基于模糊PID的三容水箱液位控制系統(tǒng)應(yīng)用研究的初步計(jì)劃(共15頁(yè))

1、系統(tǒng)仿真(fn zhn)項(xiàng)目實(shí)訓(xùn)報(bào)告(bogo)題目(tm)：基于模糊PID的三容水箱液位控制系統(tǒng)應(yīng)用研究 專(zhuān)業(yè)班級(jí)： 自動(dòng)化組長(zhǎng)姓名： 成員姓名： 完成日期 2015年11月18日1 選題背景及意義 液位控制在鋼鐵、石油化工、食品灌裝等行業(yè)中應(yīng)用極為普及(pj)，對(duì)此進(jìn)行研究有很高的實(shí)用價(jià)值。目前在實(shí)際生產(chǎn)中應(yīng)用的液位控制系統(tǒng)，主要以傳統(tǒng)的PID控制算法為主。PID控制(kngzh)是以對(duì)象的數(shù)學(xué)模型為基礎(chǔ)的一種控制方式。對(duì)于簡(jiǎn)單的線(xiàn)性、時(shí)不變系統(tǒng)，數(shù)學(xué)模型容易建立，采用PID控制能夠取得滿(mǎn)意的控制效果。但對(duì)于復(fù)雜的大型系統(tǒng)，其數(shù)學(xué)模型往往難以獲得，通過(guò)簡(jiǎn)化(jinhu)、近似等手段獲得數(shù)學(xué)

2、模型不能正確地反映實(shí)際系統(tǒng)的特性。對(duì)于此類(lèi)問(wèn)題，傳統(tǒng)的PID控制方式顯得無(wú)能為力。2 基本原理一、傳統(tǒng)的PID工作原理 PID控制就是按照設(shè)定值(如溫度，壓力等)與實(shí)際值誤差的比例、積分、微分產(chǎn)生控制作用。它是液位控制中運(yùn)用最廣泛的一種方式。實(shí)際運(yùn)行效果和理論分析表明，這種控制規(guī)律在相當(dāng)多的工業(yè)生產(chǎn)中能得到比較滿(mǎn)意的效果。在傳統(tǒng)的工業(yè)控制技術(shù)中，它結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，在長(zhǎng)期運(yùn)用中積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)，在連續(xù)系統(tǒng)控制中技術(shù)成熟，也是迄今為止使用最廣泛的控制方法。給定值r(f)與實(shí)際值y(r)構(gòu)成控制誤差:e(t) = r(t) - y(t)P1D控制器根據(jù)P(，)將誤差的比例(P)、積分(I)和微分(D)通過(guò)

3、線(xiàn)性組合構(gòu)成控制量，對(duì)受控對(duì)象進(jìn)行控制，其控制規(guī)律為：二、模糊控制系統(tǒng)原理下面一維輸入的模糊控制器為例簡(jiǎn)要介紹一下模糊控制器的基本原理，原理框圖如圖所示。模糊(m hu)控制器是控制部分的核心，其控制規(guī)律由計(jì)算機(jī)的程序?qū)崿F(xiàn)?？刂扑惴ǖ倪^(guò)程為：計(jì)算機(jī)經(jīng)過(guò)采樣獲得控制量的(參數(shù)(cnsh)精確值，然后(rnhu)將此量與給定值比較得到誤差e，把誤差信號(hào)e進(jìn)行模糊化處理變成模糊量。誤差e的模糊語(yǔ)言集合的一個(gè)子集為e，再以e和模糊控制規(guī)則R根據(jù)模糊決策，得到模糊控制量材=eR。為了被控對(duì)象的精確控制，需要將模糊量U轉(zhuǎn)換為精確量，經(jīng)輸出接口轉(zhuǎn)換為模擬量送給執(zhí)行機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了被控對(duì)象的模糊控制。模糊控制算法

4、的處理過(guò)程為：根據(jù)本次采樣得到系統(tǒng)的輸入量；將輸入變量的精確值變?yōu)槟：?；根?jù)輸入模糊量和模糊控制規(guī)則，進(jìn)行模糊判斷計(jì)算輸出模糊量；將得到的模糊量經(jīng)過(guò)計(jì)算得到執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制量。模糊控制器的設(shè)計(jì)內(nèi)容主要包括：確定控制器的輸入變量和輸出變量；設(shè)計(jì)模糊控制器的控制規(guī)則；確定模糊化和非模糊化的計(jì)算方法；選擇模糊控制器的輸入輸出變量的值域并確定控制器的參數(shù)；編制模糊控制算法的應(yīng)用程序并進(jìn)行調(diào)試等。三、模糊PID控制系統(tǒng) 由于單純的模糊控制器相當(dāng)于傳統(tǒng)的PD控制器，存在靜差，因此本文決定采用模糊PID控制方法設(shè)計(jì)三容水箱控制器，根據(jù)三容水箱的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，這里采用二維模糊控制器，以偏差g和偏差變化率eC作為模

