基于模糊PID控制系統(tǒng)設(shè)計及仿真研究

1、青 島 科 技 大 學(xué)本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計（論文）題 目 基于模糊PID控制器的恒壓供水控制系統(tǒng)設(shè)計及仿真研究 學(xué) 院 名 稱 自動化與電子工程學(xué)院 專業(yè)班級 自動化103班 學(xué)生姓名 陳 嘉 學(xué) 號 1007010323 指 導(dǎo) 教 師 王麗麗 填表時間：2014年5月引 言 根據(jù)自適應(yīng)PID控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和原理，研究MATLAB仿真工具箱及仿真方法，并給出仿真實例和分析結(jié)果。將自適應(yīng)技術(shù)和PID控制技術(shù)相結(jié)合，借以輔助軟件MATLAB有力地驗證了這一技術(shù)的優(yōu)勢。隨著經(jīng)濟(jì)社會的高速發(fā)展，能源的需求越來越大，人們對供水系統(tǒng)可靠性的要求也不斷提高，采用先進(jìn)的自動化控制技術(shù)來設(shè)計高節(jié)能、高可靠性

2、的恒壓供水系統(tǒng)成為必然趨勢。由于供水系統(tǒng)具有嚴(yán)重的非線性和時變性，無法用線性化方法近似，傳統(tǒng)PID控制器的參數(shù)很難調(diào)整、適應(yīng)性差。針對此問題，本文研究了供水的恒壓控制，分析了恒壓供水出水壓力變化的特點及控制難點。在參閱大量的中外文獻(xiàn)并結(jié)合實際控制要求的基礎(chǔ)上，對基于模糊控制的恒壓供水控制系統(tǒng)進(jìn)行了理論研究和工程設(shè)計，提出了模糊控制的方法，對模糊控制進(jìn)行了實驗研究，取得了理想的控制效果治果。恒壓供水系統(tǒng)的工作，水泵由初始狀態(tài)向管網(wǎng)供水，一般分為壓力上升過程和恒壓過程?？刂葡到y(tǒng)是以管網(wǎng)水壓為設(shè)定參數(shù)，根據(jù)用水量的多少由單片機(jī)控制投入運行的水泵數(shù)量及電機(jī)的轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)管網(wǎng)水壓的閉環(huán)調(diào)節(jié)，即恒壓供水。本

3、文主要工作包括：1.研究了恒壓供水系統(tǒng)的系統(tǒng)構(gòu)成及工作原理，并對各環(huán)節(jié)總結(jié)近似的數(shù)學(xué)模型。 2.根據(jù)系統(tǒng)的工作原理和數(shù)學(xué)模型，設(shè)計模糊控制器，并利用MATLAB的simulink仿真，驗證系統(tǒng)的設(shè)計。3.根據(jù)仿真結(jié)論，設(shè)計控制系統(tǒng)，給出了系統(tǒng)框圖、控制原理圖。研究了控制系統(tǒng)的總體硬件結(jié)構(gòu)，確立了各部分硬件模塊的功能，給出了一些典型電路設(shè)計和電動機(jī)的控制及電路原理圖。4.詳細(xì)研究了PID控制算法以及程序總體設(shè)計思路，設(shè)計了主程序模塊、PID模塊、檢測模塊、水泵控制等模塊。關(guān)鍵詞：模糊PID；恒壓供水；變頻調(diào)速ABSTRACT This article first to adaptive PID

4、control system structure and principle to give explanation，and thenbriefly introduces the simulation of MATLAB toolbox and simulation method of use，and finally gives the simulationexamples and the results of analysisThis paper emphasizes on the adaptive technology and PID control technology，the comb

5、ination of the last to suppo software MATLAB powerful to prove the technical advantage With the rapid developrnent of economy and society，energy resources areseriously lacking. At the same time, the demands for quality and reliability of water supply system are increased continually. So it is inevit

6、able tendency to design one kind of water supply system which is high reliable and saves on energy well,with the help of advanced technique of automation and control. The model of the water supply system is intrinsic nonlinear and time variant，which makes it difficult to liberalize the plant. Thus t

7、he traditional PID controller cannot adapt to the changes.To tackle this problem, we have designed an adaptive controller.The paper references a lot of Chinese and foreign literature and combinespractical control requirements，and conduct theoretical study and project design on computer controlled co

8、nstant pressure water supply system. The system is based on setting parameters for the pipeline pressure，the size for usage are controlled by microcomputer in operation of the pump number and motor speed，to achieve closed-looP pipe network water pressure regulator，that is to achieve constant pressur

9、e water supply.The main work of the constant pressure water supply system，the systemstructure and working principle.Components in the system，given the system block diagram of control principle，and this system the main function of the hardware and software，a brief introduction.According to the workin

10、g principle，set of fuzzy controller，using MATLABs Simulink simulation and verification system works.Of the control systems overall hardware architecture，and established various parts of the hardware module function ,gives some typical circuit: studies of the model and the device options，on the use o

11、f various chip features and characteristies deseribed in detail: of the system hardware design circuit，given the system hardware design charts and motor control chart.Keywords: Fuzzy PID; Constant Pressure Water SuPPly; Frequency Control 目錄引言. ABSTRACT. 第一章緒論. 11.1供水控制系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀.11.2恒壓供水控制系統(tǒng)國內(nèi)外研究現(xiàn)狀.21.

