基于模糊自適應pid算法的液位控制系統設計—(完整版)

　　

【正文】 ................................ 1 課題研究意義和背景 ............................................................................................. 2 2 液位控制實現所需的硬件與軟件介紹 ............................................................................... 3 系統所需的硬件和軟件 ......................................................................................... 3 系統的設計目的及流程 ......................................................................................... 3 AE2021A 型過程實驗系統的介紹 ........................................................................ 3 MCGS 組態軟件介紹 ............................................................................................. 7 MCGS 組態軟件的特點 .................................................................................. 8 MCGS 的設計 .................................................................................................. 9 MATLAB 仿真軟件 .............................................................................................. 12 3 PID 控制系統 ...................................................................................................................... 14 PID 控制概述 ........................................................................................................ 14 比例 (P)調解 ................................................................................................... 14 積分（ I）調節 ............................................................................................... 15 比例積分（ PI）調節 .................................................................................... 15 比例積分微分（ PID）調節 .......................................................................... 16 數字 PID 控制器 ................................................................................................... 16 PID 控制參數對系統性能的影響 ................................................................. 17 PID 參數的整定 ............................................................................................. 18 過程控制系統的性能指標 ................................................................................... 20 4 模糊 PID 控制系統 ............................................................................................................. 21 模糊控制概況 ....................................................................................................... 21 模糊控制中常用的數學原理 ........................................................................ 23 模糊自適應 PID 控制器的設計 ........................................................................... 25 液位控制系統中的模糊化 ............................................................................ 26 建立模糊推理規則 ........................................................................................ 26 模糊 PID 控制算法 ............................................................................................... 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。 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。 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。軟件包括： MCGS組態軟件、 MATLAB等。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。 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。 (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。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。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。 （ 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。 Simulink 提供 了 一個系統建模、仿真和綜合分析的環境。 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。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： 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。 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 。 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 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 。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。這樣，在實時數據庫運行時，就可以自動對其進行 PID 控制。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 。 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。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。 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。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。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