开题报告(基于模糊PID的液位控制系统设计)

1、题目基于模糊PID的液位控制系统设计 本选题的意义及国内外发展状况研究目的和意义人们生活以及工业生产经常涉及到液位和流量的控制问题，例如饮料、食品加工，居民生活用水的供应，溶液过滤，污水处理，化工生产等多种行业的生产加工过程，通常要使用蓄液池。位需要维持合适的高度，这就需要用到液位控制系统。不仅如此，液位控制系统也是工业过程中的一种典型控制系统，特别是在动态的状态下，采用适合的方法对液位进行检测、控制，能收到很好的生产效果，如蒸馏塔中液位控制的精度可直接影响产品的质量，锅炉等高压设备中液位控制的精度则于生产安全紧密相关。由此可见，液位控制不论对人们的生活还是工业发展皆具有非常重要的意义。液位控

2、制系统是一种可以模拟多种对象特性的实验装置。常规的PID控制器在非线性时变，滞后较大的系统中鲁棒性不强，控制效果不理想。而模糊PID控制器既具有模糊控制灵活而适应性强的优点，又具有常规PID控制精度高的特点，在工业控制中得到广泛的应用。本设计以单水箱液位控制系统为研究对象，结合模糊控制和PID控制方法设计液位控制器，同时针对液位控制过程中存在的滞后现象，利用Smith预估方法进行补偿以消除滞后影响。1.2国内外发展情况PID控制器问世至今凭借其结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便等优点成为工业控制的主要技术之一。常规的PID控制器在非线性时变，滞后较大的系统中鲁棒性不强，控制效果不理想1。而

3、模糊PID控制器既具有模糊控制灵活而适应性强的优点，又具有常规PID控制精度高的特点，在工业控制中得到广泛的应用。目前，PID控制及其控制器或智能PID控制器（仪表）已经很多，产品已在工程实际中得到了广泛的应用，有各种各样的PID控制器产品，各大公司均开发了具有PID参数自整定功能的智能调节器（intelligentregulator），其中PID控制器参数的自动调整是通过智能化调整或自校正、自适应算法来实现。有利用PID控制实现的压力、温度、流量、液位控制器，能实现PID控制功能的可编程控制器（PLC），还有可实现PID控制的PC系统等等。还有可以实现PID控制功能的控制器，如Rockwel

4、l的Logix产品系列，它可以直接与ControlNet相连，利用网络来实现其远程控制功能。针对液位控制系统，许多文献进行了报道，文献2采用模糊PID控制方法对单容水箱的液位控制系统进行了设计；文献5外文采用自适应模糊PI控制方法对耦合水箱的液位控制系统进行了设计；文献7采用模糊自整定PID控制方法对三容水箱的液位控制系统进行了设计等等。近些年，模糊PID控制成为控制理论研究领域的一个热点。模糊PID优点：模糊控制是以先验知识和专家经验为控制规则的一种智能控制技术，可以模拟人的推理和决策过程，尤其适用于模型未知的，复杂的非线性系统的控制。将模糊控制与常规PID控制相结合，利用模糊推理的思想，对

5、PID控制的参数进行在线整定，构成模糊PID控制。该控制方法可改善系统的动静态性能，提升控制效果。然而，Smith预估在液位控制系统中的应用较少，但在温度控制系统中应用较多。例如文献8采用的是模糊PID控制器，将Smith预估器加入到时滞系统中，并对Smith预估控制进行了改进，主要针对被控对象与预估器模型参数不匹配时,提出了对预估器反馈通道上的一阶惯性环节时间常数采用九点控制进行自整定，提高了系统的性能。本文则利用Smith预估补偿方法来处理液位控制系统的滞后现象。本设计与上述文献的不同之处，一：被控对象的不同，本文不仅研究了被控对象无滞后的情况，同时还研究了被控对象存在滞后的情况；二：方法

6、的不同，本设计则将PID控制、模糊控制和Smith预估方法有效结合起来，提出了一种适用于工程应用的液位控制系统设计方法。研究内容本设计针对水箱液位控制系统设计模糊PID液位控制器,主要工作内容包含以下几点：液位控制系统的建模水箱液位控制系统是一个简单控制系统，所谓简单液位控制系统通常是指由一个被控对象、一个检测变送单元（检测元件及变送器）、以个控制器和一个执行器（控制阀）所组成的单闭环负反馈控制系统，也称为单回路控制系统1。简单控制系统有着共同的特征，它们均有四个基本环节组成，即被控对象、测量变送装置、控制器和执行器。股控变殖操纵变量测吐变迭器控制需I图4水箱液位控制系统的原理框图这是单回路水

7、箱液位控制系统，单回路调节系统一般指在一个调节对象上用一个调节器来保持一个参数的恒定，而调节器只接受一个测量信号，其输出也只控制一个执行机构。2.2液位控制系统的模糊PID控制器设计;PID控制器传递函数的一般表达式为：Gc(s)=K+K/s+K-sPidK为比例增益；K为积分增益；K为微分增益。Pid调整PID参数，以满足系统要求，从而使被控对象有更优良的动态响应和静态响应。图2模糊控制器结构框图模糊控制有以下优点：模糊控制是一种基于规则的控制，它直接采用语言型控制规则，出发点是现场操作人员的控制经验或相关专家的知识，在设计中不需要建立被控对象的精确的数学模型，因而使得控制机理和策略易于接受

8、与理解，设计简单，便于应用。由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。基于模型的控制算法及系统设计方法，由于出发点和性能指标的不同，容易导致较大差异；但一个系统语言控制规则却具有相对的独立性，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。模糊控制是基于启发性的知识及语言决策规则设计的，这有利于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。模糊控制系统的鲁棒性强，干扰和参数变化对控制效果的影响被大大减弱，尤其适合于非线性、时变及纯滞后系统的控制。传

