基于fuzzy-pid控制器的雙容水箱液位控制系統(tǒng)仿真設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)

1 基于 制器的雙容水箱液位控制系統(tǒng)仿真設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 第一章 前言 計(jì)背景 雙容水箱為工業(yè)過(guò)程控制中常見(jiàn)的液位控制對(duì)象，它通過(guò)調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)閥的開(kāi)度，使上下水箱的輸入、輸出水流量相等，以便液位保持不變。在水箱系統(tǒng)中，上、下位水箱的水量變化存在延時(shí)，而外界的干擾又會(huì)導(dǎo)致增益、延時(shí)的變化。針對(duì)液位控制過(guò)程中存在大滯后、時(shí)變、非線性的特點(diǎn)，為適應(yīng)復(fù)雜系統(tǒng)的控制要求，人們研制了種類(lèi)繁多的先進(jìn)的智能控制器，模糊 制器便是其中之一 ，模糊 制結(jié)合了 制算法和模糊控制方法的優(yōu)點(diǎn)，可以在線實(shí) 現(xiàn) 控制系統(tǒng)的響應(yīng)速度快，過(guò)渡過(guò)程時(shí)間大大縮短，超調(diào)量減少，振蕩次數(shù)少，具有較強(qiáng)的魯棒性和穩(wěn)定性，在模糊控制中扮演著十分重要的角色 計(jì)意義 制是生產(chǎn)過(guò)程中最普遍使用的控制方法，在冶金、機(jī)械、化工等行業(yè)獲得廣泛應(yīng)用。隨著工業(yè)生產(chǎn)和現(xiàn)代化科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，各個(gè)領(lǐng)域?qū)ψ詣?dòng)控制系統(tǒng)控制性能的要求越來(lái)越高。實(shí)際的工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中往往具有非線性、時(shí)變性等不確定的干擾，常規(guī) 制器經(jīng)常出現(xiàn)參數(shù)整定不良、控制性能欠佳且適應(yīng)性較差等缺點(diǎn)。 模糊控制可以把人類(lèi)語(yǔ)言表述的控制策略，通過(guò)模 糊集合和模糊邏輯推理轉(zhuǎn)化成數(shù)字或數(shù)字函數(shù)，再用計(jì)算機(jī)去實(shí)現(xiàn)既定的控制。常規(guī)的模糊控制缺少積分環(huán)節(jié)，加之模糊控制器特有的量化過(guò)程，模糊控制是存在靜態(tài)誤差的，而通過(guò)給模糊控制器并聯(lián)積分器成功地消除了靜態(tài)誤差。 智能控制與常規(guī) 制相結(jié)合，形成了智能 制，這種新型控制器已引起人們的普遍關(guān)注和極大興趣，并已得到較為廣泛的應(yīng)用。模糊 制可 2 以根據(jù)系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)在線整定 制器參數(shù)，使系統(tǒng)的運(yùn)行性能有很大的提升。 本設(shè)計(jì)建立了串聯(lián)雙容水箱液位控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，應(yīng)用 件對(duì)法、模糊 法進(jìn)行了仿真。 第二章 被控對(duì)象的分析與建模 該系統(tǒng)控制的是有純延遲環(huán)節(jié)的二階雙容水箱，示意圖如下圖 其中12 2 312、 2 的阻力，稱(chēng)為液阻或流阻，經(jīng)線性化處理，有：2 。則 根據(jù)物料平衡對(duì)水箱 1 有： 121 212 拉式變換得： )()()( 1121 定值 T 104 記錄 Qo h 圖 容水箱結(jié)構(gòu)圖 3 212 )()( R 對(duì)水箱 2： 232 323 拉式變換得： )()()(2232 223 )()( R 則對(duì)象的傳遞函數(shù)為： )( )()( 120 )1)(1( 3221 3 )1)(1( 21 其中 211 為 水箱 1 的時(shí)間常數(shù)，322 水箱 2 的時(shí)間常數(shù)， K 為雙容對(duì)象的放大系數(shù)。