温泉水温液位耦合控制器设计与仿真研究

1、 本科毕业设计（论文）题 目温泉水温液位耦合控制器设计与仿真研究学生姓名石万成学号0907030139教学院系电气信息学院专业年级自动化2009级指导教师罗敏职称讲师单位电气信息学院辅导教师职 称单位西南石油大学完成日期2013年6月8日温泉水温液位耦合控制器设计与仿真研究摘要本设计要求设计一个利用温泉泉眼热水作为热源的温度液位耦合控制器，该控制器能够实现将从泉眼中抽出的热水与冷水进行热交换，通过控制热水与冷水的注入量来控制温泉浴池的温度和液位达到设定值范围内。在本设计中使用MATLAB对PID控制、模糊控制、模糊PID以及单神经元PID控制算法进行了仿真，由于水温液位调节存在有很大的滞后性，

2、本设计中还使用了Smith预估器进行时滞补偿。最后确定为带Smith预估器的模糊PID的控制效果最佳。由于温泉浴池需要控制和检测的变量比较多，为了方便统一监控，本设计还对整个系统进行了力控组态研究。力控监控组态软件可以对现场生产进行数据采集与过程控制，它提供了良好的用户开发界面和简捷的工程实现方法，通过“组态”的方式可以大大缩短自动化工程师系统集成的时间，提高了集成效率。 关键词：水温液位；单神经元PID；模糊PID；史密斯预估器；组态 abstctThis design requires use of a hot spring eye design water as heat source

3、coupled to the temperature level controller which can be achieved from the hot springs in the extracted heat exchange with cold water, hot water and cold water by controlling the injection amount to control the hot tub temperature and liquid level reaches the set value range.In this design, the use

4、of MATLAB for PID control, fuzzy control, fuzzy PID and the single neuron PID control algorithm for the simulation, because there is a large water level adjustment lag, this design also uses a Smith Predictor for delay compensation. Finally identified with Smith Predictor fuzzy PID control works bes

5、t.Because hot tubs need to control and detect more variables, in order to facilitate unified control, the design of the entire system also controls the configuration of the force. Power control monitoring configuration software can be produced on-site data acquisition and process control, which prov

6、ides a good user interface and simple development project implementation, through the "configuration" approach can greatly shorten the time for automatic system integration engineers to improve integrated efficiencyKey words: Water temperature and liquid level; Neurons PID; Fuzzy PID; Smit

7、h predictor.；ConfigurationI温泉水温液位耦合控制器设计与仿真研究目录1 绪论11.1发展现状11.2 研究意义与需求分析21.3总体方案设计21.4 课题研究的任务22工艺流程及器件选型42.1工艺流程42.2 器件选型43 数学建模83.1 数学建模83.2 数学模型解耦93.2.1解耦原理93.2.2 解耦控制器的计算114 仿真系统设计与对比分析124.1 解耦控制算法仿真124.2 PID控制算法原理及仿真144.2.1 PID控制算法原理144.2.2 PID控制系统仿真164.3 模糊控制原理及仿真174.3.1 模糊控制原理174.3.2模糊控制算法仿真

8、234.4 自适应模糊PID原理及仿真254.4.1自适应模糊PID原理254.4.2自适应模糊PID控制算法仿真264.5 单神经元PID原理及仿真284.5.1 单神经元PID原理284.5.2 单神经元PID控制系统仿真314.6 Smith预估器原理及仿真344.6.1 Smith预估器原理344.6.2 Smith预估器控制算法仿真365 力控组态395.1 组态研究的意义395.2 登陆界面设置395.3 组态界面405.4 曲线与报表设置425.5 系统运行与调试475.5 力控与罗克韦尔互联545.5.1 OPC服务器的建立545.5.2 PID程序设计步骤575.5.3 模糊

9、PID设置615.5.4 系统调试与运行626 总结66致谢67参考资料68附录一：S函数69附录二：perf ( ) 函 数71附录三：力控控制策略72附录四 PID及模糊PID控制算法程序73I1 绪论1.1发展现状随着智能控制技术的发展，温泉水温控制方法也有了明显的进步。己从之前的直接控制转变成PID控制、神经网络控制、模糊控制等智能控制方法。 (1)PID控制比例P、积分I、微分D控制，是目前很普遍的一种温度调节方法，二十世纪中期以来，被广泛应用到工业生产过程领域。PID控制虽然由于其控制原理简单、实用、成本低廉成为普遍的调节方法，但其缺点是难以确定被控对象的数学模型，现场难以整定最为