12、3模糊控制在恒壓供水控制系統(tǒng)中的應(yīng)用.31.4模糊恒壓供水控制系統(tǒng)的研究意義.41.5論文的主要研究內(nèi)容.51.6本文的主要工作.51.7本章小結(jié).6第二章系統(tǒng)的模糊控制及其算法.72.1模糊控制理論的產(chǎn)生及發(fā)展.72.2模糊控制的特點.72.3模糊控制器的結(jié)構(gòu).92.3.1模糊控制規(guī)則.102.3.2模糊化接口.112.3.3隸屬度函數(shù)的確立.112.3.4去模糊化.142.4恒壓供水控制系統(tǒng)模糊控制器設(shè)計.142.5量化因子及比例因子的選擇.172.6本章小結(jié).18第三章恒壓供水控制系統(tǒng)理論分析與仿真.193.1恒壓供水的原理.193.1.1恒壓供水系統(tǒng)的特點.193.1.2供水系統(tǒng)的主要

13、參數(shù)【19】.203.2變頻恒壓供水系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型.213.3系統(tǒng)的SIMULINK軟件仿真.223.4本章小結(jié).26第四章系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計.274.1系統(tǒng)的工作流程.274.2結(jié)構(gòu)概述.274.3各部分硬件電路的結(jié)構(gòu)設(shè)計及其功能概述.284.3.1主控單片機(jī)引腳功能說明.294.3.2反饋壓力檢測電路.314.3.3輸入控制電路.324.3.4輸出控制電路.334.3.5系統(tǒng)電壓監(jiān)控及watchdog電路.334.6本章總結(jié).35第五章系統(tǒng)的軟件設(shè)計.365.1集成開發(fā)環(huán)境ADS.365.2軟件設(shè)計.375.2.1 LPC2138的初始化設(shè)計.385.2.2液晶顯示程序設(shè)計.395.2.3

14、故障檢測子程序.405.2.4按鍵設(shè)置程序設(shè)計.415.2.5串口通訊程序設(shè)計.425.2.6模糊控制程序算法.:.435.3本章總結(jié).45參考文獻(xiàn).46致謝.47第一章 緒論常規(guī)PID控制由于其結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定性好、工作可靠、調(diào)整方便而成為工業(yè)控制的主要技術(shù)之一，廣泛應(yīng)用于工業(yè)過程控制的各個領(lǐng)域。然而常規(guī)PID控制對非線性、時變系統(tǒng)的控制效果不甚理想，本文將模糊技術(shù)與PID控制系統(tǒng)相結(jié)合，構(gòu)建自適應(yīng)模糊PID控制系統(tǒng)，運用模糊推理，實現(xiàn)對PID參數(shù)的實時調(diào)整，為了驗證自適應(yīng)技術(shù)對PID控制的改進(jìn)，文章通過MATLAB的SIMULINK模塊對其進(jìn)行了仿真，和常規(guī)PID控制系統(tǒng)相比，控制效果明顯提

15、高，而借助仿真工具，可以更方便的調(diào)整參數(shù)達(dá)到最佳控制效果。模糊控制是以模糊集合論、模糊語言變量和模糊邏輯推理為基礎(chǔ)的一種計算機(jī)控制方法，用模糊集表示規(guī)則的條件和操作，并把這些模糊控制規(guī)則以及有關(guān)信息作為知識存人計算機(jī)知識庫中，然后計算機(jī)根據(jù)控制系統(tǒng)的實際響應(yīng)情況進(jìn)行控制，它是智能控制的一個重要分支，在控制領(lǐng)域獲得了廣泛應(yīng)用。自適應(yīng)技術(shù)的目的在于影響系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，模糊PID控制因為能夠在線調(diào)整PID的三個控制參數(shù)，是一種直接自適應(yīng)控制，常稱為模糊自適應(yīng)PID控制。也就是說，模糊控制技術(shù)與PID控制結(jié)合構(gòu)成模糊PID控制，而可自動實現(xiàn)對PID參數(shù)的最佳調(diào)整，就是自適應(yīng)模糊P1D控制。1.1供水控制系

16、統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀供水系統(tǒng)是一個城市的重要組成部分，它關(guān)系到城市的生存和發(fā)展。由于供水系統(tǒng)受到許多因素影響，因此，它是一個多目標(biāo)、非線性、復(fù)雜的系統(tǒng)。本論文就供水系統(tǒng)中的管網(wǎng)壓力平衡問題，采用控制管網(wǎng)壓力，利用模糊控制理論對管網(wǎng)進(jìn)行恒壓供水控制。隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步以及微機(jī)技術(shù)和大規(guī)模集成電路的迅速發(fā)展，交流電機(jī)的變頻調(diào)速技術(shù)已經(jīng)越來越完善，對交流異步電動機(jī)的調(diào)速也越來越先進(jìn)，現(xiàn)在利用變頻調(diào)速器來調(diào)速，其性能優(yōu)于以往的調(diào)速方式。最近幾年，利用單片機(jī)設(shè)計的變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)在我國逐漸盛行起來，它是變頻調(diào)速技術(shù)和微機(jī)控制技術(shù)在供水系統(tǒng)中最典型的應(yīng)用，具有節(jié)能、造價低、自動化程度高、安全、供水壓力穩(wěn)定等優(yōu)