若系統(tǒng)還具有純延遲，則傳遞函數(shù)的表達(dá)式為： 201()() ()S 0)1)(1(21其中0為延遲時(shí)間常數(shù)。 第三章 設(shè)計(jì)理論及仿真過(guò)程 計(jì)理論及分析方法 制器 制是最早發(fā)展起來(lái)的控制策略之一，因?yàn)樗婕暗脑O(shè)計(jì)算法和控制結(jié)構(gòu)都很簡(jiǎn)單，且十分適用于工程應(yīng)用背景，此外 制方案并不要求精確的受控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型，且采用 制效果一般是比較令人滿意的，所以 4 工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中，對(duì)于生產(chǎn)裝置的溫度、壓力、流量、液位等工藝變量常常要求維持在一定的數(shù)值上，或按一定的規(guī)律變化，以滿足生產(chǎn)工藝的要求。 制原理對(duì)整個(gè)控制系統(tǒng)進(jìn)行偏差調(diào)節(jié)，從而使被控變量的實(shí)際值與工藝要求的預(yù)定值一致。 模擬 制器的原理圖 圖所示： 圖 擬 制器原理圖 r(t)為系統(tǒng)給定值， c(t)為實(shí)際輸出， u(t)為控制量。 制器是一種線性控制器，經(jīng)過(guò)離散化處理的數(shù)字 式為： )1()()()(e)(0 比例系數(shù)； 積分系數(shù)； 微分系數(shù)。 比例調(diào)節(jié)作用 ： 按比例反應(yīng)系統(tǒng)的偏差，系統(tǒng)一旦出現(xiàn)了偏差，比例調(diào)節(jié)立即產(chǎn)生調(diào)節(jié)作用用以減少偏差。比例作用大，可以加 快調(diào)節(jié)，減少誤差，但是過(guò)大的比例，使系統(tǒng)的穩(wěn)定性下降，甚至造成系統(tǒng)的不穩(wěn)定。 積分調(diào)節(jié)作用 ： 使系統(tǒng)消除穩(wěn)態(tài)誤差，提高無(wú)差度。因?yàn)橛姓`差，積分調(diào)節(jié)就進(jìn)行，直至無(wú)差，積分調(diào)節(jié)停止，積分調(diào)節(jié)輸出一常值。積分作用的強(qiáng)弱取決與積分時(shí)間常數(shù) 小，積分作用就越強(qiáng)。反之 則積分作用弱，加入積分調(diào)節(jié)可使系統(tǒng)穩(wěn)定性下降，動(dòng)態(tài)響應(yīng)變慢。積分作用常與另兩種調(diào)節(jié)規(guī)律結(jié)合，組成 節(jié)器或 節(jié)器。 微分調(diào)節(jié)作用 ： 反映系統(tǒng)偏差信號(hào)的變化率，具有預(yù)見(jiàn)性，能預(yù)見(jiàn)偏差變化的趨勢(shì)，因此能產(chǎn)生超前的控制作用，在偏差還沒(méi)有形 成之前，已被微分調(diào)節(jié)作 5 用消除。因此，可以改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。在微分時(shí)間選擇合適情況下，可以減少超調(diào)，減少調(diào)節(jié)時(shí)間。微分作用對(duì)噪聲干擾有放大作用，因此過(guò)強(qiáng)的加微分調(diào)節(jié)，對(duì)系統(tǒng)抗干擾不利。此外，微分反應(yīng)的是變化率，而當(dāng)輸入沒(méi)有變化時(shí)，微分作用輸出為零。微分作用不能單獨(dú)使用，需要與另外兩種調(diào)節(jié)規(guī)律相結(jié)合，組成 制器。 糊 制器 制器的參數(shù)整定是一件非常令人頭痛的事。合理的 數(shù)通常由經(jīng)驗(yàn)豐富的技術(shù)人員在線整定。