10、合适的参数。(2)神经元控制是当前主要的、也是重要的一种人工智能技术，神经元由于具有的并行处理、非线性处理、自适应和通过训练获得学习等适合于控制的特性和能力，在多变量系统、大系统和复杂系统特别适用。温度受负载的变化以及外界干扰如气温、热流量、散热等复杂因素的影响，神经元温度控制系统可以将这些影响因素作为网络的输入，将PID控制器的参数作为输出，把实验数据作为训练样本，在处理器中不断进行迭代实现自我修整与完善直到收敛，获得网络权值达到控制器参数自整定的目的。(3)模糊控制是应用模糊集合理论的控制算法，对频繁变化的对象或不能确定数学模型和难以建立精确数学模型的系统控制较为方便。模糊控制是基于规则的

11、系统，能较强的抑制系统干扰，具有强鲁棒性。然而，模糊控制没有明确的结构，没有完整的规则库，缺乏对控制系统进行分析和设计的方法步骤。模糊控制属于非线性领域，与PID相结合优点明显。模糊PID温度控制用温度的变化情况通过模糊推理整定PID控制器三个参数。在上述各种控制器所具有的优良性能上，将各种控制方法和控制系统进融合，出现了复合智能控制系统，这些复合智能控制系统如模糊PID控制、模糊神经网络、专家模糊控制系统由于其性能优良也在温度控制方面得到了大力应用。1.2 研究意义与需求分析为了更好的满足客户的需求，系统只有通过自动检测温泉池的水温液位环境，了解水温是否在一个最佳的理想环境中，从而对其进行调

12、整，及时满足各池的最佳温度条件，减少温泉的能量损失，使温泉提供舒适，节能的水文环境。因此只有发展温度自动监控技术，温泉的发展才能向高水平，高质量，高效率发展。为了使的控制浴池的温度液位控制效果比较好，设计者可以采用不同的控制算法。1.3总体方案设计本设计要求设计一个利用温泉泉眼热水作为热源的温度液位耦合控制器，该控制器能够实现将从泉眼中抽出的热水与冷水进行热交换，通过控制热水与冷水的注入量来控制温泉浴池的温度和液位达到设定值范围内。设计要求浴池温度为40，水位保持在60cm。本设计可以分为以下两个模块：（1）使用MATLAB对PID控制、模糊控制、模糊PID、单神经元PID控制算法以及Smit

13、h预估器进行仿真，通过对仿真结果的对比分析，最终选择一种控制效果最好的控制算法。（2）利用力控进行组态研究。由于温泉浴池需要控制和检测的变量比较多，为了方便统一监控，需要对整个系统进行组态研究。力控监控组态软件可以对现场生产进行数据采集与过程控制，通过“组态”的方式可以大大缩短自动化工程师系统集成的时间，提高了集成效率。1.4 课题研究的任务本设计要求设计一个利用温泉泉眼热水作为热源的温度液位耦合控制器，该控制器能够实现将从泉眼中抽出的热水与冷水进行热交换，通过控制热水与冷水的注入量来控制温泉浴池的温度和液位达到设定值范围内。本课题主要内容有一下几个部分：（1） 温度控制的方案设计：主要研究恒

14、温恒液位控制的实现原理，进行水温液位耦合控制系统的总体方案设计。（2） 控制算法的对比分析：列举PID控制，模糊控制以及模糊PID、单神经元PID等控制算法进行对比分析。（3） 仿真模型的调试与对比分析：对设计的控制系统中的参数进行调试与分析,然后对比各种控制算法的仿真结果，选择超调量，调节时间最合理的一种，使测量温度的精确度较高。（4） 力控组态研究：在力控上搭建一个模拟实际的组态，进行数据集成。 2工艺流程及器件选型2.1工艺流程温泉水温液位控制流程图如下图所示，泉眼流出的水通过水泵和阀门流入浴池，冷水水源为地下水，由浴池上方的阀门注入，热水水温为温泉泉眼流出的热水，由左方流入，通过控制热