9、统的常规PID控制方式是根据被控制对象的数学模型建立，虽然它的控制精度可以很高，但对于多变量且具有强耦合性的时变系统表现出很大的误差。模糊PID控制器是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12。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e以及当前的偏差变化ec，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13。总的来说，模糊PID是通过模糊逻辑算法整定出来PID三个参

10、数，具有自适应的特性，PID三个参数会应外界环境变化自动调节，以保证控制系统的稳定性，而传统的PID三个参数设定后是不变，不具备自适应的特性。模糊PID是一种智能PID，在工程已经成功应用,效果还比较理想142.3基于Smith预估的模糊PID液位控制器设计；曲S)图3预估控制系统原理框图在工业控制系统中，时滞是每个控制系统必然存在的部分，也就是说控制器的输出到被控对象有延时，被控对象的输出反馈回给控制器还有延时，只是延时有大小而已，一般情况下在工业控制中我们把大多数的控制对象都用一阶或者二阶系统来近似，因为它们分析起来简单而且能近似的模拟被控系统，带有时滞和惯性的被控对象的表达式可以为如下两

11、种：g(5=(i4-ixj+d在上式中，为增益，T为时间常数，kseT-为时滞因子，T为时滞因子的时间常数，上面曾提到时滞的大小，它是以/Tt的大小来衡量的，如果/0T.3t，则为大时滞系统，如果/0T.3t,则为一般时滞系统。时滞系统是一个令人头疼的事情，因为正常的控制器输出给被控对象，它需要延时一段时间才反应给反馈环节，所以它不好控制，然而smith预估器对于时滞系统具有一定的补偿作用，它能补偿时滞因子，从而使特征方程不含有指数项，性能大为改善。Smith预估控制对于时滞系统具有良好的控制作用，它在估计对象动态特性的基础上，用一个预估模型进行补偿，从而得到一个没有时滞的被调节量反馈到控制器

12、。Smith预估控制最大的优点是将时滞环节移到了闭环之外，最大的缺点是过分依赖精确的数学模型。设PID控制器传递函数为Gc(s),则Smith预估补偿控制系统结构如图4所示:系统闭环传递函数为：Y(s)=C(s)R(s)=Gc(s)Go(s)l+Gc(s)Go(s)e-TS其等效结构图如图5所示：图4Smith预估补偿系统结构图5Simth预估补偿系统等效结构可见，加入Smith预估补偿控制器后，可等效看成把被控对象的纯滞后部分e-ts和其线性部分Go(s)分开，并移到闭环系统之外,对输出C(s)的控制转换为对C的控制,从根本上消除了过程纯滞后的影响，提高了控制性能。利用Smith控制能克服延

13、迟的影响的有效性，考虑到模糊控制具有对被控对象模型参数变化不敏感的优点，以及PID控制器的参数应该对系统的参数变化具有自适应能力,可将模糊控制与Smith控制方法结合起来，能极大的提高控制性能。其结构图如图6所/示O设计思路建立液位控制系统的水箱的数学模型，本设计采用的是单水箱液位控制系统。针对液位控制系统，先加入PID控制，用MATLAB/Simulink工具对该液位控制系统进行数值仿真，记录数据；再加入模糊控制，选取合适的隶属度函数，制定模糊PID控制规则，进行模糊PID控制器设计，用MATLAB/Simulink工具对该液位控制系统进行数值仿真，记录数据，并与第一组数据进行比较分析；（4

14、）接着，为消除时滞的影响，在系统中加入Smith预估控制，进行Smith预估的模糊PID控制器设计，用MATLAB/Simulink工具对该液位控制系统进行数值仿真，记录数据，并与第二组数据进行比较分析；4预期成果和进度安排预期成果完成液位控制系统建模并利用MATLAB进行仿真，分析比较并验证所设计的控制器的有效性，得出结论，完成整个设计和仿真后撰写论文，做好时间安排。4.2进度安排第1周第3周:收集资料，确定设计方案，翻译外文资料。消化文献资料，完成文献综述。确定自己所采用的方案和方案中拟解决的关键技术问题。第4周第6周:熟悉液位控制系统应用背景、原理。第7周第8周:完成液位控制系统的建模。

15、第9周第11周：设计液位控制系统的模糊PID控制器。第12周第13周：完成模糊PID控制系统的数值仿真。第14周第15周：撰写毕业设计论文。第16周：毕业答辩准备和答辩。参考文献S.N.GubranDahmas.基于模糊PID控制器的双容液位控制系统研究D.大连:大连理工大学,2015.李兵.模糊PID液位控制系统的设计与实现D.大连:大连理工大学,2006.Q.Meng,Q.Wang.DesignoffuzzycontrollerforliquidlevelcontrolsystembasedonMATLAB/RTWA.20132ndInternationalConferenceonMeas

16、urement,InformationandControl,2013:1090-1094.A.Basgi,A.Derdiyok.ImplementationofanadaptivefuzzycompensatorforcoupledtankliquidlevelcontrolsystemJ.Measurement,2016,91:12-18.金以慧过程控制M.北京：清华大学出版社,2008:103122.劳深，付凯波，高国章.双容水箱液位控制系统的设计J.交通科技.2011.3.赵科.三容水箱的模糊自整定PID控制J.电力科学与工程，2007,23(1)：33-36.张连会.基于Smith预估器的模糊PID温度控制算法研究J.哈尔滨工业大学2012.6.姚松，蒋念平.基于模糊控制理论的PID控制器的仿真研究J.计算机系统应用,2011,10(20):125-128苗敬利，李华德模糊控制和传统PID控制的仿真研究J.微计算机信息,200