17、點，適用于高層建筑、住宅小區(qū)的自動供水，同時安裝調(diào)試方便，可靠性高，抗干擾能力強(qiáng)，性能滿足系統(tǒng)設(shè)計要求?，F(xiàn)在的恒壓供水系統(tǒng)所應(yīng)用的電動機(jī)調(diào)速裝置大多采用交流變頻控制技術(shù)，系統(tǒng)的控制裝置采用單片機(jī)控制器，目前國內(nèi)不少公司采用變頻器控制水泵的轉(zhuǎn)速，做變頻恒壓供水工程。對于水管管網(wǎng)壓力的閉環(huán)調(diào)節(jié)及多臺水泵的循環(huán)控制方案，有的采用可編程控制器PLC，有的采用單片機(jī)。這兩種控制方案從可靠性方面講，PLC優(yōu)于單片機(jī):從經(jīng)濟(jì)性、優(yōu)化、算法等方面看，單片機(jī)優(yōu)于PLC。這兩種方法，前者容易實現(xiàn)，軟啟動器一般為成品部件，但設(shè)備投資較大; 后者設(shè)備投資少，但頻率波動大，易引起管網(wǎng)壓力不穩(wěn)定。這兩種方法都可以實現(xiàn)水泵

18、的邏輯控制，并可完成系統(tǒng)的模糊邏輯PID控制，還可以對系統(tǒng)中的各種運行參數(shù)、控制點的進(jìn)行實時的顯示，并完成系統(tǒng)運行的故障報警及打印報表等功能。自動恒壓供水系統(tǒng)具有標(biāo)準(zhǔn)的通訊接口，可與城市供水系統(tǒng)的上位機(jī)聯(lián)網(wǎng)，實現(xiàn)城區(qū)供水系統(tǒng)的優(yōu)化控制，為城市供水系統(tǒng)提供了現(xiàn)代化的調(diào)度、管理、監(jiān)控。1.2恒壓供水控制系統(tǒng)國內(nèi)外研究現(xiàn)狀發(fā)達(dá)國家的供水控制技術(shù)比較成熟，并且在實踐中得到了推廣應(yīng)用。模糊控制、專家系統(tǒng)等控制技術(shù)，在供水控制系統(tǒng)中進(jìn)行了基礎(chǔ)性研究。國內(nèi)的恒壓供水控制裝置大多采用PID控制或模糊控制，適應(yīng)性不強(qiáng)，控制精度較低，參數(shù)整定和調(diào)試麻煩。在變頻與工頻電源的切換技術(shù)上，多數(shù)采用主電路串接軟啟動器的方

19、法進(jìn)行降壓起動;也有采用切換時封鎖變頻器的控制脈沖，使變頻器的輸出為零，再切換到工頻電源上。模糊控制變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)，是根據(jù)用水量的多少，自動調(diào)整系統(tǒng)參數(shù)，實現(xiàn)恒壓供水。1.3模糊控制在恒壓供水控制系統(tǒng)中的應(yīng)用模糊控制是指能適時地調(diào)節(jié)系統(tǒng)的控制參數(shù)，以適應(yīng)外界變化、系統(tǒng)本身參數(shù)變化，降低系統(tǒng)對外界干擾的影響，使整個控制系統(tǒng)能夠以最佳的狀態(tài)在某一性能指標(biāo)下運行。在系統(tǒng)模型已知的情況下，可以采用模糊控制的方法;當(dāng)然，系統(tǒng)模型未知或者部分已知的系統(tǒng)，也可以采用模糊控制的方法，這是模糊控制方法最顯著的一個特點。通過設(shè)計一個模糊控制器，使被控對象的輸出滿足其系統(tǒng)的動態(tài)性能。對于一個控制系統(tǒng)，傳統(tǒng)的控

20、制方法，如PID控制、最優(yōu)控制、狀態(tài)反饋控制等，其控制對象只能是一個參數(shù)和狀態(tài)已知的系統(tǒng)，它的控制策略是建立在系統(tǒng)已知的基礎(chǔ)之上。而模糊控制的控制策略和控制規(guī)律是建立在系統(tǒng)未知的基礎(chǔ)之上，他不但能抑制外界干擾和環(huán)境變化對系統(tǒng)本身參數(shù)的變化，而且在某種程度上，還能有效的消除模型化對系統(tǒng)誤差的分析的影響。變頻調(diào)速恒壓供水控制系統(tǒng)由水泵、電機(jī)、變頻器等多個環(huán)節(jié)所組成，整個系統(tǒng)涉及的參數(shù)比較多，其中很多的參數(shù)都難以測定，而且有一部分參數(shù)在系統(tǒng)運行的過程中發(fā)生變化。水泵的工作具有很強(qiáng)的非線性特性，管路末端用水量的變化以及電力負(fù)載的波動及其特性的變化等都將導(dǎo)致水泵恒壓運行的工況點發(fā)生改變，從而影響系統(tǒng)的參

21、數(shù)。恒壓變頻供水在理論上是較為理想和先進(jìn)的。首先恒壓變頻供水能夠保證出水壓力不變，還可以根據(jù)終端用水量的大小進(jìn)行變頻恒壓供水，不但能夠節(jié)約電能，而且保證水泵降壓軟啟動，減少對電網(wǎng)電壓沖擊，各臺水泵輪換使用，延長水泵的使用壽命。大多數(shù)的系統(tǒng)采用先投入使用的水泵先退出運行的控制策略，這樣，各臺水泵的使用時間均勻，而且，一旦水泵出現(xiàn)故障，該系統(tǒng)能跳過故障泵運行。對于供水這樣的復(fù)雜控制系統(tǒng)，參數(shù)可變，理論上難以建立精確的數(shù)學(xué)模型，利用常規(guī)的PID控制器，難以保證在任何工況條件下系統(tǒng)始終具有最佳的控制性能。模糊控制是建立在人工經(jīng)驗基礎(chǔ)之上，無需知道控制對象的數(shù)學(xué)模型，它采用語言變量來描述系統(tǒng)特征，并依據(jù)