15、水阀门和冷水阀门来调节冷水和热水的注入量从而使温度和液位保持在设定值允许的误差范围内。由于控制对象为高温温泉，为保证安全，系统必须保证冷水的供应，因此设计有冷水紧急阀门，当正在使用的阀门出现了故障可以及时的切换到紧急阀。冷水池的液位设置成一个定值。用不完的热水直接排出 图2.1 温泉浴池控制系统2.2 器件选型温泉依温度之高低不同可分为三类，高于75者为高温温泉，40至75者为中温温泉，低于40者为低温温泉。温泉浴池水温一般保持在40至65之间,具体温度由个人设定。本设计的研究对象为出水口温度80，酸碱值大于8的恒流温泉。本设计用到的器件主要有温度传感器、液位传感器、水泵以及电磁阀，由于本设计

16、的对象为高温碱性温泉，为使系统稳定持久运行，所选择的器件必须以耐高温、耐腐蚀为基础。（1）温度传感器传统的模拟温度传感器，如热电偶、热敏电阻和RTDS对温度的监控，在一些温度范围内线性不好，需要进行冷端补偿或引线补偿；热惯性大，响应时间慢。集成模拟温度传感器与之相比，具有灵敏度高、线性度好、响应速度快等优点，而且它还将驱动电路、信号处理电路以及必要的逻辑控制电路集成在单片IC上，有实际尺寸小、使用方便等优点LM135235335系列是美国国家半导体公司（NS）生产的一种高精度易校正的集成温度传感器，是电压输出型温度传感器，工作特性类似于齐纳稳压管。该系列器件灵敏度为10mV/K，具有小于1的动

17、态阻抗，工作电流范围从400µA到5mA，精度为1，LM135的温度范围为-55+150，LM235的温度范围为-40+125，LM335为-40+100。（2）水泵泵选型依据，应该根据工艺流程，给水要求，从五个方面加以考虑，即液体输送量，装置扬程，液体性质，管路布置以及操作运转条件。QJR型热水深井泵采用特殊材质和结构，用于提取地下热水，是电机与水泵直联一体潜入水中工作的提水机具，QJR型热水深井泵适用于水温为100以下的地下热水的开采，具有耐热、防腐、抗老化等特点。AT200QJR80-170/10：200表示出水口直径； Q 表示潜水的（汉语拼音的打头字母）；J 表示井用（汉语

18、拼音的打头字母）； R 表示热水（汉语拼音的打头字母）80流量是80m3/h ；170表示扬程是170m；/10表示10级叶轮串联。技术参数：1：允许工作水温范围：+5至+105；2：固体杂质含量（质量比）不大于0.01；3：PH值（酸碱度）6.5-8.5；4：硫化氢的含量不大于1.5mg/L；5：氯离子的含量不大于400mg/L； 水泵通常与电机配合使用，该水泵配有一台功率45KW的电机。(3)电磁阀电磁阀是用来控制流体的自动化基础元件，属于执行器，用于控制液压流动方向。ZF4耐腐蚀塑料电磁阀应用范围：石油、煤气、化工、医药等行业。耐腐蚀熟料电磁阀工作原理：电磁线圈通电时，动铁芯被吸合，带动

19、阀杆上移，弹簧同时被压缩，使阀杆与阀芯中孔（先导孔）分离，阀芯上腔的流体瞬间从中孔缷压，缷压后阀芯在上下腔压差的作用下快速向上浮起，电磁阀开启。电磁阀的线圈断电时，阀杆在弹簧力的作用下关闭阀芯中孔，并推动阀芯向下移，封住流体出口，电磁阀关闭。ZF4耐腐蚀熟料电磁阀技术参数：1.阀体材质：ABS、PDDA、F42.工作介质：化学或腐蚀性流体3.控制方式：常闭式4.公称通径：DN15-N805.介质温度：806.公称压力：1.0 -1.6Mpa7.工作压差：0.01-1.0Mpa8.电源：AC220V DC24V9.额定流量系数：4-70Kv10.额定功率：22-42VA(4)

20、液位计电容式液位计：采用测量电容的变化来测量液面的高低的。它是一根金属棒插入盛液容器内，金属棒作为电容的一个极，容器壁作为电容的另一极。两电极间的介质即为液体及其上面的气体。传感器无机械可动部分，结构简单、可靠；精确度高；检测端消耗电能小，动态响应快；维护方便，寿命长。ZRN700-2四氟防腐型液位变送器，和液体接触部分全部采用全四氟乙稀材料制做，具有耐高温、耐腐蚀、防堵塞等特点，可以进行高精度的测量，不受被测介质起泡、沉积、电气特性的影响。 技术指标： 1 测量范围：030米以内。 2 输出信号：420m A/DC。 3 供电电源：24V±5

