智能液位控制系统仿真研究.doc
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1、 题 目:智能液位控制系统仿真研究智能液位控制系统仿真研究摘要随着工业的发展,液位控制在各种过程控制中的应用越来越广泛,为保证生产过程的安全,效益等对液位控制的精确要求,传统PID控制和模糊控制在液位控制中都有应用。根据不同情况下对液位控制的要求,选择最适合的控制方法,本文以单容、双容水箱的液位控制模型为研究对象,将传统的PID控制和模糊控制进行比较,观察到传统PID控制措施简便,但超调量大,趋于稳定状态所需时间长;模糊控制超调量小,趋于稳定状态所需时间短,但设置模糊控制规则所需时间长,模糊控制鲁棒性强。 本文介绍了PI控制和模糊控制在单容水箱、双容水箱液位控制系统中的应用。首先介绍了P,I,
2、D控制、模糊控制以及模糊控制的基本原理,建立了双容水箱液位控制系统数学模型,然后利用MATLAB/Simulink工具对控制对象进行了跟踪设定值、适应对象参数变化和抗扰动特性方面的仿真研究。仿真结果表明模糊控制算法与常规算法相比具有鲁棒性强和动态性能好等特点,该控制方法对于双容水箱系统控制是有效的。关键词:单容水箱系统;双容水箱系统;P,I,D控制;模糊控制;仿真。Intelligent Control System of Level Simulation StudyAbstractWith industrial development,level control in a variety o
3、f process applications control more and more widely.In order to ensure the safety of the production process, effectiveness of the precision of liquid level control requirements,traditional PID control and fuzzy control in the liquid level control applications in both.cases according to different req
4、uirements of level control,choosing the most appropriate control method,In this paper,a one-tanker、Two-tanker water tank level control model is Study,traditional PID control and fuzzy control to compare observed that the tradition of simple PID control measures is Simple,However,overshoot is large,
5、The time required for stabilizing the state is long; Fuzzy control of amount of overshoot is small,The time required for stabilizing the state is short,However,fuzzy control rule require for a long time, fuzzy control Robustness is strong.This essay introduces the application on fuzzy control and PI
6、 control in one-tank and two-tank water level system.Firstly,P,I,D control,fuzzy control and the basic principles of fuzzy control and PID control are introduced and the mathmetic model of two-tank water level control system is setup.And then the control system is setup based on MATLAB/Simulink.Afte
7、r that,capabilities of following set-Point,restraining disturbs and fitting changes on Process model are studied by simulation in order to show their characteristic and applicability.The results of simulation show that the fuzzy PID controller has improved dynamic and static performance of control s
8、ystem and has obtained good control quality. That is to say,this control method is effeetiveon systems such as two-tank water system.Keywords:one-tank water;two-tank water;PID Control;Fuzzy Control;Simulation。目录摘要IAbstractII第一章 引言11.1问题的提出及研究意义11.1.1 PID控制器的应用与发展11.1.2 模糊控制产生的背景与意义21.1.3 水箱控制系统研究的意义
