基于模糊自適應pid算法的液位控制系統設計—(文件)

　

【正文】 9 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。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。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。 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。 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。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。 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。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。軟件包括： MCGS組態軟件、 MATLAB等。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]。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。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。 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。 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、方便的開發各種用 型號 功能 I7107 模 擬 量 輸 入 分辨率 16bit 輸入通道 8 路差動 采樣率 10Hz 電壓輸入 +/150mV +/500mV +/1mV +/5V +/10V 電流輸入 +/20mA 型號 功能 I7024 模 擬 量 輸 出 分辨率 14bit 輸出 通道 4 路差動 電壓輸出 +/10V +/5V 0~10V 0~5V 電流輸出 0~20mA 4~20mA 基于模糊自適應 PID 算法的液位控制系統設計 8 于現場采集、數據處理和控制的設備。 (3) 多媒體畫面生動、豐富，能夠為使用人員及時的提供相關實時信息。 MCGS 組態軟件的構成 MCGS組態系統由組態環境、運行環境兩大 部分 組成 。運行環境本身沒有任何意義，必須與組結果數據庫一起作為一個整體，才能構成用戶應用系統。 圖 210 MCGS 系統結構 MCGS 的設計 首先，建立一個新的工程，用鼠標單擊“新建工程”選項，如果 MCGS 安裝在 D 盤根目錄下，則會在 D： \ MCGS\WORK\下自動生成新建工程，如圖 211： MCGS 主控窗口 設備窗口 運行策略 實時數據庫 用戶窗口 系統菜單 系統參數 啟動參數 設備構件n 設備構件1 動畫構件 圖符 數據對象 圖元 退出策略 循環策略 啟動策略 存盤處理 警報處理 自定義策略 組態環境 ： 組態生成 應用系統 運行環境： 解釋執行 組態結果 組 態結果 數據庫 。數據對象是構成實時數據庫的基本元件，建立實時數據庫的過程也就是定義數據庫對象的處理過程。 MATLAB 仿真軟件 MATLAB 是 MATrix LABoratory（矩陣實驗室）的縮寫，它自從 1984 年由美國 Math Works公司推出以來，經過不斷改進和發展，現已成為國際公認的優秀的工程應用開發環境。 （ 2） 具有強大的數據處理和科學計算能力 [2] MATLAB 仿真軟件包含 600 多個工程 當 中 經常 要用的數學計算函數，可以 滿足 用戶所想要 的各種計算功能。在 當前 模型化流行 的背景下， Simulink 正好體現了這種模塊化的設計思想，讓 建模和 仿真 變得十分簡單 。 Simulink 提供 了 一個系統建模、仿真和綜合分析的環境。 PID控制器的提出到現在 已有近 70多 年 的 歷史 了，它憑借著 簡單 的結構、良好的穩定性和可靠性，而且 調整方便 等特點，使之 成為工業控制的主要技術之一。 PID控制器就是根據系統的誤差，利用比例、積分、 微分計算出控制量進行控制的。 2. 適應性強，應用廣泛，在化工、熱工、冶金、煤油 等各種生產部門 都以 PID控制為主 。