基于模糊自適應pid算法的液位控制系統設計—-文庫吧

【正文】 ....................................................................... 28 5 串級控制系統 ..................................................................................................................... 29 串級控制 ............................................................................................................... 29 串級系統的特點及適用場合 ........................................................................ 29 主、副調節器的選擇 .................................................................................... 30 數學模型的建立 ................................................................................................... 30 MATLAB 仿真 ...................................................................................................... 33 設備的連接和相關檢查 ................................................................................ 34 模糊 PID 在液位控制系統中的應用 ................................................................... 36 參考文獻 .................................................................................................................................... 41 致謝 ............................................................................................................................................ 43 V 附錄 ............................................................................................................................................ 44 1 1 緒論 液位控制的研究背景 液位控制是工業中常見的過 程控制， 是自來水廠、化肥廠、鍋爐廠、煉鐵廠水處理等系統的重要環節， 它對生產的影響不容忽視。 它直接影響到產品的質量及經濟效應。但這些系統普遍存在著非線性、參數時變、耦合、隨機干擾、數學模型難以建立等特點。由于液體本身 的 屬性及控制結構摩擦、噪聲等的影響，控制對象具有一定的純滯后和容量滯后的特點，液位上升過程緩慢，呈非線性。所以，液位控制裝置的可靠性與控制方案的準確性是影響整個系統性能的關鍵。采用傳統的 PID 或單一的控制方法難以滿足現場控制性能的要求，其效果并不理想，系統響應的調節時間也較長。因此，對具有非線性、 參數時變、純滯后的控制對象的控制策略的研究，找到一個好的控制策略，提高整個系統的控制水平，具有非常重大的意義。 過程控制的概述及發展 工業自動化 涉及到很多內容，具有很多分支 ， 而 過程控制（ process control）可以說是工業自動化 分支 中最重要的一個 。它主要所謂六大參數，即溫度、壓力、流量、液位 (或物位 )、成分和物性等參數的控制問題。