22、系統(tǒng)的動態(tài)信息和模糊控制規(guī)則進(jìn)行推理以獲得合適的控制量，具有對參數(shù)變化不敏感和魯棒性強(qiáng)等特點，但缺點是控制精度不高，研究表明，模糊控制和PID控制結(jié)合是提高控制性能的有效手段。為了有效地提高變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)的控制精度和魯棒性，本文設(shè)計了Fuzzy-PID控制器，利用模糊邏輯對PID參數(shù)進(jìn)行在線調(diào)整，實現(xiàn)供水管道的壓力恒定。1.4模糊恒壓供水控制系統(tǒng)的研究意義PID控制算法簡單、魯棒性好及可靠性高，被廣泛應(yīng)用于過程控制和運動控制中。在可建立精確數(shù)學(xué)模型的確定性的控制系統(tǒng)中，用常規(guī)的PID控制就可達(dá)到控制要求。然而對于非線性、時變、參數(shù)不確定、難以建立精確數(shù)學(xué)模型的生產(chǎn)過程，由于參數(shù)很難確定，

23、用常規(guī)的PID控制很難描述其生產(chǎn)過程中如果能夠不斷的測量被控對象的性能和參數(shù)，并反饋到控制器中，就可以使系統(tǒng)運行在某種意義下的最優(yōu)狀態(tài)。在供水控制系統(tǒng)中，由于水泵工作特性具有很強(qiáng)的非線性和管路的滯后特性，傳統(tǒng)的PID控制方式存在著不同程度的超調(diào)或振蕩現(xiàn)象。因此，對供水系統(tǒng)采用模糊控制來達(dá)到最優(yōu)的狀態(tài)。模糊恒壓供水系統(tǒng)能夠根據(jù)供水管網(wǎng)的用水情況，調(diào)整水泵投入臺數(shù)及轉(zhuǎn)速，實行全自動恒壓供水，達(dá)到高效節(jié)能的目的，對電網(wǎng)無沖擊，能延長水泵的使用壽命?；趩纹瑱C(jī)的智能控制供水系統(tǒng)，基本上可一以實現(xiàn)無人值守的供水工作，造價低，維護(hù)方便，壽命長，給學(xué)校、企事業(yè)單位帶來較好的社會效益。1.5論文的主要研究內(nèi)容

24、1.首先分析系統(tǒng)的工作原理，研究子恒壓供水控制系統(tǒng)的控制算法，介紹了模糊控制的基本原理及存在的問題，提出模糊PJD控制器的設(shè)計，建立了供水系統(tǒng)的近似模型，對其進(jìn)行仿真。2.介紹了基于ARM控制系統(tǒng)的硬件電路結(jié)構(gòu)框圖，對信號輸入電路、壓力檢測電路、A/D轉(zhuǎn)換電路、信號輸出電路等進(jìn)行了設(shè)計，并介紹了硬件電路設(shè)計中采取的抗干擾措施。3.設(shè)計了供水系統(tǒng)主程序流程圖、串口通訊服務(wù)程序流程圖、LCD液晶顯示模塊、模糊PID控制算法的軟件設(shè)計，以設(shè)計的硬件為開發(fā)平臺，進(jìn)行初步的調(diào)試。1.6本文的主要工作第一章緒論中介紹了此系統(tǒng)的課題背景和當(dāng)前的研究成果、國內(nèi)國際的研究現(xiàn)狀，介紹了論文的主要工作。第二章研究了

25、模糊控制系統(tǒng)的理論，論述了模糊控制理論的發(fā)展、以及模糊控制在供水系統(tǒng)中的運用，包括系統(tǒng)的模糊化理論、模糊控制規(guī)則的建立、解模糊化等過程。第三章中研究子恒壓供水系統(tǒng)的系統(tǒng)構(gòu)成及工作原理和系統(tǒng)的軟件仿真。根據(jù)系統(tǒng)的工作原理，設(shè)置模糊控制器，利用MATLAB的simulink仿真，驗證系統(tǒng)的設(shè)計。第四章論述了系統(tǒng)的構(gòu)成，給出了系統(tǒng)框圖、控制原理圖，并對系統(tǒng)中的硬件和軟件的主要功能做了簡要的介紹。在系統(tǒng)的硬件設(shè)計部分，介紹了系統(tǒng)硬件設(shè)計過程，研究了控制系統(tǒng)的總體硬件結(jié)構(gòu)，并確立了各部分硬件模塊的功能，給出了一些典型電路,研究了機(jī)型及器件的選擇和系統(tǒng)硬件設(shè)計電路，給出了系統(tǒng)硬件設(shè)計原理圖和多臺電機(jī)的控制