5、糊控制器的輸入變量，KP，K，KD作為輸出，實(shí)現(xiàn)PID參數(shù)的自整定，提高控制器性能。本文所采用的模糊PID控制器結(jié)構(gòu)如圖所示： 其中，模糊控制器的作用是對(duì)PID控制的三個(gè)參數(shù)K，K，KD進(jìn)行校正，在此我們把K，K，KD分為初始部分和校正部分，在此模糊控制其中，將偏差e和偏差變化率ec作為該控制器的輸入變量，將三個(gè)參數(shù)的偏移量作為控制器的輸出變量。 式中最后的參數(shù)(cnsh)分別為在第k個(gè)采樣時(shí)刻(shk)模糊控制器計(jì)算出來(lái)的PID控制器三個(gè)系數(shù)(xsh)的矯正量。KPo、Ki。和KDo為PID參數(shù)給定初值。3 研究?jī)?nèi)容一、了解三容水箱試驗(yàn)系統(tǒng)，通過(guò)理論分析和試驗(yàn)方法建立三容水箱的數(shù)學(xué)模型。（1

6、）借用的數(shù)學(xué)模型一： 實(shí)驗(yàn)邏輯結(jié)構(gòu)如下圖：水流入量Qi由調(diào)節(jié)閥控制：上、中、下三個(gè)水箱的流出量Q1、Q2、Q3則由負(fù)載閥來(lái)改變；被控制量為下水箱水位h3。 三容水箱實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ褪疽鈭D被控制量h3和水流入量Qi之間的傳遞函數(shù)：（2）借用(jiyng)的數(shù)學(xué)模型二： 三容水箱(shuxing)液位對(duì)象的模型如圖： 根據(jù)動(dòng)態(tài)(dngti)物料平衡關(guān)系，可得其一般數(shù)學(xué)模型 其中，C1、C2、C3分別為三個(gè)水箱的液容，h1、h2、h3分別為三個(gè)水箱的液位高度，三個(gè)函數(shù)分別為所設(shè)置阻力流量特性。由三號(hào)水箱非線(xiàn)性阻力流量特性決定了被控對(duì)象的流量特性，觀(guān)察流量曲線(xiàn)，發(fā)現(xiàn)液位在030、3060、6070、70100

7、時(shí)，qh分段呈似線(xiàn)性關(guān)系，如圖，故采用分段線(xiàn)性化的方法來(lái)代替非線(xiàn)性阻力流量特性。被控制(kngzh)量h和水流入量Q之間的分段(fn dun)線(xiàn)性傳遞函數(shù)： 但是第一種方法不適合我建立的Simulink仿真(fn zhn)，所以我選擇了第二種方法中液位范圍為030的傳遞函數(shù)。二、傳統(tǒng)的PID控制方法在Matlab/Simulink環(huán)境下，對(duì)PID控制系統(tǒng)進(jìn)行仿真，仿真圖形如圖：本文選用(xunyng)了臨界靈敏度法調(diào)節(jié)PID，先去掉微分與積分作用，只保留(boli)比例控制作用，當(dāng)選定了合適的采樣周期Ts后，在閉環(huán)比例控制下采用逐漸(zhjin)增大比例系數(shù)Kp的方法，直至使系統(tǒng)產(chǎn)生等幅震蕩為

8、止，記下此時(shí)的臨界增益Kc和臨界震蕩周期Tc，然后根據(jù)Kc、Tc、Ts等數(shù)據(jù)以及經(jīng)驗(yàn)公式來(lái)整定PID調(diào)節(jié)器的參數(shù)。等幅震蕩圖形確定臨界增益Kc和臨界震蕩周期Tc后，然后根據(jù)Kc、Tc、Ts等數(shù)據(jù)以及經(jīng)驗(yàn)公式整定PID調(diào)節(jié)器的參數(shù)為Kp = 20、Ki = 2、Kd = 0.2；最終得到的仿真圖形如下：三、模糊(m hu)理論的模糊PID控制器（一）模糊(m hu)控制器的建立 在主界面輸入(shr)fuzzy，進(jìn)入模糊控制器界面，建立以偏差e和偏差變化率ec作為模糊控制器的輸入變量，Kp，Ki，Kd作為輸出的模糊控制器。其中，三個(gè)輸出量與PID控制器里的Kp，Ki，Kd的關(guān)系為：（1）模糊控制

9、規(guī)則的設(shè)計(jì)根據(jù)三容水箱的實(shí)際情況，把e、ec、Kp、Ki、Kd的論域劃分為7個(gè)等級(jí)，即為： 本文中選取輸入變量e、ec以及輸出變量Kp、Ki、Kd的模糊語(yǔ)言子集為負(fù)大fNB)，負(fù)中(NM)，負(fù)小(NS)，零(Z)，正小(PS)，正中(PM)，正大(PB)。 這里選取三角形函數(shù)作為輸入變量及輸出變量的隸屬函數(shù)，下面給出了e、ec的隸屬度函數(shù)，如下圖所示：（2）模糊控制規(guī)則(guz)Kp規(guī)則(guz)表Ki規(guī)則(guz)表Kd規(guī)則表（3）模糊(m hu)控制器建成模糊(m hu)控制器的規(guī)則模糊(m hu)控制器的規(guī)則圖模糊控制器的三維圖KpKiKd模糊(m hu)控制器界面（二）在Matlab/Simulink環(huán)境(hunjng)下，對(duì)模糊(m hu)PID控制系統(tǒng)進(jìn)行仿真，仿真原理圖如圖：仿真(fn zhn)的圖形如下：4 結(jié)論(jiln)（1）傳統(tǒng)(chuntng)PID控制這里我們MATALB軟件分別編寫(xiě)了三容水箱的傳統(tǒng)PID控制程序模糊PID控制程序仿真程序?qū)θ菟鋵?duì)象函數(shù)進(jìn)行仿真研究。仿真結(jié)果如下：（2）模糊(m hu)PID控制量化因子(ynz)為：Ke=1.5，Kec=0.5但是