9、31.2控制算法研究的意义和现状41.3本文的主要工作5第二章 液位控制方法概述62.1水箱控制系统简介62.2单容液位控制系统72.3过程建模方法82.3.1机理演绎法82.3.2实验辨识法92.3.3混合法92.4单容液位控制系统传递函数建模92.5双容液位控制系统102.6双容液位控制系统传递函数建模11第三章 控制算法理论基础143.1 PID控制算法概述143.1.1 PID控制原理143.1.2 PID运算电路方框图153.1.3 PID控制器的特点163.2模糊控制算法163.2.1 模糊控制的产生及发展173.2.2 模糊控制的特点193.2.3模糊控制在应用中的基本思想203
10、.2.4模糊控制的基本原理213.2.5模糊控制系统的组成213.3模糊控制器的设计223.3.1 模糊控制器的设计方法223.3.2 模糊控制器的结构设计233.3.3模糊控制规则设计243.3.4 精确量的模糊化263.3.5 模糊推理283.3.6 模糊量去模糊化283.3.7 模糊查询表的建立30第四章液位控制系统仿真研究334.1仿真环境的介绍334.2 系统仿真354.2.1单容液位比例控制系统仿真354.2.2单容液位比例积分控制系统仿真354.2.3双容液位比例控制系统仿真374.2.4双容液位比例积分控制系统仿真384.2.5双容模糊控制39第五章 液位控制系统仿真结果分析4
11、45.1过程控制系统的性能指标445.2单容液位控制系统仿真结果分析465.3调节规律的选择495.4调节器参数的整定495.4.1工程整定法495.4.2 经验法50参考文献51致 谢53第一章 引言1.1问题的提出及研究意义 自动控制理论的形成和发展经历了经典控制理论、现代控制理论和智能控制理论三个阶段。其中,经典控制理论和现代控制理论是建立在精确的数学模型的基础之上的,而智能控制理论适合用来解决系统模型和环境本身均不确定的问题。1987年智能控制正式成为一门独立的学科,它是人工智能、运筹学和自动控制理论等多学科相结合的交叉学科。模糊控制是模仿人的控制过程,其中包含了人的控制经验和知识。因
12、而从这个意义上说,模糊控制也是一种智能控制。模糊控制方法既可以用于简单的控制对象,也可以用于复杂的过程。1.1.1 PID控制器的应用与发展在过去的几十年里,控制器在工业控制中得到了广泛应用。在控制理论和技术飞速发展的今天,工业过程控制中95%以上的控制回路都具有PID结构,并且许多高级控制都是以PID控制为基础的。我们今天所熟知的控制器产生并发展于1915-1940年期间。尽管自1940年以来,许多先进控制方法不断推出,但PID控制器以其结构简单,对模型误差具有鲁棒性及易于操作等优点,仍被广泛应用于冶金、化工、电力、轻工和机械等工业过程控制中。PID控制器作为最早实用化的控制器已有70多年历
13、史,它的算法简单易懂、使用中参数容易整定,也正是由于这些优点,PID控制器现在仍然是应用最广泛的工业控制器。PID的发展过程,很大程度上是它的参数整定方法和参数自适应方法的研究过程。最早的参数工程整定方法是在1942年由Ziegler和Niehols提出的简称为Z-N的整定公式,尽管时间已经过去半个世纪了,但至今还在工业控制中普遍应用。1953年Cohen和Coon继承和发展了Z-N公式,同时也提出了一种考虑被控过程时滞大小的Cohen-Coon整定公式。自Ziegler和Nichols提出参数整定方法起,有许多技术已经被用于PID控制器的手动和自动整定。按照发展阶段划分,可分为常规PID参数
14、整定方法及智能PID参数整定方法:按照被控对象个数来划分,可分为单变量PID参数整定方法及多变量PID参数整定方法,前者包括现有大多数整定方法,后者是最近研究的热点及难点:按控制量的组合形式来划分,可分为线性PID参数整定方法及非线性PID参数整定方法,前者用于经典PID调节器,后者用于由非线性跟踪-微分器和非线性组合方式生成的非线性PID控制器。从目前PID参数整定方法的研究和应用现状来看,以下几个方面将是今后一段时间内研究和实践的重点:(1) 对于单入单出被控对象,需要研究针对不稳定对象或被控过程存在较大干扰情况下的参数整定方法,使其在初始化、抗干扰和鲁棒性能方面进一步增强,使用最少量的过
15、程信息及较简单的操作就能较好地完成整定。(2) 对于多入多出被控对象,需要研究针对具有显著耦合的多变量过程的多变量PID参数整定方法,进一步完善分散继电反馈方法,尽可能减少所需先验信息量,使其易于在线整定。(3) 智能控制技术有待进一步研究,将自适应、自整定和增益计划设定有机结合,使其具有自诊断功能:结合专家经验知识、直觉推理逻辑等专家系统思想和方法对原有PID控制器设计思想及整定方法进行改进:将预测控制、模糊控制和PID控制相结合,进一步提高控制系统性能。这些都是智能控制发展的极有前途的方向。1.1.2 模糊控制产生的背景与意义随着现代科学技术的迅速发展,生产系统的规模越来越大,形成了复杂的