26、原理圖。第五章重點介紹了軟件設(shè)計開發(fā)的過程，詳細(xì)研究了PID控制算法以及程序總體設(shè)計思路，設(shè)計了主程序模塊、PID模塊、報警檢測模塊、水泵控制等功能模塊。1.7本章小結(jié)本章詳細(xì)描述了恒壓供水控制系統(tǒng)的國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀和恒壓供水控制系統(tǒng)的意義，敘述了模糊控制在恒壓供水控制系統(tǒng)中的意義，交代了論文的主要研究內(nèi)容和工作。第二章 系統(tǒng)的模糊控制及其算法模糊控制是以模糊集合論、模糊語言變量及模糊邏輯推理為基礎(chǔ)的計算機(jī)智能控制技術(shù)，在無法獲知系統(tǒng)精確的數(shù)學(xué)模型的情況下，模仿人的思維方式，以操作人員的經(jīng)驗為基礎(chǔ)，根據(jù)操作者的語言表達(dá)來確定系統(tǒng)的各個參數(shù)和控制規(guī)律，然后在實際系統(tǒng)中進(jìn)行調(diào)試和整定的一種智能控制。

27、2.1模糊控制理論的產(chǎn)生及發(fā)展作為研究事物模糊性的一種方法，模糊集合理論最早出現(xiàn)在20世紀(jì)60年代中期。Zadeh教授為處理人的思維中普遍存在的模糊性，提出了模糊集理論。模糊控制的特點，在Zadeh的“模糊集”理論的基礎(chǔ)上，對那些難以用數(shù)學(xué)解析式描述的系統(tǒng)特性，用語言變量描述出來，從而在控制過程中，用模糊控制把人的智能體現(xiàn)出來，將智能控制的高層次決策和低層次控制結(jié)合于一體，實現(xiàn)模糊控制在系統(tǒng)中的運用，這些也是模糊控制的優(yōu)點。如今，在各行各業(yè)中，都可以發(fā)現(xiàn)模糊控制技術(shù)應(yīng)用，家用電器設(shè)備己成為主攻市場，諸如智能洗衣機(jī)、微波滬、吸塵器、空調(diào)機(jī)、照相機(jī)和攝影機(jī)，在工業(yè)閉環(huán)控制系統(tǒng)中則有水凈化處理、發(fā)酵

28、控制、化學(xué)反應(yīng)釜、水泥窯爐等;在專用系統(tǒng)和其他方面的應(yīng)用有地鐵控制、電梯、自動扶梯、蒸汽引擎、聲控直升機(jī)、紙幣識別裝置以及機(jī)器人控制等等。2.2模糊控制的特點模糊控制采用語言型控制規(guī)則，模擬人工控制的過程和方法，增強(qiáng)控制系統(tǒng)的適應(yīng)能力，使之具有一定的智能水平。在設(shè)計中不需要知道被控對象的精確數(shù)學(xué)模型，依據(jù)現(xiàn)場操作人員的控制經(jīng)驗或相關(guān)專家的知識，分析系統(tǒng)的動態(tài)和靜態(tài)特性，這有利于增強(qiáng)模糊控制系統(tǒng)的魯棒性，干擾和參數(shù)變化對控制效果的影響將被大大減弱，控制機(jī)理和策略易于接受和理解，設(shè)計簡單，便于應(yīng)用，尤其適合于非線性、時變及純滯后系統(tǒng)的控。從工業(yè)過程的定性認(rèn)識出發(fā)，比較容易建立語言控制規(guī)則，因而模糊

29、控制對那些數(shù)學(xué)模型難以獲取，動態(tài)特性不易掌握或變化非常顯著的對象非常適用。常規(guī)的控制器的設(shè)計方法是基于模型的控制算法，由于出發(fā)點和勝能指標(biāo)的不同，容易導(dǎo)致較大差異，但一個系統(tǒng)語一言控制規(guī)則具有相對的獨立勝，利用這些控制規(guī)律間的模糊連接，容易找到折中的選擇，.使控制效果優(yōu)于常規(guī)控制器。模糊控制與常規(guī)的PID控制相結(jié)合，以模糊集合論、模糊語一言變量、模糊推理為思想基礎(chǔ)，根據(jù)不同的e和ec，對PID控制器參數(shù)Kp、Ki、Kd進(jìn)行在線整定。這種控制器與傳統(tǒng)的控制器相比較，具有響應(yīng)快、超調(diào)量小、魯棒性強(qiáng)的特點。模糊控制的核心部分是模糊控制器，其核心的控制規(guī)律是由計算機(jī)的程序?qū)崿F(xiàn)的，實現(xiàn)模糊控制算法的過程

30、如下:經(jīng)采樣獲取被控量的精確值，然后將此值與給定值比較得到誤差信號E，一般選取誤差信號E作為模糊控制器的一個輸入量，把誤差信號E的變化快慢作為模糊控制器的另外一個輸入量EC，把誤差信號E的精確量和誤差變化率Ec的精確量進(jìn)行模糊化變成模糊量。誤差E和誤差變化率EC的模糊量可用相應(yīng)的模糊語一言表示，得到誤差E和誤差變化率EC的模糊語言集合的一個子集e和ec，在由e和模糊控制規(guī)則R根據(jù)合成推理規(guī)則進(jìn)行模糊決策，得到模糊控制量u。u=e o R ( 2- l )模糊控制器的設(shè)計包括以下幾項內(nèi)容:確定模糊控制器的輸入變量和輸出變量(即控制量)設(shè)計模糊控制器的控制規(guī)則 確立模糊化和非模糊化(又稱清晰化)的