在控制對(duì)象有很大的時(shí)變性和非線性的情況下，一組整定好的 數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足系統(tǒng)的要求。為此，引入了一套模糊 所謂模糊 制器，即利用模糊邏輯算法并根據(jù)一定的模糊規(guī)則對(duì) 分、微分系數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)優(yōu)化，以達(dá)到較為理想的控制效果，模糊制共包括參數(shù)模糊化、模糊規(guī)則推理、參數(shù)解模糊、 制器等幾個(gè)重要組成部分。計(jì)算機(jī)根據(jù)所設(shè)定的輸入和反饋信號(hào)，計(jì)算實(shí)際位置和理論位置的偏差以及當(dāng)前的偏差變化，并根據(jù)模糊規(guī)則進(jìn)行模糊推理，最后對(duì)模糊參數(shù)進(jìn)行解模糊，輸出 制器的比例、積分、微分系數(shù)。 本設(shè)計(jì)通過(guò) 糊推 理系統(tǒng)以誤差 用模糊推理方法對(duì) 數(shù) 行在線整定，以滿足不同誤差 e 對(duì)控制器參數(shù)的要求。圖 模糊 制的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。 模 糊 推 理 參 數(shù) 修 正P I D 控 制 器 控 制 系 統(tǒng)d e / d tr ek pk i k 圖 糊 統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 模糊 統(tǒng)處于響應(yīng)階段，為加快響應(yīng)速度并防止開(kāi)始時(shí)偏差 e 瞬間變大，需取較大的 了防止積分飽和，應(yīng)取較小的 時(shí)為了防止微分飽和，避免系統(tǒng)響應(yīng)出現(xiàn)較大的超調(diào)， 6 應(yīng)減小微分的作用。 容水箱液位控制系統(tǒng) 的仿真過(guò)程 為了驗(yàn)證 糊控制器的控制效果，用 件進(jìn)行仿真，通過(guò)對(duì)雙容水箱液位控制的分析，在了解其控制過(guò)程性能特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，選用其功能強(qiáng)大的 行仿真。 現(xiàn)今流行的一種高性能數(shù)值計(jì)算與圖形顯示的科學(xué)和工程計(jì)算軟件，基本單位為矩陣，并且矩陣的行和列無(wú)需定義，可隨時(shí)添加和修改，有極強(qiáng)的可擴(kuò)展性，主要包括主程序， 工具箱。 一個(gè)用來(lái)對(duì)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行建模、仿真和分析的軟件包，它具有模塊化、可重載、可封裝、面向結(jié)構(gòu)圖 編程及可視化等特點(diǎn)，可大大提高系統(tǒng)仿真的效率和可靠性。 優(yōu)化工具箱中提供了一系列用于解決無(wú)約束和有約束問(wèn)題的優(yōu)化函數(shù)，可以方便地用來(lái)對(duì)普通非線性函數(shù)求解極大或極小值。利用 優(yōu)化工具箱，用仿真與優(yōu)化有機(jī)結(jié)合以實(shí)現(xiàn) 換熱器動(dòng)態(tài)特性分析基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)簡(jiǎn)便演示程序，這樣可以方便的觀察雙容水箱液位的仿真曲線 ; 采用 制器的雙容水箱液位控制系統(tǒng)仿真框圖如圖 示： 圖 統(tǒng)仿真框圖 7 仿真曲線如下圖 示： 圖 真曲線圖 運(yùn)行仿真程序，得到如圖 示的仿真結(jié)果。圖中黃線表示 制器仿真曲線圖，紅線標(biāo)示 制器的仿真曲線圖。從圖中可以知道，在階躍響應(yīng)下，與傳統(tǒng) 真圖， 制器的仿真曲線圖的上升時(shí)間和調(diào)節(jié)時(shí)間大大縮小，超調(diào)量明顯減小，大大提高了系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。 