16、大系统,导致了控制对象、控制器以及控制任务和目的的日益复杂化。另一方面,人类对自动化的要求也更加广泛,传统的自动控制理论和方法显得已不能适应复杂系统的控制。在许多系统中,复杂性不仅仅表现在很高的维数上,更多表现在:(1) 被控对象模型的不确定性;(2) 系统信息的模糊性;(3) 高度非线性;(4) 多层次,多目标的控制要求。因此,建立一种更有力的控制理论和方法来解决上述提出的问题,就显得十分重要。模糊控制是智能控制的一种典型和较早的形式,作为智能控制的一个分支,1974年英国的Mandani成功将其应用于锅炉和蒸汽机的控制,近几年来得到了飞速的发展。模糊控制是模糊数学和控制理论相结合的产物,它
17、利用了人的思维具有模糊性的特点,通过使用模糊数学中的隶属度函数、模糊关系、模糊推理等工具得到控制表格进行控制,它具有许多特点:(1) 不需要建立被控对象的数学模型;(2) 系统鲁棒性强;(3) 模糊控制方法易于掌握。因此,它特别适用于那些难以获得过程的精确数学模型及具有时变、时滞、非线性、大滞后的复杂工业控制系统,具有较强的鲁棒性和抗干扰能力。现在模糊控制被越来越多地应用于工业过程、家用电器等复杂场合。模糊控制系统的核心是模糊控制器,而模糊控制规则是设计模糊控制器的核心,它实际上决定了控制系统的性能及控制效果。模糊控制也有缺陷:(1) 以前,模糊控制规则完全是凭操作者的经验或专家知识获取的,这
18、并不能保证规则的最优或次最优,达到最佳控制的目的;(2) 规则的获取没有系统的步骤可以遵循;(3) 在控制过程中,外界突加干扰,参数大幅度变化,原来总结的经验和规则不够等因素,都会严重影响控制质量。为适应现代工业控制的要求,模糊控制器在应用中正朝着自适应、自组织、自学习方向发展,使模糊控制真正达到智能控制的目的。研究智能模糊控制器,可以克服模糊控制器设计过程中缺乏完整的系统性的不足,使这种控制过程更加符合人们在控制决策过程中的思维特点,充分发挥其描述不精确控制行为和不受数学模型限制的特点:可以改变模糊控制理论相对落后于应用的局面,提高过程控制中状态发生大幅变化时的鲁棒性,扩大其应用范围,从而使
19、模糊控制对复杂系统进行更为有效的控制。应用智能模糊控制器,可以提高产品的质量和产量、降低能耗,经济效益显著,从而实现生产过程及产品智能化的目标。1.1.3 水箱控制系统研究的意义随着工业生产的飞速发展,人们对生产过程的自动化控制水平、工业产品和服务产品质量的要求也越来越高。每一个先进、实用控制算法和监测算法的出现都对工业生产具有积极有效的推动作用。然而,当前的学术研究成果与实际生产应用技术水平并不是同步的,通常情况下实际生产中大规模应用的算法要比理论方面的研究滞后几年,甚至有的时候这种滞后相差几十年。这是目前控制领域所面临的最大问题,究其根源主要在于理论研究尚缺乏实际背景的支持,一旦应用于现场
20、就会遇到各种各样的实际问题,制约了其应用。因而,在目前尚不具有在实验室中实现真实工业过程条件的今天,开发经济实用且具有典型对象特性的实验装置无疑是一条探索将理论成果快速转换为实际应用技术的捷径。多容器流程系统是具有纯滞后的非线性耦合系统,是过程控制中的一种典型的控制对象,在实际生产中有着非常广泛的应用背景。用经典控制方法和常规仪表控制这类过程时,常因系统的多输入多输出关系以及系统的内部关联系而使系统构成十分复杂,会明显地降低控制系统的调节品质,在耦合严重的情况时会使各个系统均无法投入运行。水箱液位控制系统是模拟多容器流程系统的多输入多输出、大迟延、非线性、藕合系统,它的液位控制算法的研究对实际
21、的工程应用有着非常重要的意义。工业生产过程控制中的被控对象往往是多输入多输出系统,回路之间存在着耦合的现象。即系统的某一个输入影响到系统的多个输出,或者系统的某一个输出受到多个系统输入的影响。有时对该多变量系统进行解藕能够获得满意的控制效果。1.2控制算法研究的意义和现状液位控制就是对某一容器内的液体的进入量或流出量进行控制,从而使液体的高度保持在所希一望的数值上。液位控制在钢铁、石油化工、食品灌装等行业中应用极为普及,对此进行研究有很高的实用价值。目前在实际生产中应用的液位控制系统,主要以传统的PID控制算法为主。PID控制是以对象的数学模型为基础的一种控制方式。对于简单的线性、时不变系统,
22、数学模型容易建立,采用PID控制能够取得满意的控制效果。但对于复杂的大型系统,其数学模型往往难以获得,通过简化、近似等手段获得数学模型不能正确地反映实际系统的特性。对于此类问题,传统的PID控制方式显得无能为力。液位控制由于其应用极其普遍,种类繁多,其中不乏一些大型的复杂系统。它主要有以下几个特点:(l)时滞性很大;(2)时变性;(3)非线性。这几个特点都严重影响PID控制的效果,当实际生产对控制有较高的性能指标要求时,就需要寻找一种新的控制方式。随着控制理论的迅速发展,在工业过程控制中先后出现了许多先进的控制算法。模糊控制是智能控制研究中最为活跃而又富有成果的领域,涌现出众多新的模糊控制技术
23、和方法并得以广泛应用。由于在存在“不相容原理”的情况下,模糊逻辑对于问题的描述能在准确和简明之间取得平衡,使其具有实际意义,因此模糊控制理论的研究和应用在现代自动控制领域中有着重要的地位和意义。模糊控制不需要精确的数学模型,因而是解决不确定性系统控制的一种有效途径。此外,模糊逻辑是柔性的,对于给定的系统很容易处理以及直接增加新的功能,易于与传统的控制技术相结合。但是,单纯的模糊控制也存在精度不高、易产生极限环振荡等问题。从上述模糊控制和PID控制各自的优势和局限性可以看出,如果把传统线性PID和模糊控制结合起来,取长补短,可使系统的控制性能得到提高,是一种很实用的控制方法。因此,在模糊控制的研
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