31、方法選擇模糊控制器的輸入變量及輸出變量的論域并確定模糊控制器的參數(shù)編制模糊控制算法的應(yīng)用程度2.3模糊控制器的結(jié)構(gòu)模糊控制器的結(jié)構(gòu)如圖2.1所示：輸入變量分別為e和ec ，輸出變量為u，輸入輸出的語言變量男E、EC和U，模糊控制規(guī)則為:R1: if E=Ai and EC = Bi，then U=Ci (2-2)式中Ai、Bi、Ci.均為輸入輸出上的模糊子集。圖2.1模糊PID控制器結(jié)構(gòu)圖模糊集合Ai、Bi、Ci的數(shù)學(xué)表達(dá)式分別為:于是，表達(dá)式可以寫成 Ai x Bi Ci (2-6)上式對應(yīng)的模糊關(guān)系R為R=A x B x C (2-7)將實際輸入量e和ec進(jìn)行模糊化，得模糊輸入量A*、B*

32、，則輸出C*可用下式求得:C*= ( A* x B* ) o R (2-8)式中，“o”為合成算子。2.3.1模糊控制規(guī)則模糊控制規(guī)則是基于專家知識或操作人員長期積累的經(jīng)驗，它是按人的經(jīng)驗知識推理的一種語言表示形式。模糊規(guī)則通常由一系列的關(guān)鍵詞連接而成，常用的關(guān)系詞為if 、then、also，對于多變量模糊控制系統(tǒng)，還有and等，他們通過關(guān)系詞將這些規(guī)則數(shù)值化。對于一個輸入變量為e (誤差) 和ec (誤差變化) 的模糊控制系統(tǒng)，輸入變量應(yīng)的語言變量為E和EC，可給出一組模糊規(guī)則：R1：IF E is NB and EC is NB then U is PBR2：IF E is NB and

33、 EC is NS then U is PM通常把if的部分稱為“條件”，而then的部分稱為“結(jié)論，基本的結(jié)構(gòu)可歸納為lf A and B then C，其中A為論域U上的一個模糊子集，B是論域V上的一個模糊子集。根據(jù)控制經(jīng)驗，可以計算生成一個控制決策表R，R是笛卡爾乘積集UxV上的一個模糊子集，則其某一時刻其控制量由下式給出:C=(A x B) o R (2-9)式中，x 模糊直積運算; o 模糊合成運算模糊控制器的關(guān)鍵是設(shè)計模糊控制規(guī)則，其規(guī)則的設(shè)計一般包括三部分：1.描述輸入和輸出變量2.定義各模糊變量的模糊子集，確定模糊子集函數(shù)曲線3建立模糊控制器的控制規(guī)則2.3.2模糊化接口模糊控

34、制器的輸入必須通過模糊化才能用于求解模糊控制器的輸出，將真實的確定量轉(zhuǎn)化為一個模糊矢量。2.3.3隸屬度函數(shù)的確立隸屬度函數(shù)的確定，要客觀反映模糊現(xiàn)象的特點，符合客觀規(guī)律，而不是主觀臆想的11,12。由于模糊現(xiàn)象本身存在著差異和每個專家在知識、實踐經(jīng)驗、判斷能力等方面不同，即使對同一個模糊概念的認(rèn)定和理解，也會有差異性，因此，隸屬度函數(shù)的確定帶有一定的主觀性。目前確定隸屬度函數(shù)的方法有如下幾種：1.模糊統(tǒng)計法對論域E上的一個確定元素e。，是否屬于論域上的一個可變動的集合，Aa是屬于一個模糊集合A，對應(yīng)的模糊概念水平為a。2.對比排序法它是通過對多個事物之間的對比來確定某種特征下的排列順序，由此

35、來決定具有這些特征的隸屬度函數(shù)的大致圖形。3.神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法 對于一個復(fù)雜系統(tǒng)，如果輸入和輸出的響應(yīng)數(shù)據(jù)間呈現(xiàn)高度非線性，就可以用模糊邏輯將輸入和輸出數(shù)據(jù)分為不同的聚類，利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來確定隸屬度函數(shù)，通過改變神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中的權(quán)系數(shù)來適應(yīng)這種變化，從而不斷修正隸屬度函數(shù)值。設(shè)e、ec、kp、ki、kd、幻的隸屬度函數(shù)均服從三角函數(shù)分布，如圖2.2所示圖2.2隸屬度函數(shù)的分布根據(jù)實際的操作經(jīng)驗和PID參數(shù)對系統(tǒng)影響，建立模糊控制規(guī)則表。用模糊控制規(guī)則表來描述模糊控制規(guī)則，由上表得到49條模糊規(guī)則，各個模糊語句之間是與或關(guān)系，由第一條語句所確定的控制規(guī)則可以計算出ut。同理，可以由其余各條語句分別求出控制量

36、u2， u49，則控制量為模糊集合u，如2-10所示 u= u1 + u2 + .+ u492.3.4去模糊化由式2- l計算出的模糊控制量可以選用一種去模糊化的方法，如采用最大隸屬度方法弓將控制量由模糊量變成精確量。在工業(yè)控制中廣泛采用加權(quán)平均法【13】。它主要是針對論域中的每個元素xi ( i = 1，2， n )，以它作為輸出模糊集合的隸屬度 u( i )今的加權(quán)系數(shù)，即取乘積xi u(i)，在計算該乘積和 對一于隸屬度和的平均值x0 ，即： （2-11）平均值x0便是應(yīng)用加權(quán)平均法為模糊集合求得的判決結(jié)果，從而得到控制量的實際值。2.4恒壓供水控制系統(tǒng)模糊控制器設(shè)計系統(tǒng)的輸入壓力范圍是

