基于模糊自適應pid算法的液位控制系統設計—(存儲版)

　　

【正文】 ????????????????????dxccdxdcxbbxabaxx若若若1a)(? （ 48） 分布曲線如圖 44。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”。 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。 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。 (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。 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。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。調節時間是衡量控制系統快速性的一個指標 [12]。 動態指標能夠比較直觀的反映控制系統的過度過程特性。 （ 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。 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。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。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]。 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) 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。 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。 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。 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 。 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。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 。 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。 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 。 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 。 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。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。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]。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。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。 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。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。在 MCGS 組態軟件運行環境中實現對雙容水箱液位控制系統的 液位控制 ， 并通過 MCGS 組態軟件記錄、采集相應的數據，在 這些數據的基礎上分析、總結模糊 PID 的控制效果。 本文通過對 AE2021A 型過程控制裝置中的雙水位控制系統的分析，建立相對應的模糊 PID 控制策略，對雙容水箱進行串級控制，其中主控調節器采用模糊 PID 控制 ，副控調節器 采用常規 PID 控制。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。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。 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。 為此，本設計決定 研究 模糊 PID控制 在液位系統中的應用 。 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。 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。 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。 (6) 能夠支持各種用于現場采集、數據處理和控制的設備。 9 圖 29 MCGS 組態 系統的構成關系 由 MCGS 系統生成的用戶應用系統，其結構主要由 主控窗口、 用戶窗口 、 設備窗口、實 時 數據 庫和運行策略五個部分構成 [1]，如下圖 210 所示。如圖 213 圖 213 實時數據庫的建立 在完成實時數據褲的創建之后，開始在運行策略窗口里編寫腳本程序如圖 214： 基于模糊自適應 PID 算法的液位控制系統設計 12 圖 214 運行策略窗口 最后進行動畫連接，對這些圖形對象進行動畫設計，真實的描述外界對象的狀態變化，達到過程實 時監控的目的。 Simulink 是 MATLAB 的一個 重要 分支產品， 它的 主要 功能就是實現對工程的模型化以及對工程的 動態仿真。 基于模糊自適應 PID 算法的液位控制系統設計 14 3 PID 控制系統 PID 控制概述 在 實際 的工程 中， 比例 、 積分 、 微分 控制 是在工業工程當中應用最多的調節器控制規律 ，簡稱PID控制，又稱 PID調 節。 PID控制具有以下的優點： 1. 原理簡單， PID控制是有 P、 I、 D三個環節的通過不同的組合而成，可以單獨的使用 P 控制，也可以同時進行 PI 控制或 PID 控 制。 15 圖 31 比例調節器控制框圖 其特征方程式為： 0)()(1)( ??? shsgksd P ? ?23? 積分（ I）調節 具有積分控制規律的控制稱為積分控制，即 I 控制， I 控制的傳遞函數為： sksg IC ?)( ? ?33? 其中， Ik 稱為積分系數。它的結構框圖如圖 32： 圖 32 PID 結構框圖 其 中 輸出信號為： dt tdeKdtteTKteKtu PtiPP )()()()(0???? ? ? ?93? 其 傳遞函數為 ： s sTsTTKsE sU iiiP 1)( )(2 ??? ? ? ?103? PID控制 跟 PI控制相比，它不但結合了前者的優點，還通過加入微分作用，能夠很好的改善系統的動態性能，如減少系統的超調量， 加快響應速度，減少調節時間。為了避免這種情況的發生，因而產生了增量型 PID 算法。若 Kp太小，又會使系統變 緩慢。 PID 參數 的 整定 PID 控制器的參數整定是控制系統設計的核心內容。三種方法各有其特點，其共同點都是通過試驗，然后按照工程經驗公式對控制器參數進行整定。 這也 是 能夠 保證 PID 控制有效的 一個 重要環節。 其 控制 的效果一般通過 誤差平方的積分值函數來表示，即： 模擬控制度?????????????????0202)()(edttedtt DDC （ 315） 當控制度為 時，認為二者控制效果相當。常用控制理論中的離散系統穩定性分析方法來分析穩定性，用穩定裕量來衡量穩定程度。因此，調節時間就是從擾動開始到被調量進入新穩態值的士 5％范圍內的這段時間。 模糊控制實質上是一種非線性控制 ,屬于智能控制的一種 。 (2)知識庫 模糊化 知識庫 模糊推理 去模糊化 控制對象 輸入 輸出 基于模糊自適應 PID 算法的液位控制系統設計 22 知識庫中包含了具體應用領域中的知識和要求的控制目標，它通常由數據庫和控制規則庫兩部分組成 [8]。模糊規則是設計模糊控制器的核心， 建立模糊控制規則的常用方法是經驗歸納法。這種方法的優點是能夠突出主要信息，簡單易行，度較小的論域元素求一般的系統中。與第一種方法相比，中位數法概括了更多的信息，但計算比較復雜，特別是