21、V/DC。 4 准确等级：0.5级。 5 长期稳定性：±0.2%F·S/年 6 介质温度：-50100（以不凝固为准）根据工艺可以得到如下造价表表 2.1 器件选型 型 号单 价（元）数 量（件）总 计（元）温度传感器LM3351000536998水 泵QJR80-170/1095003电 磁 阀ZF48017液 位 计ZRN700-287043 数学建模3.1 数学建模本设计的数学建模对象为温泉浴池为了便于分析作如设：（1）混合水槽与周围环境热交换可忽略。（2）混合水槽热水瞬间充分混合。（3）系统稳定后混合水槽出水流量与输入流量相等。根据浴池

22、的输入、输出流量关系则有： (1)式中，A为混合槽的底面积，为热水源流量，为冷水源流量，是混合槽的液面高度，为混合槽初出水流量，而： （2）公式中为混合水槽的阻力系数，为折算系数所以公式（1）变为： （3） 而根据前面的假设可知热平衡关系为： (4)式中 , ，其中：，为稳定时混合水槽液位高度与温度； ，为冷水稳态时的流量 ，为相应变化量； ， 分别为热源水，冷水源的水温。对公式（3）进行拉氏变换，可得： （5）当上述系统稳定时，混合水槽液面保持不变对公式（4）进行拉氏变换，可得： （6）通过上述机理法对系统进行建模，可以得到液位，温度与流量的拉氏变换表达式之间的关系，分别见上次公式（5），（

23、6）所示，温泉浴池水温液位耦合控制系统的数学模型为：3.2 数学模型解耦3.2.1解耦原理常用的解耦方法有前馈补偿器解耦，反馈补偿器解耦，对角阵解耦以及单位矩阵解耦。在本设计中采用对角阵解耦，以下是二输入二输出对角阵解耦的原理图图3.1 对角线解耦控制原理上图中，Gc1(s)、Gc2(s)为控制器，D11、D21(s)、D12(s)、D22(s)为解耦器，G11(s)、G21(s)、G12(s)、G22(s)为控制对象的传递函数。Y1、Y2为输出。如图3.1所示，被控量与控制量之间的关系矩阵为： （4 ） 控制量与调节器输出之间的关系矩阵为 （5）由（4）式和（5）式得到系统传递函数为

24、0; （6）对角矩阵解耦方法是将传递函数矩阵转化为对角阵的形式，相当于以下形式 （7）由（6）式和（7）式可得到解耦器的数学模型为 （8）如果解耦器设计成与式（8）相同或与式（8）相近的形式，则系统可化为式（7）的形式，框图如图3.2所示，可见两组控制对象相互之间不再影响，达到了解耦的目的。图4.2 无耦合作用系统图3.2 解耦和系统的近似等效模型图3.2 解耦等效原理图3.2.2 解耦控制器的计算 设温度及液位调节控制系统温度、液位双目标系统参数如下：混合水温=40， 液位H=60cm;底面积=10；阻力系数;热水源的水温；80；冷水源的水温；时间滞后，时滞常数2s。带入具体数据以后可以温泉

25、水温液位控制器的传递函数如下所示：将传递函数化为尾一型后得：系统第一放大系数矩阵为： 系统的相对增益矩阵： 当相对增益矩阵的值在0.3-0.7之间，或者大于1.5时耦合作用非常强，需要进行解耦以减少相互之间的影响。将温度液位等具体要求的数据代入公式（8）可得本设计的解耦器为： 4 仿真系统设计与对比分析4.1 解耦控制算法仿真打开MATLAB软件，在simulink 中新建一个文件，在图库里拖入需要的功能模块，构建系统解耦前的仿真图如下所示，延迟时间设置为2s，上输入为液位，下输入为温度。图4.1 温泉水温液位耦合控制系统仿真 连接好各个模块以后，点击运行，则可得到相应的仿真波形图如下图所示，

26、波形图的上半部分表示液位，下半部分表示温度。在本设计中示波器的上半部分一律表示液位，下半部分一律表示温度。图4.2 温泉水温液位耦合控制系统仿真波形从上图中可以看到，温度和液位的仿真波形并不能区域稳定，系统需要解耦，以取得更好的控制效果。另外新建一个文件，加入上一章计算出的解耦控制器，按照原理图进行连接，系统解耦以后的仿真图如下图所示，黑色方框内的结构表示解耦控制器。图4.3 温泉水温液位控制系统对角阵解耦仿真模型连接好各个功能模块以后，运行仿真模型，可得一下仿真波形图，示波器的上半部分表示液位仿真波形，下半部分表示温度仿真波形。图4.4 温泉水温液位控制系统对角阵解耦仿真波形从仿真波形图中可