它覆蓋許多工業部門，諸如石油、化工、電力、冶金、輕工、紡織等等，因而，過程控制在國民經濟中占有極其重要的地位。 過程控制具有以下特點： 被控過程復雜多樣 工業生產是多種 多樣的，生產過程本身大多比較復雜，規模大小不同，生產的產品千差萬別，因此過程控制的被控過程也是多種多樣。生產過程中充斥著物理變化、化學反應、生化反應，還有物質和能量的轉換盒傳遞，生產過程的復雜性決定了對它進行控制的艱難程度。 對象動態特性純在滯后和非線性 生產 的過程許 多是在 很大 的生產設備 的 內 部 進行，例如，熱工程中鍋爐、換熱器、動力核反應堆等，對象的儲存能力大，慣性也較大，設備內介質的流動或熱量傳遞都存在一定的阻力，并且往往具有自動轉向平衡的趨勢。因此，當 流入（流出）對象的質量、能量等屬性發生改變時，由于 存在慣性、阻力等因素，被控參數不能馬上 產生響應，這種現象稱為純滯后。一般來說，熱工過程大多具有較大的滯后，它對任何信號的響應都會延遲一些時間，使輸出 /輸入之間產生相移，容易引起反饋匯入產生振蕩，對自動控制會產生十分不利的影響。同時大多數生產過程都具有非線性特性，因此弄清楚非線性的原因及非線性的實質是極為重要的。 基于模糊自適應 PID 算法的液位控制系統設計 2 3 過程控制方案豐富多樣 由于工業過程的復雜性和多樣性，決定了過程控制系統的控制方案的多樣性。為了滿足生產過程中越來越高的要求，過程控制方案也也來越豐富。通常有單變量控制系統，也有多變量控制系統；有常 規儀表過程控制也有計算機集散控制系統；有提高控制品質的控制系統也有實現特殊工藝要求的控制系統；有傳統的 PID 控制，也有先進的控制系統，例如自適應控制、預測控制解耦控制和模糊控制等。 4 過程控制系統有規范化的過程檢測控制儀表組成 過程控制系統由過程檢測、變送和控制儀表、執行裝置的組成，通過各種類型的儀表完成對過程變量的檢測、變送和控制，并經執行裝置作用于生產過程。傳統的簡單過程控制系統是由過程檢測控制儀表（包括測量元件、變送器、調節器和執行器）組成和被控過程連接部分組成，從過程控制的基本組成來看，過程控制系統 總是包括對過程變量的檢測變送、對信號的控制運算和輸出到執行裝置，完成所需操縱變量的改變，從而達到所需的控制指標。 課題研究意義和背景 隨著工業生產水平的 快速 發展，人們對控制系統的精度、響應速度、穩定性和適應能力的要求也越來越苛刻 ，然而實際工業生產過程中的 系統往往 具有非線性、時變性、滯后性等特點。 在 這些因素的影響 下 ，系統難以建立精確的數學模型， 更別說確定 控制器的參數。因此 研究 非線性、時 滯對象的先進控制策略， 對 提高系統的控制水平具有重大意義。 液位控制是工業生產 過程中經常會碰 到的控制對象，由于液體本身屬性及控制 機構磨擦、噪聲等的影響，控制對象具有一定純滯后和容量滯后的特點，液位上升過程緩慢，呈現非線性。因此，液位控制裝置的可靠性與控制方案的準確性是影響整個系統性能的關鍵 [3]。雖然模糊控制與 PID 控制是工業控制中兩種常用的控制方法，然而，隨著工業控制系統的復雜程度及對控制精度要求的日益提高，單一的模糊控制或 PID 控制已無法適應并滿足控制系統對復雜程度和控制精度的要求 [4]。 為此，本設計決定 研究 模糊 PID控制 在液位系統中的應用 。模糊 PID控制就是將模糊控制思想與常規 PID 控制器相結合，吸收了模糊控制與常規 PID控 制兩者的優點。它以傳統 PID控制器為基礎，引入模糊集合論，將 PID 參數根據偏差和偏差變化值的大小而動態變化，這樣顯然更符合被控對象真實的控制規律，使模糊控制得到更廣泛的應用。它是解決 PID參數在線調整問題一種有效方法，比常規 PID 控制器控制性能好，可靠性更高 。 3 2 液位控制實現所需的硬件與軟件介紹 系統所需的硬件和軟件 構造一個雙容水箱液位控制系統所需的硬件有： AE2021A型實驗對象控制臺、壓力傳感器、電動調節閥（執行機構）、遠程數據采集模塊 ICP701 ICP7024。軟件包括： MCGS組態軟件、 MATLAB等。 系統的設計目的及流程 本課題主在研究基于模糊 PID 自適應算法在液位控制系統的應用研究，在 MATLAB 仿真 的基礎上，研究模糊 PID 算法，并通過 AE2021A過程控制實驗系統的雙容水箱液位系統，借助于 MCGS組態軟件，在計算機控制系統上實現對模糊 PID 控制策略的研究。 