對穩態特性的影響，加大 kp，在系統穩定的情況下可以減小靜差 Ess，提高控制精度，但不能消除靜差 。 控制器的輸出信號為： ?? tI dttektu 0 )()( ? ?43? 或者說，積分控制器輸出信號 )(tu 的變化速率與輸入信號 )(te 成正比，即： )()( tekdttdu I? ? ?53? 積分控制往往使得系統的穩定性下降，積分時間 常數 Ti變小，會使系統震蕩次數增加，甚至不穩定，積分時間 常數 Ti 變大，則對系統動態性能的影響減小。 控制器的輸出信號為： kp g（ s） h(s) r(s) c(s) _ + 基于模糊自適應 PID 算法的液位控制系統設計 16 tdteTKteKtu iPP ??? t0 )()()( ? ?73? PI控制器可以使系統在進入穩態后無穩態誤差。 數字 PID 控制器 比例 積分 微分 對象模型 PID 控制器 r(t) e(t) u(t) y(t) 17 數字 PID控制在工業生產中是應用最廣泛的一種控制方法。 上述離散化過程中，為了 保證有足夠的精度 ，采樣周期 T 必須足夠短 。 (2) 增量型 PID 控制算法 所謂增量型 PID 是指數字控制器的輸出是控制器的增量△ u。 PID 控制參數對系統性能的影響 PID控制器的參數， Kp， Ti,Td對系統性能的影響可以歸納為以下幾個方面 （一）比例系數 Kp對系統性的影響 1． 對動態特性的影響 比例系數 Kp增大 大，使 得 系統的動作靈敏， 響應 速度加快。 2． 對穩態特性的影響 比例系數 Kp加大，系統在穩定的情況下，可以減小靜 差， 提高控制精度。 2． 對 系統 穩態特性的影響 積分控制能夠 消除系統的靜 差， 控制精度 使系統控制精度提高 。它是根據被控過程的特性確定 PID 控制器的比例系數、積分時間和微分時間的大小 [10]。由于所得到的數學模型 都是相似 的，此外，實際調節器的動態特性 往往 與理想的 調節器 的 動作規律也有 一些 差別，所以在過程控制中， 通過理論計算求得的整定參數一般 不是很可靠的， 還必須通過工程實際進行調整和修改。但無論采用哪一種方法所得到的控制器參數，都需要在實際運行中進行最后調整與完善。這樣，在實時數據庫運行時，就可以自動對其進行 PID 控制。 在調節 PID 的參數時，首先需要確定控制器參數的初始值，如果初始參數取的較好，可以為參數整定帶來不小方便。絕大多數被控對象的響應曲線如圖 33所示： 圖 33 被控對象階躍響應曲線 （ 2） 在曲線斜率最大的地方 作 一條 切線， 以此 求得 T 和τ，即 被控對象的 時間常數和純滯后時間 。 （ 4） 根據求出的 純滯后時間 τ、 時間常數 T和控制度的值，查表 31，求得 PID控制器得 KP、TI、 TD和 TS。 系統的性能可用系統的穩定性、能控性、能觀性、動態特性和穩態特性來表征，衡量系統優劣的指標通常用穩定裕量、動態指標、穩態指標和綜合指標等。 動態指標能夠比較直觀的反映控制系統的過度過程特性。峰值時間 tp ： 指響應超過其終值到達第一個峰值所需的時間。調節時間是衡量控制系統快速性的一個指標 [12]。 1965 年，美國的 模糊集合論 ； 1973 年他給出了模糊邏輯控制的定義和相關的定理。模糊控 制的一大特點是既具有系統化的理論，又有著大量實際應用背景。此外，為 了按照一定的語言規則進行模糊推理，還要事先確定輸出量的隸屬函數。 ①數據庫中包含了與 模糊控制規則及模糊數據處理有關的各種參數，其中包括尺度變換參數、模糊空間分割和隸屬度函數的選擇等。在模糊控制中，通過一組語言描述的規則來表示專家的知識，專家知識通常具有如下的形式 : IF(滿足一組條件 )THEN(可以推出一組結論 )。 (3)模糊推理 模糊推理具有模擬人的運用模糊概念進行推理的能力。②將表示在論域內的清晰量經尺度變換變成實際控制量 [8]。 ②加權平均原則 加權平均法即所謂的重心法，是模糊控制系統中應用廣泛的一種判決方法。該方法既突出了主要信息，又兼顧了其它的信息，所以顯得較為貼近實際情況，因而應用較為廣泛 [8]。 上面三種方法各自有各自的優點和缺點，在實際的運用當中，到底要采用哪 種方法 ，絕對不能一概而論，要看具體情況具體分析。模糊控制器正是根據以上的原理和方法，借助于微機、單片機或其它的數字系統來實現控制目的 [8]。其中，模糊交表示連接詞“且”，模糊并表示連接詞“或”，模糊補表示連接詞“非”。 （ 3） 隸屬函數 用 [0， 1]中的 一