基于模糊自適應(yīng)pid算法的液位控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)—(專業(yè)版)

　　

【正文】 （ 2）當(dāng)︱ E︱中等大小時(shí)，為了使系統(tǒng) 的 相應(yīng)超調(diào)較小，△ Kp要 取較小 一些；這時(shí) ，△ Kd對(duì)系統(tǒng)響應(yīng)影響較大， 因此 △ Kd 的 值 要取得合適 ；△ Ki也要取 適當(dāng) 的數(shù)值 。 圖 44 梯形分布 （ 4）模糊邏輯 通常將研究模糊命題的邏輯稱為模糊邏輯，它是二值 邏輯的推廣，是對(duì)經(jīng)典的二值邏輯的模糊化。通過大量的研究表明，加權(quán)平均原則比中位數(shù)原則擁有 更 好的性能，而中位數(shù)原則的動(dòng)態(tài)性能要比 加權(quán)平均原則 更優(yōu)越，靜態(tài)性能則略差于加權(quán)平均原則 。由于模糊控制規(guī)則實(shí)際上是一組多重條件語句， 可以 表示為從輸入變量論域到被控制量論域的模糊關(guān)系矩陣，模糊推理其作用就是通過恰當(dāng)?shù)耐评矸椒ǎ演斎胱兞康哪：蛄亢?模糊關(guān)系進(jìn)行合成，由此得到被控制量的模糊向量 [8]。其經(jīng)典的應(yīng)用的例子體現(xiàn)在生產(chǎn)和生活中的個(gè)個(gè)方面。常用的時(shí)域指標(biāo)有：延遲時(shí)間 td、上升時(shí)間 tr、峰值時(shí)間 tp、調(diào)節(jié)時(shí)間 ts 和超調(diào)量 ? %。所以確定 PID 參數(shù)初值也有其重要意義。 PID控制器參數(shù)整定的方法很多，概括起來有兩大類：一是理論計(jì)算整定法。當(dāng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)需要的不是控制量的絕對(duì)值，而是其增量時(shí)，應(yīng)采用增量型 PID 控制 [7]。 對(duì)穩(wěn)態(tài)特性的影響，積分控制往往能 消除系統(tǒng)的靜差，提高系統(tǒng)的控制精度，但是如果積分時(shí)間常數(shù) Ti太大，會(huì)使積分作用太弱，就無法減少誤差。當(dāng)被控對(duì)象的結(jié)構(gòu)和參數(shù)不能完全掌握，或得不到精確的數(shù)學(xué)模型時(shí)，控制理論的其它技術(shù)難以采用時(shí)，系統(tǒng)控制器的結(jié)構(gòu)和參數(shù)必須依靠經(jīng)驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試來確定，這時(shí)應(yīng)用 PID控制技術(shù)最為方便。 其中，MATLAB 的主要優(yōu)勢(shì) 如下： （ 1）簡(jiǎn)單移用的程序語言 [2] MATLAB 語言是 以現(xiàn)在最 流行的 一種語言， C++語言 為基礎(chǔ) 的，所以 語法 的表示 與 C++語言很相似，甚至 更加 的 簡(jiǎn)單 、容易 ，更加 的符合使用人員對(duì)數(shù)學(xué)表達(dá)式的書寫習(xí)慣。 其中 文件 為 MCGS 組態(tài) 系統(tǒng)的組態(tài)環(huán)境，文件 為 MCGS 組態(tài) 系統(tǒng)的運(yùn)行環(huán)境 [1]。 零點(diǎn)和量程調(diào)整：零點(diǎn)和量程調(diào)整電位器位于另一側(cè)的中繼箱內(nèi)。它以傳統(tǒng) PID控制器為基礎(chǔ)，引入模糊集合論，將 PID 參數(shù)根據(jù)偏差和偏差變化值的大小而動(dòng)態(tài)變化，這樣顯然更符合被控對(duì)象真實(shí)的控制規(guī)律，使模糊控制得到更廣泛的應(yīng)用。因此，當(dāng) 流入（流出）對(duì)象的質(zhì)量、能量等屬性發(fā)生改變時(shí)，由于 存在慣性、阻力等因素，被控參數(shù)不能馬上 產(chǎn)生響應(yīng)，這種現(xiàn)象稱為純滯后。 由實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，采用 模糊 PID 控制 雙容水箱 的 下水箱液位，其響應(yīng)速度快，能夠較快的達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，明顯改善了系統(tǒng)的性能。但這些系統(tǒng)普遍存在著非線性、參數(shù)時(shí)變、耦合、隨機(jī)干擾、數(shù)學(xué)模型難以建立等特點(diǎn)。