水 位控制系統 的 流程框圖如圖 21所示， 把 儲水槽中的水 通過水泵來輸 出，上水箱 的 進水 的 流量由電動調節閥來調節 ， 同時對上水箱和下水箱的水位進行雙閉環串級控制，使下水箱的水位保持不變，同時通過液位傳感器對上水箱、下水箱的水 位進行實時的測 量。 液位控制系統流程框圖 如圖 21： 圖 21液位控制系統流程框圖 AE2021A 型過程實驗系統的介紹 AE2021A型過程控制實驗裝置是根據工業自動化及相關專業教學特點，吸取了國外同類裝置的優點 ，并與工業自動化現場緊密聯系，采用了工業上廣泛使用并處于領先的 AI 智能儀表加組態軟件控制系統、 DCS(分布式集散控制系統 )，經過精心設計 而 推出的一套基于本科 學習 ，著重于研究生教學的實驗設備。整 套 系統實用美觀，功能多樣， 操作 方便，既能進行驗證性 與 設計性實驗， 還能 進行 綜合性實驗，可以滿足不同層次的教學和研究要求 [5]。 AE2021A過程控制實驗裝置中的水位控制包括有：蓄 水箱（長寬高： 850 450 400mm）、以透明有機玻璃為材料的 上水箱（Ф 250 370mm）、下水箱（Ф 250 270mm） 、管道 等 相應的 裝置。 主調節器 副調節器 電動調節閥 上水箱液位 液位 液位傳感器 1 液位傳感器 2 下水箱液位 液位 擾動 擾動 給定值 + — — + 基于模糊自適應 PID 算法的液位控制系統設計 4 雙容水箱如圖 22： 圖 22 雙容水箱 其中，本 系統 使用的 動力支路由單相 水泵、電動調節閥、渦輪流量計 、不銹鋼管道和需通過 手動 來 切換 的多個閥門組成。 對象 AE2021A型實驗裝置 結構圖 ， 如圖 23 所示： 5 圖 23AE2021A系統結構圖 其中實驗裝置 中 包含一些檢測變送的元件和 執行 的元件。例如，液位 、溫度 等相應的傳感器，以及 渦輪 、電磁等流量計，還有 壓力 測量表、電動調節閥和 電磁閥等。 本課題所必須用到的 元件分別為：液位傳感器和電動調節閥。 （ 1） 液位傳感器 工作原理： 當被測介質（液體）的壓力作用于傳感器時，壓力傳感器將壓力信號轉換成電信號，經歸一化差分放大和輸出放大器放大，最后經 V/A電壓電流轉換器轉換成與被測介質（液體）的液位壓力成線性對應關系的 4~20mA標準電流輸出信 號 [5]。 接線如圖 24 所示： 基于模糊自適應 PID 算法的液位控制系統設計 6 圖 24 液位傳感器 接線說明：傳感器的端 子位于中繼箱內，電纜線從中繼箱的引線口接入，直流電源 24V+接中繼箱內正（ +），中繼箱內負（ — ）接負載電阻，負載電阻接 24V，輸出 4~20mA 電流信號，通過負載電阻轉換成電壓信號，兩線制接法。在負載電阻 250/50Ω兩端取信號電壓，當負載電阻接 250Ω時信號電壓為 1~5V，當負載電阻切換成 50Ω時信號電壓為 ~1V。 零點和量程調整：零點和量程調整電位器位于另一側的中繼箱內。校正時打開中繼箱蓋，即可進行調整，左邊的（ Z）調零電位器，右邊的（ R）調增益電位器。 （ 2） 電動調節閥 工作原理：電動調節閥接受 0~10mA/4~20mA/ 0~5V/1~5V等控制信號，改變 調節 閥的開度，實現對壓力、溫度、流量、液位等參數的調節。 電動調節閥，如圖 25： 圖 25 電動調節閥 （ 3） 遠程數據采集模塊： ICP701 ICP7024 亞當 ICP7017模塊面板如圖 26所示， 24V供電，提供了 4通道的輸入端口， A/I0， A/I1， A/I2， A/I3。 7 圖 26 遠程數據采集模塊 ICP7017 ICP7024 模塊面板如圖 27 所示， 24V供電，提供了 4通道的輸出端口， A/00， A/01， A/02， A/03。 圖 27 遠程數據采集模塊 ICP7024 每一通道根據功能表可輸入允許范圍的電壓或電流，支持 485 通訊 [5]。 MCGS 組態軟件介紹 MCGS(Monitor and Control Generated System)嵌入版組態軟件是北京昆侖通泰自動化軟件科技有限公司專門開發用于 mcgsTpc的組態軟件，主要是用來現場數據的采集與監控，前端數據的處理與控制。 同時 MCGS 嵌入版組態 軟件能夠與其他的相關的硬件設備結合，可以快速、方