27、以看到解耦以后系统最终区域稳定了，将未解偶系统与解耦系统进行比较，在波形图中黄色曲线为未解耦系统，紫色为解耦系统。解耦以后的控制效果明显优于为解耦系统。图4.5 温泉水温液位控制系统解耦与未解耦波形对4.2 PID控制算法原理及仿真4.2.1 PID控制算法原理PID调节器是一种线形调节器，其传递函数为：为比例系数，为积分环节系数，为微分环节系数。常用的PID参数整定有临界比例度法，衰减曲线法，反应曲线法，Ziegler-Nichols整定法，Cohen-Coon整定方法，稳定边界法整定。根据设计的具体情况，选择临界比例度法进行PID参数整定。表4.2.1 临界比例度法参数计算 参数整定调节规

28、律 T1 TD P2k PI22k 0.85Tk PID1.7k 0.5Tk 0.13Tk经调节液位和温度PID的参数分别如下表所示 表4.2.2 温泉液位控制PID参数 （k=0.49，Tk=0.9s） T1 TD P0.98 PI1.078 0.765 PID0.87 0.45 0.117 表4.2.3 温泉温度控制PID参数 （k=0.4，Tk=1.4s） 参数整定调节规律 T1 TD P0.8 PI0.88 1.19 PID0.68 0.7 0.1824.2.2 PID控制系统仿真在simulink中新建一个文件，选择好PID等需要的功能模块进行连接，由于仿真模型所占的空间太大，我们可

29、以将一部分的结构生成为子系统，具体的做法为，选中需要生成子系统的部分，点击“Edit”下拉菜单中的“create susystem”选项即可，PID控制系统的仿真图如下所示图4.6 温泉水温液PID 控制系统仿真其中subsystem为传递函数的子系统，内部结构如下图所示图4.7 温泉水温液位PID控制系统子系统PID的调节效果如下所示，上部分表示液位，下部分表示温度，其中黄色曲线表示比例调节，紫色的表示PI调节，青色曲线表示PID调节，从图中可看出PID的调节效果明显优于其他两种调节方法。 图4.8 温泉水温液位PID 控制效果对比4.3 模糊控制原理及仿真4.3.1 模糊控制原理（1）模糊

30、控制基本步骤模糊化:把偏差和偏差变化率规范化和量化。具体做法就是将偏差及偏差变化率乘以一个量化因子。模糊逻辑推理:根据事先己制定好的一组模糊条件语句构成模糊控制规则。去模糊:控制作用的模糊集不能直接用于被控对象，需要把控制作用的模糊集按照一定的规则转化成精确控制量加到被控对象上。，具体做法也是乘以一个量化因子。（2）Ke、Kc、Ku参数的作用Ke越大，对偏差作用增强。系统上升快，增大超调量，过度时间长。Kc越大，对系统偏差变化控制作用增强。减小超调量、稳态误差和误差变化率。过度时间变长。Ku越大，控制器作用增强，系统响应快，易超调，可能导致振荡。（3）设计模糊控制器在MATLAB的工作区域输入

31、“fuzzy”回车就会出现模糊控制器，选择“Edit”下拉菜单中的“Add variable”即可增加输入输出，本实验中采用双输入单输出模糊控制器，输入设置为偏差E和片产变化率EC,输出设置为DU。双击偏差E下的图形即可设置偏差仪的隶属函数，将模糊处理范围设置为-6 6之间，在“Edit”下拉菜单中选择“Remove All MFS”将原有的隶属函数曲线去掉，然后再选择“Edit”下拉菜单中的“Add MFs”，将“Number of MFS”，设置为7，及将模糊输入设置为七个模糊等级，七个等级分别为负大（NB）、负中（NM）、负小（NS）、零（Z）、正大（PS）、正中（PM）、正小（PB）。

