基于模糊自適應pid算法的液位控制系統設計—(編輯修改稿)

　

【文章內容簡介】 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。 同時 MCGS能夠對通過這些設備采集來現場數據進行處理，并以畫面顯示，報表的輸出等多種方式向用戶提供各種能夠解決實際的工程問題的方案，在工業自動化領域應用廣泛。 MCGS 組態軟件的 特點 (1) 操作界面簡單靈活，可視化，而且全中文，符合國人的使用習慣，入門容易。 (2) 實時性很強，且并行處理系統的性能良好。 (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。 (4) 強大的安全機制，能夠為多個不同級別的用戶設定相應的操作權限。 (5) 通訊良好，具有很強大的網絡功能。 (6) 能夠支持各種用于現場采集、數據處理和控制的設備。 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 。 其中 文件 為 MCGS 組態 系統的組態環境，文件 為 MCGS 組態 系統的運行環境 [1]。 兩個環境的圖標如圖 28 所示： 圖 28 MCGS 圖標 用戶的一切 組態 的 配置過程都 需要 在 MCGS 的 組態環境中進行，組態環境 就好比是相 一套完整的工具件，它 能夠幫助用戶設計并構造自己想要的 應用系統 [1]。 運行環境 的含義：它 是一個獨立的運行系統，它是以組態結果數據庫中用戶指定的方式進行 處理，完成用戶組態設計的目標和功能。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。一旦組態工作完成，運行環境和組態結果數據庫就可以離開組態環境而獨立運行在監控計算機上。 MCGS 系統 就是通過 組態結果數據庫 ，完成了 從組態環境向運行環境 的過渡 的過程 ，它們之間系如下圖 29 所示。 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。 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 。 基于模糊自適應 PID 算法的液位控制系統設計 10 圖 211 主控窗口界面 其次，開始制作工程畫面， 雙擊新建的窗口，進入組態畫面，如圖 212： 圖 212 系統元件庫 MCGS提供了 8種圖元對象、 27個圖符對象和 19個動畫構件，我們可以根據實際的需要及圖像 11 美觀性的要求畫出一個圖形界面，再對所選擇的元件設置屬性，與實時數據庫中的變量建立，某些作為顯示輸出，某些作為控制信號寫入，這樣一個用戶窗口就完成了。我們可以根據自己不同的要求建立多個用戶窗口，來實現不同的功能。 接著是實時數據庫的建立，實時數據庫是 MCGS工程的數據交換和數據處理中心。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。定義數據對象的內容主要包括： (1)指定數據變量的名稱、類型、初始值和數值范圍。（ 2）確定與數據變量存盤相關的參數，如存盤的周期、存盤的時間范圍和保存期限等。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。 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。 其中，MATLAB 的主要優勢 如下： （ 1）簡單移用的程序語言 [2] MATLAB 語言是 以現在最 流行的 一種語言， C++語言 為基礎 的，所以 語法 的表示 與 C++語言很相似，甚至 更加 的 簡單 、容易 ，更加 的符合使用人員對數學表達式的書寫習慣。使它能夠被更多的非計算機專業的人 使用 ，具有很廣泛的使用范圍 。 而且 MATLAB 語言 還具有很強的可移植性和極強的可擴展性 ，這也 是 MATLAB 仿真軟件 之所以能夠 被廣泛的 深入到 各種的 科學研究 以 及 各種的工程計算當中去 的 一個很 重要 的 原因。 （ 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 具有 相同的 計算要求的 情況下，使用 MATLAB 仿真軟件能夠大大減少使用人員的工作量 。 （ 3）模塊化的設計和系統仿真 [2] 自 MATLAB 面世以來，其應用范圍越來越廣，軟件工具越來越完善，特別是 MATLAB 的控 13 制系統相關工具箱及 Simulink 的問世，給控制系統的分析和設計帶來了極大的方便，現已成為風行國際的、有力的控制系統計算機輔助分析工具。 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。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 對仿真的實現可以應用 很多的領域，例如在信號控制、金融財會等諸多領域都有廣泛的應用 。 Simulink 庫包含許多控制系統方框圖所需的模塊，如輸入源（ Sources）、輸出方式（ Sinks）、連續系統模型（ Continuous）、數字運算（ Math）等。根據控制系統的結構，用戶可以從輸入源、輸出方式、連續系統模型、數字運算等模型庫中“拖入”各種模塊，按要求連接并修改各模塊的參數，即可完成系統模型的建立。 Simulink 提供 了 一個系統建模、仿真和綜合分析的環境。在該環境中，通過簡單直觀的鼠標操作，就可構造出復雜的系統。 同時， Simulink 具有結構和流程清晰 、 仿真精細、適應面廣、貼近實際、效率高 等優點， 基于以上優點 Simulink 已被廣泛應用于控制理論和數字信號處理的復雜仿真和設計。 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。當被控對象的結構和參數不能完全掌握，或得不到精確的數學模型時，控制理論的其它技術難以采用時，系統控制器的結構和參數必須依靠經驗和現場調試來確定，這時應用 PID控制技術最為方便。即當我們不完全了解一個系統和被控對象，或不能通過有效的測量手段來獲得系統參數時，最適合用 PID控制技術。 PID控制，實際中也有 PI和 PD控制。 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。 作為經典的控制理論， PID 控制仍然 在 當今工 業控制行業中占據主導的地位，是最主要的控制方式 ，無論 要控制的系統是簡單還是復雜 ， PID 控制 一般都可以獲得很好的效果 ， 當然 PID 參數 的選取必須恰當，合適 。可以說，通過適當的 PID 參數， PID 控制可以得到各種輸出響應特性，也就是說， 只要給定 PID參數 適當、合適 ， PID控制都能很好的完成控制任務 。 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。 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 。 3. 魯棒性強，即其控制品質對被控制對象特性的變化不大敏感。 比例 (P)調解 比例 （ P）控制是 最簡單的 一種 控制方式，當 一個 系統 只存在比例控制時，其 輸出 往往存在穩態誤差，其傳遞函數 為： Pc KsG ?)( ? ?13? 式中， kp 為比例系數 ，有些傳統的控制器會經 常用比例帶（ Proportional Band， PB）來取代比例系數 kp，比例帶是比例系數的倒數，比例帶也稱為比例度 [6]。 比例（ P） 控制只改變系統的增益而不影響相位，它 主要對系統的穩態誤差和穩定性產生影響 ，增大比例系數 kp，使得系統的動作靈敏，響應速度加快，但會使振蕩次數增加，調節時間拉長，甚至使系統趨向不穩定。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 。 因此，在系統校正和設計中 P 控制一般不單獨使用。 具有比例控制器的系統結構如圖 31 所示。 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。 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。 對穩態特性的影響，積分控制往往能 消除系統的靜差，提高系統的控制精度，但是如果積分時間常數 Ti太大，會使積分作用太弱，就無法減少誤差。 因此，積分控制一般不單獨使用，通常結合比例控制器構成比例積分 (PI)控制器 [6]。 比例積分（ PI）調節 具有比例積分 控制規律的控制稱為比例 積分微分控制，即 PI 控制， PI 控制的傳遞函數為： s TsKsTKKsG iPiPPc???????? ???? 11)( ? ?63? 其中， PK 為比例系數， iT 稱為積分時間常數，兩者都是可調的參數。 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。 所以 在實際工程中， PI控制器通常用來提高 系統的穩定性能。 比例積分微分（ PID）調節