基于fuzzy-pid控制器的雙容水箱液位控制系統(tǒng)仿真設(shè)計(jì)說(shuō)明書

1、<p>　　基于fuzzy-pid控制器的雙容水箱液位控制系統(tǒng)仿真設(shè)計(jì)說(shuō)明書</p><p><b>　　第一章 前言</b></p><p><b>　　1.1 設(shè)計(jì)背景</b></p><p>　　雙容水箱為工業(yè)過(guò)程控制中常見(jiàn)的液位控制對(duì)象，它通過(guò)調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)閥的開(kāi)度，使上下水箱的輸入、輸出水流量相等，以便液位保

2、持不變。在水箱系統(tǒng)中，上、下位水箱的水量變化存在延時(shí)，而外界的干擾又會(huì)導(dǎo)致增益、延時(shí)的變化。針對(duì)液位控制過(guò)程中存在大滯后、時(shí)變、非線性的特點(diǎn)，為適應(yīng)復(fù)雜系統(tǒng)的控制要求，人們研制了種類繁多的先進(jìn)的智能控制器，模糊PID控制器便是其中之一，模糊PID控制結(jié)合了PID控制算法和模糊控制方法的優(yōu)點(diǎn)，可以在線實(shí)現(xiàn)PID參數(shù)的調(diào)整，使控制系統(tǒng)的響應(yīng)速度快，過(guò)渡過(guò)程時(shí)間大大縮短，超調(diào)量減少，振蕩次數(shù)少，具有較強(qiáng)的魯棒性和穩(wěn)定性，在模糊控制中扮演著十分

3、重要的角色 </p><p><b>　　1.2 設(shè)計(jì)意義</b></p><p>　　PID控制是生產(chǎn)過(guò)程中最普遍使用的控制方法，在冶金、機(jī)械、化工等行業(yè)獲得廣泛應(yīng)用。隨著工業(yè)生產(chǎn)和現(xiàn)代化科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，各個(gè)領(lǐng)域?qū)ψ詣?dòng)控制系統(tǒng)控制性能的要求越來(lái)越高。實(shí)際的工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中往往具有非線性、時(shí)變性等不確定的干擾，常規(guī)PID控制器經(jīng)常出現(xiàn)參數(shù)整定不良、控制性能欠佳且適應(yīng)

4、性較差等缺點(diǎn)。</p><p>　　模糊控制可以把人類語(yǔ)言表述的控制策略，通過(guò)模糊集合和模糊邏輯推理轉(zhuǎn)化成數(shù)字或數(shù)字函數(shù)，再用計(jì)算機(jī)去實(shí)現(xiàn)既定的控制。常規(guī)的模糊控制缺少積分環(huán)節(jié)，加之模糊控制器特有的量化過(guò)程，模糊控制是存在靜態(tài)誤差的，而通過(guò)給模糊控制器并聯(lián)積分器成功地消除了靜態(tài)誤差。</p><p>　　智能控制與常規(guī)PID控制相結(jié)合，形成了智能PID控制，這種新型控制器已引起人們的普遍關(guān)

5、注和極大興趣，并已得到較為廣泛的應(yīng)用。模糊PID控制可以根據(jù)系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)在線整定PID控制器參數(shù)，使系統(tǒng)的運(yùn)行性能有很大的提升。</p><p>　　本設(shè)計(jì)建立了串聯(lián)雙容水箱液位控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，應(yīng)用Matlab軟件對(duì)PID算法、模糊PID算法進(jìn)行了仿真。</p><p>　　第二章 被控對(duì)象的分析與建模</p><p>　　該系統(tǒng)控制的是有純延遲環(huán)節(jié)的二階雙容

6、水箱，示意圖如下圖2.1：</p><p>　　其中分別為水箱的底面積，為水流量，為閥門1、2的阻力，稱為液阻或流阻，經(jīng)線性化處理，有：。則根據(jù)物料平衡對(duì)水箱1有：</p><p><b>　　拉式變換得：</b></p><p><b>　　對(duì)水箱2： </b></p><p><b>