通常有單變量控制系統(tǒng)，也有多變量控制系統(tǒng)；有常 規(guī)儀表過程控制也有計(jì)算機(jī)集散控制系統(tǒng)；有提高控制品質(zhì)的控制系統(tǒng)也有實(shí)現(xiàn)特殊工藝要求的控制系統(tǒng)；有傳統(tǒng)的 PID 控制，也有先進(jìn)的控制系統(tǒng)，例如自適應(yīng)控制、預(yù)測(cè)控制解耦控制和模糊控制等。 水 位控制系統(tǒng) 的 流程框圖如圖 21所示， 把 儲(chǔ)水槽中的水 通過水泵來輸 出，上水箱 的 進(jìn)水 的 流量由電動(dòng)調(diào)節(jié)閥來調(diào)節(jié) ， 同時(shí)對(duì)上水箱和下水箱的水位進(jìn)行雙閉環(huán)串級(jí)控制，使下水箱的水位保持不變，同時(shí)通過液位傳感器對(duì)上水箱、下水箱的水 位進(jìn)行實(shí)時(shí)的測(cè) 量。 圖 27 遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集模塊 ICP7024 每一通道根據(jù)功能表可輸入允許范圍的電壓或電流，支持 485 通訊 [5]。 MCGS 系統(tǒng) 就是通過 組態(tài)結(jié)果數(shù)據(jù)庫 ，完成了 從組態(tài)環(huán)境向運(yùn)行環(huán)境 的過渡 的過程 ，它們之間系如下圖 29 所示。 （ 3）模塊化的設(shè)計(jì)和系統(tǒng)仿真 [2] 自 MATLAB 面世以來，其應(yīng)用范圍越來越廣，軟件工具越來越完善，特別是 MATLAB 的控 13 制系統(tǒng)相關(guān)工具箱及 Simulink 的問世，給控制系統(tǒng)的分析和設(shè)計(jì)帶來了極大的方便，現(xiàn)已成為風(fēng)行國際的、有力的控制系統(tǒng)計(jì)算機(jī)輔助分析工具。可以說，通過適當(dāng)?shù)?PID 參數(shù)， PID 控制可以得到各種輸出響應(yīng)特性，也就是說， 只要給定 PID參數(shù) 適當(dāng)、合適 ， PID控制都能很好的完成控制任務(wù) 。 比例積分微分（ PID）調(diào)節(jié) 比例積分微分（ PID）調(diào)節(jié) ，即 PID 控制， 其 傳遞函數(shù)為： sKsTKKsG PiPPc ???? 1)( ? ?83? 其中， PK 是 比例系數(shù)， iT 是積 分時(shí)間常數(shù) ， ? 為微分時(shí)間常數(shù)，這三個(gè) 都是可 以 調(diào)的參數(shù)。當(dāng) K太大時(shí)， 甚至使系 統(tǒng)趨向 不穩(wěn)定。 PID 控制器參數(shù)的工程整定方法，主要有臨界比例法、反應(yīng)曲線法和衰減法。所謂控制度，是指計(jì)算機(jī)直接數(shù)字控制（簡(jiǎn)稱 DDC）與模擬控制器的控制效果之比。理論上它需要無限長(zhǎng)的時(shí)間，但一般認(rèn)為當(dāng)被調(diào)量已進(jìn)入其穩(wěn)態(tài)值的土 5％范圍內(nèi)，就算過渡過程已經(jīng)結(jié)束。以偏差 e 為例，假設(shè)其模糊論域上定義了 {負(fù)大，負(fù)中， 負(fù)小，零，正小，正中，正大 }七個(gè)模糊集合 [8]。如果在多個(gè)論域元素上同時(shí)出現(xiàn)則取它們的平均值為清晰值。其中補(bǔ)集的公式如下： ? ? )(1)()( xxxc AAA ??? ??? ? ?34? 模糊并也稱為 s范數(shù)，它的 公式如下： ? ? ? ?)(),(m a x)()(),( xxxxxs BABABA ????? ?? ? ? ?44? 衍生到圖形上就是兩個(gè)隸屬度函數(shù)交點(diǎn)以上部分的曲線。）等吧兩個(gè)或兩個(gè)以上的模糊命題聯(lián)合起來構(gòu)成一個(gè)復(fù)命題。 模糊 PID 控制算法 在本論文設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)中， PID 控制器表達(dá)式為： ? ? ? ?)2()1(2)()()1()()( ?????????? neneneKneKneneKnu diP ? ?194? 式中， e(k)為偏差信號(hào)； Kp 為比例系數(shù)； Ki為積分系數(shù)； Kd 為微分系數(shù)。將該誤差模糊化為 E，該 變量的模糊論域 X={6， 5， 4， ?3， ?2， ?1， 0， 1， 2， 3， 4， 5， 6}，語言變量的值是 {NB， NM， NS， ZO， PS， PM， PB}，這意味著現(xiàn)在的水位是“相當(dāng)?shù)偷摹薄ⅰ胺浅５偷摹薄ⅰ坝悬c(diǎn)低”、“適當(dāng)”、“有點(diǎn)高”、“非常高的”和“相當(dāng)高的”。 （ 3） 隸屬函數(shù) 用 [0， 1]中的 一個(gè)實(shí)數(shù)來度量元素 xi 屬于模糊集的程度，這個(gè)實(shí)數(shù)稱為“隸屬度” 。