基于fuzzy-pid控制器的双容水箱液位控制系统仿真设计说明书

1 基于 制器的双容水箱液位控制系统仿真设计说明书 第一章 前言 计背景 双容水箱为工业过程控制中常见的液位控制对象，它通过调节调节阀的开度，使上下水箱的输入、输出水流量相等，以便液位保持不变。在水箱系统中，上、下位水箱的水量变化存在延时，而外界的干扰又会导致增益、延时的变化。针对液位控制过程中存在大滞后、时变、非线性的特点，为适应复杂系统的控制要求，人们研制了种类繁多的先进的智能控制器，模糊 制器便是其中之一 ，模糊 制结合了 制算法和模糊控制方法的优点，可以在线实 现 控制系统的响应速度快，过渡过程时间大大缩短，超调量减少，振荡次数少，具有较强的鲁棒性和稳定性，在模糊控制中扮演着十分重要的角色 计意义 制是生产过程中最普遍使用的控制方法，在冶金、机械、化工等行业获得广泛应用。随着工业生产和现代化科学技术的迅速发展，各个领域对自动控制系统控制性能的要求越来越高。实际的工业生产过程中往往具有非线性、时变性等不确定的干扰，常规 制器经常出现参数整定不良、控制性能欠佳且适应性较差等缺点。 模糊控制可以把人类语言表述的控制策略，通过模 糊集合和模糊逻辑推理转化成数字或数字函数，再用计算机去实现既定的控制。常规的模糊控制缺少积分环节，加之模糊控制器特有的量化过程，模糊控制是存在静态误差的，而通过给模糊控制器并联积分器成功地消除了静态误差。 智能控制与常规 制相结合，形成了智能 制，这种新型控制器已引起人们的普遍关注和极大兴趣，并已得到较为广泛的应用。模糊 制可 2 以根据系统的运行状态在线整定 制器参数，使系统的运行性能有很大的提升。 本设计建立了串联双容水箱液位控制系统的数学模型，应用 件对法、模糊 法进行了仿真。 第二章 被控对象的分析与建模 该系统控制的是有纯延迟环节的二阶双容水箱，示意图如下图 其中12 2 312、 2 的阻力，称为液阻或流阻，经线性化处理，有：2 。则 根据物料平衡对水箱 1 有： 121 212 拉式变换得： )()()( 1121 定值 T 104 记录 Qo h 图 容水箱结构图 3 212 )()( R 对水箱 2： 232 323 拉式变换得： )()()(2232 223 )()( R 则对象的传递函数为： )( )()( 120 )1)(1( 3221 3 )1)(1( 21 其中 211 为 水箱 1 的时间常数，322 水箱 2 的时间常数， K 为双容对象的放大系数。若系统还具有纯延迟，则传递函数的表达式为： 201()() ()S 0)1)(1(21其中0为延迟时间常数。 第三章 设计理论及仿真过程 计理论及分析方法 制器 制是最早发展起来的控制策略之一，因为它所涉及的设计算法和控制结构都很简单，且十分适用于工程应用背景，此外 制方案并不要求精确的受控对象的数学模型，且采用 制效果一般是比较令人满意的，所以 4 工业生产过程中，对于生产装置的温度、压力、流量、液位等工艺变量常常要求维持在一定的数值上，或按一定的规律变化，以满足生产工艺的要求。 制原理对整个控制系统进行偏差调节，从而使被控变量的实际值与工艺要求的预定值一致。 模拟 制器的原理图 图所示： 图 拟 制器原理图 r(t)为系统给定值， c(t)为实际输出， u(t)为控制量。 制器是一种线性控制器，经过离散化处理的数字 式为： )1()()()(e)(0 比例系数； 积分系数； 微分系数。 比例调节作用 ： 按比例反应系统的偏差，系统一旦出现了偏差，比例调节立即产生调节作用用以减少偏差。比例作用大，可以加 快调节，减少误差，但是过大的比例，使系统的稳定性下降，甚至造成系统的不稳定。 积分调节作用 ： 使系统消除稳态误差，提高无差度。因为有误差，积分调节就进行，直至无差，积分调节停止，积分调节输出一常值。积分作用的强弱取决与积分时间常数 小，积分作用就越强。反之 则积分作用弱，加入积分调节可使系统稳定性下降，动态响应变慢。积分作用常与另两种调节规律结合，组成 节器或 节器。 微分调节作用 ： 反映系统偏差信号的变化率，具有预见性，能预见偏差变化的趋势，因此能产生超前的控制作用，在偏差还没有形 成之前，已被微分调节作 5 用消除。因此，可以改善系统的动态性能。在微分时间选择合适情况下，可以减少超调，减少调节时间。微分作用对噪声干扰有放大作用，因此过强的加微分调节，对系统抗干扰不利。此外，微分反应的是变化率，而当输入没有变化时，微分作用输出为零。微分作用不能单独使用，需要与另外两种调节规律相结合，组成 制器。 糊 制器 制器的参数整定是一件非常令人头痛的事。