32、将模糊输入输出的隶属函数曲线设置为三角波形，将设置的模糊等级依次填入三角波的波峰，如下图所示，同理设置偏差变化率和控制器的输出，将偏差变化率的模糊处理范围也设为-6 6，输出模糊处理范围设置为-10 10.图4.9 模糊控制隶属函数设置（4）添加模糊控制规则： 设置完模糊控制隶属函数以后，点击“close”,会出现以下图形，点击下图中的的方框“ECFuzzy”就会出现相应的模糊规则编辑器，我们在“E is”下的方框内选择偏差的模糊输入，被选中的那一行会呈蓝色，同理选择偏差变化率及输出。选择完输入输出以后点击“add rulse”按钮则可生成一条模糊控制规则，同理设置其他模糊规则即可图4.10

33、模糊规则设置图4.11 模糊控制规则编辑编辑完模糊规则以后选择【view】-【Rules】命令，弹出如图所示规则观察器，选择【view】-【Surface】命令,弹出如图所示输入输出关系曲面图。图4.12 模糊规则观察器图4.13模糊控制输入输出关系曲面图模糊控制规则的生成方法大体上有两种：一种是根据操作人员或专家对系统进行控制的实际操作经验和知识，归纳总结得出的；另一种是对系统进行测试实验，从分析系统的输入输出数据中，归纳总结出来的。本次实验采用的方法是参考已有的经验再根据实验结果对其修改。表4.3.1 Kp的模.制表eNBNMNSZOPSPMPBNBPBPBPBPMPSZOZONMPBPB

34、PBPSPSNSNSNSPMPMPMPSZONSNSZOPMPMPMZONSNMNMPSPSPSPSNSNSNMNMPMPSZOZONMNMNMNBPBZOZOZONMNMNBNB表4.3.2 Kd的模糊控制表eNBNMNSZOPSPMPBNBNBNBNMNMNSZOZONMNBNBNMNSNSZOZONSNBNMNSNSZOPSPSZONMNMNSZOPSPMPMPSNMNSZOPSPSPMPB表4.3.3 Ki的模糊控制表e NBNMNSZOPSPMPBNBPSNSNBNBNBNMPSNMPSNSNBNMNMNSZONSZONSNMNMNSNSZOZOZONSNSNSNSNSZOPSZOZ

35、OZOZOZOZOZOPMPBNSPSPSPSPSPBPBPBPMPMPMPSPSPB4.3.2模糊控制算法仿真 在simulink中新建一个文件，选择需要的功能模块，然后按原理进行连接，双击模糊控制器功能模块，将需要调用的模糊控制器的名字填入相应的位置，在运行整个仿真模型之前，必须先运行模糊控制器，模糊控制仿真图如4.14所示，图4.15为液位模糊控制子系统。在调试模糊控制系统时主要调试的是由模糊化到精确化的量化因子，即子系统中的Ku，可以将该值初步设定为0.5，经反复调试最终确定为0.1，同理设置温度模糊控制子系统，最终量化因子定位0.15。图4.14 温泉水温液位模糊控制仿真图4.15温

36、泉液位模糊控制子系统调试完以后运行模糊控制系统，所得波形图如下所示，示波器的上半部分表示液位仿真波形，下半部分表示温度仿真波形。图4.16 温泉水温液位模糊控制仿真波形从上图中可以看出，单独使用模糊控制的效果并不理想，液位和温度都无法达到稳定。模糊控制并不适用于耦合系统。 4.4 自适应模糊PID原理及仿真4.4.1自适应模糊PID原理参数自适应模糊PID控制器的离散形式如下: U(k)=Kp*e(k)+Ki(k)* +Kd(k)*e(k)-e(k-1) 式中，Kp(k+1)=KP(k)+ Kp(k) 第k个采样时刻的比例系数 Ki(k+1)=Ki(k)+ Ki(k) 第k个采样时刻的积分系数

37、 Kd(k+1)=Kd(k)+ Kd(k) 第k个采样时刻的微分系数自适应模糊PID实际上就是一种在常规PID控制的基础上，应用模糊逻辑推理理论建立PID参数Kp，Ki，Kd同偏差绝对值e和偏差变化率ec之间的二元连续函数关系：Kp=f1(e,ec) , Ki= f2(e,ec), Kd=f3(e,ec)其原理如下图所示： 图4.17 模糊PID控制原理4.4.2自适应模糊PID控制算法仿真自适应模糊PID的特点为，根据系统的偏差和偏差变化率对PID的三个参数进行动态调整，自适应模糊PID中的模糊控制规则任然使用前一节用到的模糊规则，然后在根据本实验的仿真结果进行更改模糊PID参数自整定基本原