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(shí)際情況，因而應(yīng)用較為廣泛 [8]。在模糊控制中，通過一組語言描述的規(guī)則來表示專家的知識(shí)，專家知識(shí)通常具有如下的形式 : IF(滿足一組條件 )THEN(可以推出一組結(jié)論 )。 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(guān)的定理。 系統(tǒng)的性能可用系統(tǒng)的穩(wěn)定性、能控性、能觀性、動(dòng)態(tài)特性和穩(wěn)態(tài)特性來表征，衡量系統(tǒng)優(yōu)劣的指標(biāo)通常用穩(wěn)定裕量、動(dòng)態(tài)指標(biāo)、穩(wěn)態(tài)指標(biāo)和綜合指標(biāo)等。這樣，在實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫運(yùn)行時(shí)，就可以自動(dòng)對(duì)其進(jìn)行 PID 控制。 2． 對(duì) 系統(tǒng) 穩(wěn)態(tài)特性的影響 積分控制能夠 消除系統(tǒng)的靜 差， 控制精度 使系統(tǒng)控制精度提高 。 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 。對(duì)穩(wěn)態(tài)特性的影響，加大 kp，在系統(tǒng)穩(wěn)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 。 Simulink 提供 了 一個(gè)系統(tǒng)建模、仿真和綜合分析的環(huán)境。數(shù)據(jù)對(duì)象是構(gòu)成實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫的基本元件，建立實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫的過程也就是定義數(shù)據(jù)庫對(duì)象的處理過程。 (3) 多媒體畫面生動(dòng)、豐富，能夠?yàn)槭褂萌藛T及時(shí)的提供相關(guān)實(shí)時(shí)信息。例如，液位 、溫度 等相應(yīng)的傳感器，以及 渦輪 、電磁等流量計(jì)，還有 壓力 測(cè)量表、電動(dòng)調(diào)節(jié)閥和 電磁閥等。 液位控制是工業(yè)生產(chǎn) 過程中經(jīng)常會(huì)碰 到的控制對(duì)象，由于液體本身屬性及控制 機(jī)構(gòu)磨擦、噪聲等的影響，控制對(duì)象具有一定純滯后和容量滯后的特點(diǎn)，液位上升過程緩慢，呈現(xiàn)非線性。它主要所謂六大參數(shù)，即溫度、壓力、流量、液位 (或物位 )、成分和物性等參數(shù)的控制問題。 編號(hào) ： 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 題目： 基于模糊自適應(yīng) PID 算法的液位控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) Level control system design based on fuzzy adaptive PID algorithm 學(xué) 院 專 業(yè) 班 級(jí) 學(xué) 號(hào) 姓 名 指導(dǎo)教師 職稱 完成日期 I 誠 信 承 諾 我謹(jǐn)在此承諾：本人所寫的畢業(yè)論文《 基于模糊自適應(yīng) PID 算法的液位控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 》均系本人獨(dú)立完成，沒有抄襲行為，凡涉及其他作者的觀點(diǎn)和材料，均作了注釋，若有不實(shí)，后果由本人承擔(dān)。 過程控制的概述及發(fā)展 工業(yè)自動(dòng)化 涉及到很多內(nèi)容，具有很多分支 ， 而 過程控制（ process control）可以說是工業(yè)自動(dòng)化 分支 中最重要的一個(gè) 。因此 研究 非線性、時(shí) 滯對(duì)象的先進(jìn)控制策略， 對(duì) 提高系統(tǒng)的控制水平具有重大意義。 對(duì)象 AE2021A型實(shí)驗(yàn)裝置 結(jié)構(gòu)圖 ， 如圖 23 所示： 5 圖 23AE2021A系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 其中實(shí)驗(yàn)裝置 中 包含一些檢測(cè)變送的元件和 執(zhí)行 的元件。 (2) 實(shí)時(shí)性很強(qiáng)，且并行處理系統(tǒng)的性能良好。 