合理的 数通常由经验丰富的技术人员在线整定。在控制对象有很大的时变性和非线性的情况下，一组整定好的 数远远不能满足系统的要求。为此，引入了一套模糊 所谓模糊 制器，即利用模糊逻辑算法并根据一定的模糊规则对 分、微分系数进行实时优化，以达到较为理想的控制效果，模糊制共包括参数模糊化、模糊规则推理、参数解模糊、 制器等几个重要组成部分。计算机根据所设定的输入和反馈信号，计算实际位置和理论位置的偏差以及当前的偏差变化，并根据模糊规则进行模糊推理，最后对模糊参数进行解模糊，输出 制器的比例、积分、微分系数。 本设计通过 糊推 理系统以误差 用模糊推理方法对 数 行在线整定，以满足不同误差 e 对控制器参数的要求。图 模糊 制的系统结构图。 模 糊 推 理 参 数 修 正P I D 控 制 器 控 制 系 统d e / d tr ek pk i k 图 糊 统结构图 模糊 统处于响应阶段，为加快响应速度并防止开始时偏差 e 瞬间变大，需取较大的 了防止积分饱和，应取较小的 时为了防止微分饱和，避免系统响应出现较大的超调， 6 应减小微分的作用。 容水箱液位控制系统 的仿真过程 为了验证 糊控制器的控制效果，用 件进行仿真，通过对双容水箱液位控制的分析，在了解其控制过程性能特点的基础上，选用其功能强大的 行仿真。 现今流行的一种高性能数值计算与图形显示的科学和工程计算软件，基本单位为矩阵，并且矩阵的行和列无需定义，可随时添加和修改，有极强的可扩展性，主要包括主程序， 工具箱。 一个用来对动态系统进行建模、仿真和分析的软件包，它具有模块化、可重载、可封装、面向结构图 编程及可视化等特点，可大大提高系统仿真的效率和可靠性。 优化工具箱中提供了一系列用于解决无约束和有约束问题的优化函数，可以方便地用来对普通非线性函数求解极大或极小值。利用 优化工具箱，用仿真与优化有机结合以实现 换热器动态特性分析基础上，设计简便演示程序，这样可以方便的观察双容水箱液位的仿真曲线 ; 采用 制器的双容水箱液位控制系统仿真框图如图 示： 图 统仿真框图 7 仿真曲线如下图 示： 图 真曲线图 运行仿真程序，得到如图 示的仿真结果。图中黄线表示 制器仿真曲线图，红线标示 制器的仿真曲线图。从图中可以知道，在阶跃响应下，与传统 真图， 制器的仿真曲线图的上升时间和调节时间大大缩小，超调量明显减小，大大提高了系统的动态性能。 本设计以双容水箱的液位控制系统为被控对象，采用将常规 制与模糊制相结合的控制策略，仿真结果表明模糊 液位的控制不仅具有良好的动静态品质，而且具有较强参数时变的适应能力。 8 第四章 设计总结 本次设计是对 制器的双容水箱液位控制系统系统的仿真，通过对相应控制系统的设计、分析及仿真，来不断地对控制系统参数进行整定和修改，最终使系统达到稳定状态。 经过这一周的 程设计，让我认识到了 各个领域的重要性，同时也对 门学科有了更深入地了解。这次课程设计使自己学到了很多知识，更进一步地加深了自己对 件的认识与了解。除此之外，还学到了很多在书本上所没有学到的知识，并且提高了自己查阅资料、分析问题 、解决问题的能力，也使自己对控制系统仿真的整体性有了一定的了解。 我觉得想要学好 不容易的，这是一件需要持之以恒的事，必须要坚持不懈的学习，还需要敢于开口向别人请教，更需要我们勤于思考，勤于记 9 忆，勤于动手。程序设计是实践性和操作性很强的事情，需要我们亲自动手。因此，我们应该经常自己动手实际操作设计程序，熟悉 操作，这对提高我们的操作能力非常有效。 我的课程设计能够顺利完成，首先要感谢学校和老师能给予我们这次课程设计的机会。其次要感谢我的指导老师梁老师，在设计的过程当中梁老师给予了我热 情的帮助和悉心的指导，在此我要向她说声谢谢。通过这次理论与实际结合的学习，加深了我对专业知识的学习，更重要的是锻炼了我的能力， 这次设计在不断的复习、学习中度过，使我受益匪浅，也使我对 运用有了进一步的了解和掌握，也为今后的学习生活和工作打下良好的基础。 参考文献 1 李国勇，控制系统数字仿真与 ，北京：电子工业出版社， 2003， 9 2 王丹力， 制系统设计仿真应用 M，北京：中国电力出版社， 2007，9 3 薛定宇，控制系统仿真与计算机辅助设计 M，北京：机械工业出版社， 2005，1 4 金以慧 ，过程控制 M，北京： 清华大学出版社， 2003， 6 5 刘金琨 . 先进 制及其 真 M . 北京：电子工业出版社，2003， 6 薛定宇 . 控制系统计算机辅助设计 言及应用 M. 北京：清华大学出版社， 1996 7 易继锴 . 智能控制技术 M. 北京：北京工