7、　　拉式變換得：</b></p><p>　　則對(duì)象的傳遞函數(shù)為：</p><p>　　其中為水箱1的時(shí)間常數(shù)，水箱2的時(shí)間常數(shù)，K為雙容對(duì)象的放大系數(shù)。若系統(tǒng)還具有純延遲，則傳遞函數(shù)的表達(dá)式為：</p><p>　　其中為延遲時(shí)間常數(shù)。</p><p>　　第三章 設(shè)計(jì)理論及仿真過(guò)程</p><p>　　

8、3.1設(shè)計(jì)理論及分析方法</p><p>　　3.1.1 PID控制器</p><p>　　PID控制是最早發(fā)展起來(lái)的控制策略之一，因?yàn)樗婕暗脑O(shè)計(jì)算法和控制結(jié)構(gòu)都很簡(jiǎn)單，且十分適用于工程應(yīng)用背景，此外PID控制方案并不要求精確的受控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型，且采用PID控制效果一般是比較令人滿意的，所以PID控制器是一種應(yīng)用比較廣泛的控制器。</p><p>　　工業(yè)生產(chǎn)

9、過(guò)程中，對(duì)于生產(chǎn)裝置的溫度、壓力、流量、液位等工藝變量常常要求維持在一定的數(shù)值上，或按一定的規(guī)律變化，以滿足生產(chǎn)工藝的要求。PID控制器是根據(jù)PID控制原理對(duì)整個(gè)控制系統(tǒng)進(jìn)行偏差調(diào)節(jié)，從而使被控變量的實(shí)際值與工藝要求的預(yù)定值一致。</p><p>　　模擬PID控制器的原理圖3.1如圖所示：</p><p>　　圖3.1模擬PID控制器原理圖</p><p>　　r

10、(t)為系統(tǒng)給定值，c(t)為實(shí)際輸出，u(t)為控制量。</p><p>　　PID控制器是一種線性控制器，經(jīng)過(guò)離散化處理的數(shù)字PID公式為：</p><p>　　式中：kp為比例系數(shù)；ki為積分系數(shù)；kd為微分系數(shù)。</p><p>　　比例調(diào)節(jié)作用：按比例反應(yīng)系統(tǒng)的偏差，系統(tǒng)一旦出現(xiàn)了偏差，比例調(diào)節(jié)立即產(chǎn)生調(diào)節(jié)作用用以減少偏差。比例作用大，可以加快調(diào)節(jié)，減少誤

11、差，但是過(guò)大的比例，使系統(tǒng)的穩(wěn)定性下降，甚至造成系統(tǒng)的不穩(wěn)定。 </p><p>　　積分調(diào)節(jié)作用：使系統(tǒng)消除穩(wěn)態(tài)誤差，提高無(wú)差度。因?yàn)橛姓`差，積分調(diào)節(jié)就進(jìn)行，直至無(wú)差，積分調(diào)節(jié)停止，積分調(diào)節(jié)輸出一常值。積分作用的強(qiáng)弱取決與積分時(shí)間常數(shù)Ti，Ti越小，積分作用就越強(qiáng)。反之Ti大則積分作用弱，加入積分調(diào)節(jié)可使系統(tǒng)穩(wěn)定性下降，動(dòng)態(tài)響應(yīng)變慢。積分作用常與另兩種調(diào)節(jié)規(guī)律結(jié)合，組成PI調(diào)節(jié)器或PID調(diào)節(jié)器。 </p&

12、gt;<p>　　微分調(diào)節(jié)作用：反映系統(tǒng)偏差信號(hào)的變化率，具有預(yù)見(jiàn)性，能預(yù)見(jiàn)偏差變化的趨勢(shì)，因此能產(chǎn)生超前的控制作用，在偏差還沒(méi)有形成之前，已被微分調(diào)節(jié)作用消除。因此，可以改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。在微分時(shí)間選擇合適情況下，可以減少超調(diào)，減少調(diào)節(jié)時(shí)間。微分作用對(duì)噪聲干擾有放大作用，因此過(guò)強(qiáng)的加微分調(diào)節(jié)，對(duì)系統(tǒng)抗干擾不利。此外，微分反應(yīng)的是變化率，而當(dāng)輸入沒(méi)有變化時(shí)，微分作用輸出為零。微分作用不能單獨(dú)使用，需要與另外兩種調(diào)節(jié)規(guī)律相