37、o-100 kpa，設(shè)定的壓力值是50kPa，壓力差的范圍是-50，50，設(shè)誤差e的基本論域為- 6，6，ec的基本論域為- 6，6，E和EC的論域為- 6，- 5，- 4，- 3，- 2，- 1，O ，1 ，2 ，3 ，4 ，5 ，6，語言變量選取負(fù)大，負(fù)中，負(fù)小，零，正小，正中，正大7個語言變量。則負(fù)大表示誤差范圍在 - 50，-35，負(fù)中表示誤差范圍- 35，- 20，負(fù)小表示的誤差范圍- 20，- 5，零表示的誤差范圍- 5，5，正小表示的誤差范圍5，20，正中表示的誤差范圍是20，35，正大表示的誤差范圍是35，50。通過模糊控制規(guī)則的建立，得到輸入與輸出的控制規(guī)則如下所示表2.2模

38、糊控制規(guī)則表PID參數(shù)模糊整定是找出比例、積分、微分這三個參數(shù)與偏差e和偏差變化率ec之間的模糊關(guān)系，在運行中通過不斷檢測e和ec，根據(jù)模糊推理來對三個參數(shù)進(jìn)行在線修改，以滿足不同e和ec對控制參數(shù)的不同要求擴(kuò)從而使被控對象具有良好的動、靜態(tài)性能。一般情況下，在不同的e和ec下被控對象對kp、ki、kd的自整定要求可歸結(jié)為：(1)當(dāng)lel較大時，為使系統(tǒng)具有較好的快速跟蹤性能，應(yīng)取較大的kp與較小的kd，同時為了避免系統(tǒng)在開始階段產(chǎn)生較大的超調(diào)，通常取ki=O;(2)當(dāng)lel和ee處于中等大小的時候，為使系統(tǒng)具有較小的超調(diào)，kp應(yīng)取得小些；在這種情況下，kd的取值對系統(tǒng)響應(yīng)的影響較大，也應(yīng)取得

39、小寫;ki的取值要適當(dāng)。(3)當(dāng)lel較小時，為使系統(tǒng)具有較好的穩(wěn)態(tài)性能，kp與ki不應(yīng)該取的很大，同時為避免系統(tǒng)在設(shè)定值附近出現(xiàn)振蕩，kd值的選擇是相當(dāng)重要的。其原則是:當(dāng)偏差變化率ec較小時，kd取大一些，ec較大時，kd取較小的值，通常kd為中等大小。PID控制器的控制規(guī)律的一般形式為: ( 2-12 )其中e(k) ，e(k) ，ec(k)分別為輸入變量偏差、偏差和變化率，kp、ki、kd分別為表征其比例、積分、微分作用的參數(shù)。則PID參數(shù)由以下公式求得:KP = KP0 + KP ( 2-13)Ki = Ki 0 + Ki (2- 14)Kd = Kd0 + Kd (2- 15)其中

40、Kp0、Ki0、Kd0表示初始的PID參數(shù)，kp、ki、kd參數(shù)按照模糊控制規(guī)則表2.2進(jìn)行調(diào)整，kp、ki、kd表示調(diào)整后的PID參數(shù)。模糊PID控制的任務(wù)是找出PID調(diào)節(jié)器的參數(shù)Kp、Ki、Kd氣偏差e和偏差變化率ec之間的模糊關(guān)系；接著在系統(tǒng)運行中不斷檢測e和ec，控制器的輸入，根據(jù)模糊控制規(guī)則對PID的三個參數(shù)進(jìn)行在線調(diào)整，并將Kp、Ki、Kd作為模糊控制器的輸出，最后根據(jù)調(diào)整后的Kp、Ki、Kd重新代人PID公式中進(jìn)行運算，計算結(jié)果即為控制器的最終輸出。其工作流程圖如圖2.3所示 圖2.3工作流程圖2.5量化因子及比例因子的選擇設(shè)計一個模糊控制器，不但要設(shè)計模糊控制規(guī)則，而且合理地選

41、擇模糊控制器輸入變量的量化因子和輸出變量的比例因子也很重要:大量的科學(xué)實驗表明，不同的量化因子和比例因子，對模糊控制器的性能影響很大。選擇合理的量化因子和比例因子，不但要考慮計算機(jī)的字長，還要考慮計算機(jī)的輸入輸出接口中D/A和A/D轉(zhuǎn)換的精度及其變化的范圍。因此，選擇量化因子和比例因子要充分考慮與D/A和A/D轉(zhuǎn)換精度，使其變換范圍被充分利用。量化因子的大小對控制系統(tǒng)的動態(tài)性能影響很大。從系統(tǒng)的穩(wěn)定性、響應(yīng)速度、超調(diào)量和穩(wěn)態(tài)精度等各方面來考慮，kp、ki、kd的作用如下【14,15】：比例系數(shù)kp的作用是加速系統(tǒng)的響應(yīng)速度，提高系統(tǒng)的調(diào)節(jié)精度。kp越大，系統(tǒng)的響應(yīng)速度越快，系統(tǒng)的調(diào)節(jié)精度越高，

