基于fuzzypid控制器的双容水箱液位控制系统仿真设计说明书.docx

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基于fuzzypid控制器的双容水箱液位控制系统仿真设计说明书

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：

其中

分别为水箱的底面积，

为水流量，

为阀门1、2的阻力，称为液阻或流阻，经线性化处理，有：

。

则根据物料平衡对水箱1有：

拉式变换得：

对水箱2：

拉式变换得：

则对象的传递函数为：

其中

为水箱1的时间常数，

水箱2的时间常数，K为双容对象的放大系数。

若系统还具有纯延迟，则传递函数的表达式为：

其中

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

3.1.1PID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：

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。

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对控制器参数的要求。

图3.2为模糊PID控制的系统结构图。

图3.2模糊PID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，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

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电子工业，2003，9

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