38、则如下：（1） 当系统偏差（|e|）较大时，不管ec的符号如何，都应取较大的KP和KI，已达到快速缩小偏差的目的。如果此时exec<0，则应取较小的KD或使之为零；反之如果此时exec>0，则应取较大的KD，阻止偏差继续增大。（2） 当系统偏差（|e|）适中时，为防止系统超调量过大，应取较小的KP，KI取中的程度。如果此时exec<0，则应取较大的KD，防止系统超调；反之如果此时exec>0，则应取适中的KD，阻止偏差继续增大。（3） 当系统偏差（|e|）较小或为零时，为缩短系统的调节时间，可取适中的KP，较小的KI。如果此时exec<0，则应取较小的KD；反之如

39、果exec>0，则应取适中的KD。自适应模糊PID的仿真框图如下所示,在调试的过程中，主要是调试PID的三个参数变化量由模糊化到精确化的量化因子，即子系统中的k1、k2、k3。图中的零阶保持器主要起离散化的作用，可以提高系统的仿真速度。在调试的过程中可以将初始值设置为三个都为0.2，经调试，最终确定液位的三个量化因子依次为0.4、0.05、0.05，温度的三个量化因子依次为0.5、0.04、0.05。其仿真波形如下图所示。 图4.18自适应模糊PID仿真图图4.19 温泉液位模糊控制子系统图4.20 温泉水温液位自适应模糊PID调节仿真波形4.5 单神经元PID原理及仿真4.5.1 单神

40、经元PID原理 神经元PID的控制原理如下图所示：图4.21 单神经元控制原理图神经元的信息处理机制，建模过程中提出以下4点假定：a 每个神经元都是一个多输入单输出的信息处理单元；b 突出分兴奋性和抑制性两种类型； c 忽略时间整合作用和不应期；d 神经元本身是非时变的，即其突触时延和突触强度均为常数。简单神经元的结构如图4.22所示：图4.22 神经元结构示意图单神经元的输入信号雷同于生物神经元的激励；生物神经元的突触性质以及突触强度由加权系数来模拟，的正负代表突触的兴奋和抑制，大小代表了突触的不同连接强度。组合输入信号的“总和值”，表示了各类输入的作用总效果，相当于生物神经元的膜电位；f是

41、神经元的激活函数，表示输入和输出之间的对应关系，一般都是非线性的。输入向量 表示神经元的轴突输出，即神经元的输入向量；权值向量 表示输入向量的连接强度；阀值 表示神经元激活的条件；激活函数f 表示神经元的输入输出关系；本设计所用的激活函数为非对称Sigmoid型函数：神经网络的学习方式选择有监督的Hebb学习规则。系统设定值与实际输出的差值e(k)和输入对应关系如下：系统输出的控制量为： 其中，为k时刻的连接权值，K为神经元的比例系数。 分别表示比例、积分、微分的学习速度。单神经元自适应PID控制器不能直接应用传递函数加以描述，简单的Simulink无法对其进行仿真，需要引用S函数（见附录）对

42、其进行仿真研究。S函数的格式为：function sys,x0,str,ts=sfuntmpl(t,x,u,flag)Flag是一个标志量，当Flag=0时，代表初始化函数；当Flag=1时，表示返回连续状态变量；当Flag=2时，表示返回更新sys值；当Flag=3时，表示返回输出值；当Flag=4时，设定下一次采样时间；当Flag=9时，表示清空sys值。当Flag=0时，sys各变量值代表意义如下：sys1是连续状态变量个数，sys2表示离散变量的个数，sys3输出变量个数，sys4输入变量个数，sys6是前向通道的个数，默认为1，sys7表示采样时间，默认为1。图4.23 s函数流程图

43、权值的选择：权值初值可以任选，本设计选为0.3 0.3 0.3K值的选择：K值对系统仿真效果的影响较大，一般K值偏大，将引起系统响应超调多大，而K值偏小，则使过度过程加长。因此，需要先确定K值，再根据仿真效果进行调整。学习速率的选择：由于采用了规范化学习算法，学习速率可取得较大。选取K使过程超调不太大，若此时过程从超调趋向平稳的时间太长，可增加、；若超调迅速下降而低于给定值，此后又缓慢上升到稳态的时间太长，则可减少，增强积分项的作用。4.5.2 单神经元PID控制系统仿真在运行单神经元PID控制系统之前必须先运行S函数，在simulink新建的文件里选择需要的功能模块，按照原理图进行连接，控制