42、但易產(chǎn)生超調(diào)，甚至?xí)?dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定。kp取值過小，則會降低調(diào)節(jié)精度，使響應(yīng)速度緩慢，從而延長調(diào)節(jié)時間，使系統(tǒng)靜態(tài)、動態(tài)特性變壞。積分作用系數(shù)ki的作用是消除系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差。Ki越大，系統(tǒng)的靜態(tài)誤差消除越快，但ki過大，在相應(yīng)過程的初期會產(chǎn)生積分飽和現(xiàn)象，從而引起響應(yīng)過程的較大超調(diào)。若ki過小，將使系統(tǒng)靜態(tài)誤差難以消除，影響系統(tǒng)的調(diào)節(jié)精度。微分作用系數(shù)kd的作用是改善系統(tǒng)的動態(tài)特性，其作用主要是在響應(yīng)過程中抑制偏差向任何方向的變化，對偏差變化進(jìn)行提前的預(yù)報。但kd過大，會使響應(yīng)過程提前制動，從而延長調(diào)節(jié)時間，而且會降低系統(tǒng)的抗干擾性能。2.6本章小結(jié)在這一章中，我們詳細(xì)描述了模糊控制理論的產(chǎn)生、

43、發(fā)展過程，概述了模糊控制理論在工程中的應(yīng)用過程，包括控制器的結(jié)構(gòu)設(shè)計、控制規(guī)則的建立、模糊化接口和解模糊化，通過模糊規(guī)則的建立和模糊推理，使實際的模擬量與數(shù)字量建立了聯(lián)系，查詢表格，修正參數(shù)，滿足系統(tǒng)的控制要求。 第三章恒壓供水控制系統(tǒng)理論分析與仿真3.1恒壓供水的原理對供水系統(tǒng)進(jìn)行的控制，實際上是為了滿足用戶對水的流量需求，讓用戶得到穩(wěn)定的水量。因此，流量就成了供水系統(tǒng)的基本控制對象。在不同時間（如自天和晚上)、不同季節(jié)(如冬天和夏天)，用水流量的變化是很大的，這就造成供水不足或者供水過剩的情況時有發(fā)生。一般情況下，管道中水壓的大小與用水需求之間的平衡情況有關(guān):如供水能力用水需求，則壓力上升

44、如供水能力用水需求，則壓力下降如供水能力=用水需求，則壓力不變由此可見，要保持某處供水系統(tǒng)的壓力恒定，實際上是保證該處的供水和用水處于平衡狀態(tài)，這就是恒壓供水所要達(dá)到的目的。3.1.1恒壓供水系統(tǒng)的特點1、滯后性供水系統(tǒng)的控制對象是用戶管網(wǎng)的水壓，它同其他一些變量(如:溫度、流量、濃度等)一樣，是一個過程控制量，對控制作用的響應(yīng)具有滯后性。2、非線性用戶管網(wǎng)中因為有管阻、水錘等因素的影響，同時又由于水泵的一些固有特性，使水泵轉(zhuǎn)速的變化與管網(wǎng)壓力的變化不成正比，因此變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)是一個非線性系統(tǒng)。3、多變性恒壓供水系統(tǒng)要面向各種各樣的供水系統(tǒng)，而不同系統(tǒng)的管網(wǎng)結(jié)構(gòu)和揚程等方面存在著較大的差

45、異，因此其控制對象的模型一定要具有多變性。4、時變性在調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)中，由于有水泵的時時控制，其運行狀態(tài)影響供水系統(tǒng)的模型參數(shù)，使其發(fā)生不確定性變化，因此可以認(rèn)為，變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)的控制對象是時變的。5、容錯性當(dāng)出現(xiàn)意外的情況（如突然斷電、水泵、變頻器、軟啟動器故障等)時，系統(tǒng)能根據(jù)不同的情況自動進(jìn)行投切，保證管網(wǎng)內(nèi)壓力恒定。在故障發(fā)生時，執(zhí)行專門的故障程序，保證在緊急情況下的仍能進(jìn)行供水。6、節(jié)能性系統(tǒng)用變頻器進(jìn)行調(diào)速，用調(diào)節(jié)泵和固定泵的組合進(jìn)行恒壓供水，節(jié)能效果顯著，對每臺水泵進(jìn)行軟啟動，啟動電流可從0增大到電機(jī)額定電流，減少了啟動電流對電網(wǎng)的沖擊的同時，減少了啟動慣性對設(shè)備的大慣量

46、的轉(zhuǎn)速沖擊，延長了設(shè)備的使用壽命。3.1.2供水系統(tǒng)的主要參數(shù):a流量(Q)：單位時間內(nèi)流過管路內(nèi)某一截面的水量b揚程(H)：單位質(zhì)量的水被水泵上揚時所達(dá)到的能量。揚程主要包括3個部分：提升上揚水位所需能量、克服水在管網(wǎng)中的流動阻力所需能量、使水流動具有一定的流速所需的能量，由于后面兩個參數(shù)較小且不變，所以，常用水位的變化量來代表量程。C管阻(R)：表示管路系統(tǒng)(包括水管、各種閥門和連接裝置)對水流產(chǎn)生阻力的物理量，管阻特性反映了水泵的能量用來克服泵系統(tǒng)的水位及壓力差、液體在管道中的流動阻力的變化規(guī)律。根據(jù)管網(wǎng)特性，描述供水系統(tǒng)的基本特征如下圖3.1所示:圖3.1供水系統(tǒng)的基本特祝圖中兩條曲線均是在閥門開度不變的前提廠描繪的揚程特卞仁曲線和管陰特性曲線。從圖中可以看出：流量Q越大，揚程H越小。在閥門開度和