13、結(jié)合，組成PD或PID控制器。</p><p>　　3.1.2模糊PID控制器</p><p>　　PID控制器的參數(shù)整定是一件非常令人頭痛的事。合理的PID參數(shù)通常由經(jīng)驗(yàn)豐富的技術(shù)人員在線整定。在控制對(duì)象有很大的時(shí)變性和非線性的情況下，一組整定好的PID參數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足系統(tǒng)的要求。為此，引入了一套模糊PID控制算法。</p><p>　　所謂模糊PID控制器，即利

14、用模糊邏輯算法并根據(jù)一定的模糊規(guī)則對(duì)PID控制的比例、積分、微分系數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)優(yōu)化，以達(dá)到較為理想的控制效果，模糊PID控制共包括參數(shù)模糊化、模糊規(guī)則推理、參數(shù)解模糊、PID控制器等幾個(gè)重要組成部分。計(jì)算機(jī)根據(jù)所設(shè)定的輸入和反饋信號(hào)，計(jì)算實(shí)際位置和理論位置的偏差以及當(dāng)前的偏差變化，并根據(jù)模糊規(guī)則進(jìn)行模糊推理，最后對(duì)模糊參數(shù)進(jìn)行解模糊，輸出PID控制器的比例、積分、微分系數(shù)。</p><p>　　本設(shè)計(jì)通過(guò)PID控制

15、器實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的控制，模糊推理系統(tǒng)以誤差e作為輸入，采用模糊推理方法對(duì)PID參數(shù)kp、ki、kd進(jìn)行在線整定，以滿足不同誤差e對(duì)控制器參數(shù)的要求。圖3.2為模糊PID控制的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。</p><p>　　圖3.2模糊PID系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　模糊PID算法參數(shù)整定的原則是當(dāng)偏差e的絕對(duì)值較大，系統(tǒng)處于響應(yīng)階段，為加快響應(yīng)速度并防止開(kāi)始時(shí)偏差e瞬間變大，需取較大的kp，為了防止積

16、分飽和，應(yīng)取較小的ki，同時(shí)為了防止微分飽和，避免系統(tǒng)響應(yīng)出現(xiàn)較大的超調(diào)，應(yīng)減小微分的作用。</p><p>　　3.2 雙容水箱液位控制系統(tǒng)的仿真過(guò)程</p><p>　　為了驗(yàn)證PID模糊控制器的控制效果，用Matlab/Simulink軟件進(jìn)行仿真，通過(guò)對(duì)雙容水箱液位控制的分析，在了解其控制過(guò)程性能特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，選用其功能強(qiáng)大的MATLAB進(jìn)行仿真。MATLAB是現(xiàn)今流行的一種高性能

17、數(shù)值計(jì)算與圖形顯示的科學(xué)和工程計(jì)算軟件，基本單位為矩陣，并且矩陣的行和列無(wú)需定義，可隨時(shí)添加和修改，有極強(qiáng)的可擴(kuò)展性，主要包括主程序，SLMULINK和工具箱。</p><p>　　MATLAB/SIMULINK是一個(gè)用來(lái)對(duì)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行建模、仿真和分析的軟件包，它具有模塊化、可重載、可封裝、面向結(jié)構(gòu)圖編程及可視化等特點(diǎn)，可大大提高系統(tǒng)仿真的效率和可靠性。MATLAB的優(yōu)化工具箱中提供了一系列用于解決無(wú)約束和有約束

18、問(wèn)題的優(yōu)化函數(shù)，可以方便地用來(lái)對(duì)普通非線性函數(shù)求解極大或極小值。利用SIMULINK和優(yōu)化工具箱，用仿真與優(yōu)化有機(jī)結(jié)合以實(shí)現(xiàn)PID控制器參數(shù)的優(yōu)化。在換熱器動(dòng)態(tài)特性分析基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)簡(jiǎn)便演示程序，這樣可以方便的觀察雙容水箱液位的仿真曲線; 采用fuzzy-pid控制器的雙容水箱液位控制系統(tǒng)仿真框圖如圖4.1所示：</p><p>　　圖4.1系統(tǒng)仿真框圖</p><p>　　仿真曲線如下圖4

