的。3.1.1恒压供水系统的特点1、滞后性供水系统的控制对象是用户管网的水压，它同其他一些变量(如:温度、流量、浓度等)一样，是一个过程控制量，对控制作用的响应具有滞后性。2、非线性用户管网中因为有管阻、水锤等因素的影响，同时又由于水泵的一些固有特性，使水泵转速的变化与管网压力的变化不成正比，因此变频调速恒压供水系统是一个非线性系统。3、多变性恒压供水系统要面向各种各样的供水系统，而不同系统的管网结构和扬程等方

45、面存在着较大的差异，因此其控制对象的模型一定要具有多变性。4、时变性在调速恒压供水系统中，由于有水泵的时时控制，其运行状态影响供水系统的模型参数，使其发生不确定性变化，因此可以认为，变频调速恒压供水系统的控制对象是时变的。5、容错性当出现意外的情况（如突然断电、水泵、变频器、软启动器故障等)时，系统能根据不同的情况自动进行投切，保证管网内压力恒定。在故障发生时，执行专门的故障程序，保证在紧急情况下的仍能进行供水。6、节能性系统用变频器进行调速，用调节泵和固定泵的组合进行恒压供水，节能效果显著，对每台水泵进行软启动，启动电流可从0增大到电机额定电流，减少了启动电流对电网的冲击的同时，减少了启动惯

46、性对设备的大惯量的转速冲击，延长了设备的使用寿命。3.1.2供水系统的主要参数:a流量(Q)：单位时间内流过管路内某一截面的水量b扬程(H)：单位质量的水被水泵上扬时所达到的能量。扬程主要包括3个部分：提升上扬水位所需能量、克服水在管网中的流动阻力所需能量、使水流动具有一定的流速所需的能量，由于后面两个参数较小且不变，所以，常用水位的变化量来代表量程。C管阻(R)：表示管路系统(包括水管、各种阀门和连接装置)对水流产生阻力的物理量，管阻特性反映了水泵的能量用来克服泵系统的水位及压力差、液体在管道中的流动阻力的变化规律。根据管网特性，描述供水系统的基本特征如下图3.1所示:图3.1供水系统的基本特祝图中两条曲线均是在阀门开度不变的前提厂描绘的扬程特卞仁曲线和管阴特性曲线。从图中可以看出：流量Q越大，扬程H越小。在阀门开度和水泵转速