本設(shè)計(jì)以雙容水箱的液位控制系統(tǒng)為被控對(duì)象，采用將常規(guī) 制與模糊制相結(jié)合的控制策略，仿真結(jié)果表明模糊 液位的控制不僅具有良好的動(dòng)靜態(tài)品質(zhì)，而且具有較強(qiáng)參數(shù)時(shí)變的適應(yīng)能力。 8 第四章 設(shè)計(jì)總結(jié) 本次設(shè)計(jì)是對(duì) 制器的雙容水箱液位控制系統(tǒng)系統(tǒng)的仿真，通過(guò)對(duì)相應(yīng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、分析及仿真，來(lái)不斷地對(duì)控制系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行整定和修改，最終使系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。 經(jīng)過(guò)這一周的 程設(shè)計(jì)，讓我認(rèn)識(shí)到了 各個(gè)領(lǐng)域的重要性，同時(shí)也對(duì) 門(mén)學(xué)科有了更深入地了解。這次課程設(shè)計(jì)使自己學(xué)到了很多知識(shí)，更進(jìn)一步地加深了自己對(duì) 件的認(rèn)識(shí)與了解。除此之外，還學(xué)到了很多在書(shū)本上所沒(méi)有學(xué)到的知識(shí)，并且提高了自己查閱資料、分析問(wèn)題 、解決問(wèn)題的能力，也使自己對(duì)控制系統(tǒng)仿真的整體性有了一定的了解。 我覺(jué)得想要學(xué)好 不容易的，這是一件需要持之以恒的事，必須要堅(jiān)持不懈的學(xué)習(xí)，還需要敢于開(kāi)口向別人請(qǐng)教，更需要我們勤于思考，勤于記 9 憶，勤于動(dòng)手。程序設(shè)計(jì)是實(shí)踐性和操作性很強(qiáng)的事情，需要我們親自動(dòng)手。因此，我們應(yīng)該經(jīng)常自己動(dòng)手實(shí)際操作設(shè)計(jì)程序，熟悉 操作，這對(duì)提高我們的操作能力非常有效。 我的課程設(shè)計(jì)能夠順利完成，首先要感謝學(xué)校和老師能給予我們這次課程設(shè)計(jì)的機(jī)會(huì)。其次要感謝我的指導(dǎo)老師梁老師，在設(shè)計(jì)的過(guò)程當(dāng)中梁老師給予了我熱 情的幫助和悉心的指導(dǎo)，在此我要向她說(shuō)聲謝謝。通過(guò)這次理論與實(shí)際結(jié)合的學(xué)習(xí)，加深了我對(duì)專(zhuān)業(yè)知識(shí)的學(xué)習(xí)，更重要的是鍛煉了我的能力， 這次設(shè)計(jì)在不斷的復(fù)習(xí)、學(xué)習(xí)中度過(guò)，使我受益匪淺，也使我對(duì) 運(yùn)用有了進(jìn)一步的了解和掌握，也為今后的學(xué)習(xí)生活和工作打下良好的基礎(chǔ)。 參考文獻(xiàn) 1 李國(guó)勇，控制系統(tǒng)數(shù)字仿真與 ，北京：電子工業(yè)出版社， 2003， 9 2 王丹力， 制系統(tǒng)設(shè)計(jì)仿真應(yīng)用 M，北京：中國(guó)電力出版社， 2007，9 3 薛定宇，控制系統(tǒng)仿真與計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì) M，北京：機(jī)械工業(yè)出版社， 2005，1 4 金以慧 ，過(guò)程控制 M，北京： 清華大學(xué)出版社， 2003， 6 5 劉金琨 . 先進(jìn) 制及其 真 M . 北京：電子工業(yè)出版社，2003， 6 薛定宇 . 控制系統(tǒng)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì) 言及應(yīng)用 M. 北京：清華大學(xué)出版社， 1996 7 易繼鍇 . 智能控制技術(shù) M. 北京：北京工