44、仿真图如图4.24所示，零阶保持器起离散化的作用，双击“S-Function”将需要调用的S函数名填入其中，单神经元的权值初值可以任选，本设计选为0.3 0.3 0.3，经调试最终确定液位控制的权值为0.5、0.4、0.017，温度控制的三个权值设置为0.8、0、6、0.2。图4.24 温泉水温液位单神经元PI调节D仿真图经调试，单神经元PID的最终仿真效果如下图所示图4.25 单神经元PID仿真波形综合前面讲述的几种控制算法，将解耦控制，PID控制，自适应模糊PID控制以及自适应单神经元PID的控制效果做一个对比，采用“Mux”功能模块可以在同一个示波器器显示多条曲线，将这几种控制算法的仿真

45、波形绘制在同一个示波器里，可得到如下波形图，黄色代表解耦控制，紫色为PID控制，红色表示自适应模糊PID控制，绿色代表自适应单神经元PID 图4.26 五种控制算法仿真波形对比在matlab中调用per()可以求各个控制算法的具体指标 ，表4.5.1 温泉液位控制具体指标控制算法性能指标解耦PID模糊PID单神经元PID超调量(%)-10404758上升时间(s) 7.411.69.610.4调节时间(s) 45.2163.2121.3154.6稳态误差(cm) 0.120.0030.0020.002 表4.5.2 温泉温度控制具体指标控制算法性能指标解耦PID模糊PID单神经元PID超调量(

46、%) -75485056上升时间(s) 1412.37.812.1调节时间(s) 32145.8126.8146.3稳态误差() 0.750.0040.0010.002由以上量表对比分析可知，单独使用解耦控制的调节效果并不理想，超调量太大，不发达到设定值；PID调节的调节时间过长，稳态误差较大；单神经元PID调节稳态误差较小，但是调节时间过长；模糊PID调节的上升时间较小，精度也比较高。综上所述，模糊PID的控制效果由于其他几种控制算法。与池中的温度受季节、散热等因素影响，人进入浴池也会对浴池液位造成一定的影响，因此在各个仿真框图中加入0.1的干扰，其波形收到干扰后悔发生一定的变化，各个性能指

47、标也会受到影响，其波形图如下所示图4.27 加入干扰后波形对比表4.5.3 温泉液位控制具体指标控制算法性能指标解耦PID模糊PID单神经元PID超调量（%） 1851 8368上升时间（s） 5.810.2 11.611.6调节时间（s） 21167.3 136.2156.3稳态误差（cm） 0.180.003 0.0030.002表4.5.4 温泉温度控制具体指标控制算法性能指标解耦PID模糊PID单神经元PID超调量(%) -70 57 6062上升时间(s) 5.811.8 810.4调节时间(s) 27146.7 127.2148.5稳态误差() 0.70.03 0.040.02由以

48、上对比波形可以看出，模糊PID的抗干扰能力并不强，综合考虑反而是PID调节和单神经元PID调节的控制效果最好。4.6 Smith预估器原理及仿真4.6.1 Smith预估器原理Smith控制的工作原理是将被控对象在基本扰动作用下的动态特性，简化为一个纯迟延与一个一阶惯性环节相串联的数学模型，预估器根据这个输入的数学模型，预先估计出所采用的控制作用对被控量的可能的影响，而不必等到被控量有所反映之后再去采取控制动作，这有利于改善控制系统的动态性能。当采用单回路控制系统时，如图下图所示，控制器的传递函数为 图4.28 单回路控制系统原理图当被控对象的传递函数为时，从设定值作用至被控变量的闭环传递函数

49、是 （4.6-1）扰动作用至被控变量的闭环传递函数是 （4.6-2）如果以上两式特征方程中的项可以消除，则迟延对闭环极点的不利影响将不复存在。Smith预估补偿方案主体思想就是消去特征方程中的项。实现的方法是把被控对象的数学模型引入到控制回路之内，设法取得更为及时的反馈信息，以改进控制品质。Smith预估补偿控制系统如下图所示。 图4.29 smith预估器原理 上图中是被控对象除去纯迟延环节后的传递函数,是Smith预估补偿器的传递函数。假若系统中无此补偿器，则由控制器输出到被控量之间的传递函数为 （4.6-3）式（5.6-3）表明，受到控制作用之后的被控量要经过纯迟延之后，才能返回到控制器。若系统采用预估补偿器，则控制器与反馈到控制器的之间的传递函数是两个并联通道之和，即 （4.6-4）为使控制系