接著是實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫的建立，實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫是 MCGS工程的數(shù)據(jù)交換和數(shù)據(jù)處理中心。根據(jù)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，用戶可以從輸入源、輸出方式、連續(xù)系統(tǒng)模型、數(shù)字運(yùn)算等模型庫中“拖入”各種模塊，按要求連接并修改各模塊的參數(shù)，即可完成系統(tǒng)模型的建立。 比例（ P） 控制只改變系統(tǒng)的增益而不影響相位，它 主要對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差和穩(wěn)定性產(chǎn)生影響 ，增大比例系數(shù) kp，使得系統(tǒng)的動(dòng)作靈敏，響應(yīng)速度加快，但會(huì)使振蕩次數(shù)增加，調(diào)節(jié)時(shí)間拉長(zhǎng)，甚至使系統(tǒng)趨向不穩(wěn)定。 為此，偏差 e 可以如下近似 ： ? ???t ki iTedtte0 0 )()( （ 311） T kekedttde )1()()( ??? （ 312） 式中， T 為采樣周期， k 為采樣序號(hào) ， n 為控制周期序號(hào)， e(n)為第 n 次控制周期的偏差 。 Ti 太大， 則 對(duì)系統(tǒng) 動(dòng)態(tài) 性能的影響減小。 進(jìn)行 PID控制時(shí)，可以把 PID 的 PV連接在實(shí)際的測(cè)量值上， OP 連接在 PID 實(shí)際的輸出值上。另一種是動(dòng)態(tài)，當(dāng)系統(tǒng)受到外來干擾的影響或者在改變了設(shè)定值后，原來的穩(wěn)態(tài)遭到破壞，系統(tǒng)中各組成部分的輸入輸出量都相繼發(fā)生變化，尤其是被調(diào)量也將偏離原穩(wěn)態(tài)值而隨時(shí)間變化，這時(shí)就稱系統(tǒng)處于動(dòng)態(tài)[7]。 21 4 模糊 PID 控制系統(tǒng) 模糊控制概況 模糊邏輯控制 (Fuzzy Logic Control)簡(jiǎn)稱模糊控制 (Fuzzy Control)，是以 模糊集合論 、模糊語言變量和模糊邏輯推理為基礎(chǔ)的一種計(jì)算機(jī)數(shù)字控制技術(shù)。 ②規(guī)則庫存放模糊控制規(guī)則 :模糊控制規(guī)則是基于手動(dòng)操作人員長(zhǎng)期積累的控制經(jīng)驗(yàn)和領(lǐng)域?qū)＜业挠嘘P(guān) 知識(shí)，它是對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行控制的一個(gè)知識(shí)模型。 便是應(yīng)用加權(quán)平均法為模糊集合 U 求得的判決結(jié)果。模糊關(guān)系是模糊運(yùn)算、模糊函數(shù)等的基礎(chǔ) [8]。 1 ??x? b 0 x a c d 基于模糊自適應(yīng) PID 算法的液位控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 26 圖 45 模糊自適應(yīng)控制系統(tǒng)框圖 液位控制系統(tǒng)中的模糊化 假設(shè)設(shè)置的水位是 h0，在某一時(shí)刻水箱系統(tǒng)真正的水位是 h，那么該點(diǎn)的液位誤差 e=h?h0。 PID 控制參數(shù)的確定分兩步進(jìn)行，第一步是確定初始的 PID 參數(shù) Kp’、 Ki’、 Kd’；第二步是在初定的 PID 控制參 數(shù)的基礎(chǔ)上，根據(jù) Fuzzy 推理 輸出 △ Kp， △ Ki， △ Kd在 線調(diào)整 PID參數(shù)模糊 PID控制器調(diào)整 PID 參數(shù)計(jì)算公式如下： Kp=Kp39。 （ 5） 模糊邏輯函數(shù) 如果 xi 取值區(qū)間為 [0， 1]，則稱 :xi為模糊變量，模糊變量的集合為 {xl， x2，? xn}，則映射 f:[0，l]n→ [0， l]定義為模糊邏輯函數(shù)，記為 f(x1， x2，? xn)。 模糊交也稱為 t范數(shù)，它的 公式如下： ? ? ? ?)(),(m i n)()(),( xxxxxt BABABA ????? ?? ? ? ?54? 衍生到圖形上就是兩個(gè)隸屬度函數(shù)交點(diǎn)以下部分的曲線。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是能夠突出主要信息，簡(jiǎn)單易行，度較小的論域元素求一般的系統(tǒng)中。 (2)知識(shí)庫 模糊化