19、.2所示：</p><p><b>　　圖4.2仿真曲線圖</b></p><p>　　運(yùn)行仿真程序，得到如圖4.2所示的仿真結(jié)果。圖中黃線表示PID控制器仿真曲線圖，紅線標(biāo)示fuzzy-pid控制器的仿真曲線圖。從圖中可以知道，在階躍響應(yīng)下，與傳統(tǒng)PID仿真圖，fuzzy-pid控制器的仿真曲線圖的上升時(shí)間和調(diào)節(jié)時(shí)間大大縮小，超調(diào)量明顯減小，大大提高了系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能

20、。</p><p>　　本設(shè)計(jì)以雙容水箱的液位控制系統(tǒng)為被控對(duì)象，采用將常規(guī)PID控制與模糊PID控制相結(jié)合的控制策略，仿真結(jié)果表明模糊PID對(duì)液位的控制不僅具有良好的動(dòng)靜態(tài)品質(zhì)，而且具有較強(qiáng)參數(shù)時(shí)變的適應(yīng)能力。</p><p><b>　　第四章 設(shè)計(jì)總結(jié)</b></p><p>　　本次設(shè)計(jì)是對(duì)fuzzy-pid控制器的雙容水箱液位控制系統(tǒng)

21、系統(tǒng)的仿真，通過(guò)對(duì)相應(yīng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、分析及仿真，來(lái)不斷地對(duì)控制系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行整定和修改，最終使系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。</p><p>　　經(jīng)過(guò)這一周的Matlab課程設(shè)計(jì)，讓我認(rèn)識(shí)到了Matlab在各個(gè)領(lǐng)域的重要性，同時(shí)也對(duì)Matlab這門學(xué)科有了更深入地了解。這次課程設(shè)計(jì)使自己學(xué)到了很多知識(shí)，更進(jìn)一步地加深了自己對(duì)Matlab/Simulink軟件的認(rèn)識(shí)與了解。除此之外，還學(xué)到了很多在書本上所沒(méi)有學(xué)到的知識(shí)，并且提

22、高了自己查閱資料、分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力，也使自己對(duì)控制系統(tǒng)仿真的整體性有了一定的了解。</p><p>　　我覺(jué)得想要學(xué)好MATLAB是不容易的，這是一件需要持之以恒的事，必須要堅(jiān)持不懈的學(xué)習(xí)，還需要敢于開(kāi)口向別人請(qǐng)教，更需要我們勤于思考，勤于記憶，勤于動(dòng)手。程序設(shè)計(jì)是實(shí)踐性和操作性很強(qiáng)的事情，需要我們親自動(dòng)手。因此，我們應(yīng)該經(jīng)常自己動(dòng)手實(shí)際操作設(shè)計(jì)程序，熟悉MATLAB的操作，這對(duì)提高我們的操作能力非常有效

23、。</p><p>　　我的課程設(shè)計(jì)能夠順利完成，首先要感謝學(xué)校和老師能給予我們這次課程設(shè)計(jì)的機(jī)會(huì)。其次要感謝我的指導(dǎo)老師梁老師，在設(shè)計(jì)的過(guò)程當(dāng)中梁老師給予了我熱情的幫助和悉心的指導(dǎo)，在此我要向她說(shuō)聲謝謝。通過(guò)這次理論與實(shí)際結(jié)合的學(xué)習(xí)，加深了我對(duì)專業(yè)知識(shí)的學(xué)習(xí)，更重要的是鍛煉了我的能力，這次設(shè)計(jì)在不斷的復(fù)習(xí)、學(xué)習(xí)中度過(guò)，使我受益匪淺，也使我對(duì)Matlab的運(yùn)用有了進(jìn)一步的了解和掌握，也為今后的學(xué)習(xí)生活和工作打下良

24、好的基礎(chǔ)。</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　[1] 李國(guó)勇，控制系統(tǒng)數(shù)字仿真與CAD[M]，北京：電子工業(yè)出版社，2003，9</p><p>　　[2] 王丹力，MATLAB控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)仿真應(yīng)用[M]，北京：中國(guó)電力出版社，2007，9</p><p>　　[3] 薛定宇，控制系統(tǒng)仿真

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