【正文】 ........................................ 32 謝 辭 ............................................................................................................................ 34 內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 1 第一章 緒論 引言 正常運(yùn)行的生產(chǎn)設(shè)備必須保證產(chǎn)品滿足一定的數(shù)量和質(zhì)量的要求，同時(shí)也要保證生產(chǎn)設(shè)備的安全性和經(jīng)濟(jì)性。因此，要求生產(chǎn)設(shè)備在規(guī)定的工況下運(yùn)行。但是生產(chǎn)過(guò)程在進(jìn)行的時(shí)候總是在許多因素的影響下，如果不加以操作和控制就不能保證生產(chǎn)過(guò)程的正常進(jìn)行。 通常來(lái)講，液位控制的本質(zhì)是通過(guò)控制某一執(zhí)行機(jī)構(gòu)，進(jìn)而達(dá)到控制液面的效果。控制過(guò)程中被控對(duì)象的液 位往往被選擇為主要被控參數(shù)，控制的目的就是使液位值能夠穩(wěn)定的保持在工業(yè)生產(chǎn)要求給定的范圍之內(nèi)。在很多行業(yè)生產(chǎn)運(yùn)行過(guò)程中，液位檢測(cè)都是非常重要的，如在電力企業(yè)安全生產(chǎn)中，汽包水位的正常就是鍋爐運(yùn)行的一個(gè)重要監(jiān)控參數(shù)，它間接反映了鍋爐蒸汽負(fù)荷與給水量之間的平衡關(guān)系，維持汽包水位的正常是保證鍋爐和汽輪機(jī)安全運(yùn)行的必要條件。 在本課題中，以液位控制系統(tǒng)的水箱為研究對(duì)象，水箱的液位為被控制量。液位的時(shí)間常數(shù) T一般很大，有很大的容積遲延，如果采用常規(guī)單回路控制系統(tǒng)來(lái)控制，可能無(wú)法達(dá)到較好的控制質(zhì)量，所以有必要尋求更有效 的方法對(duì)液位進(jìn)行控制，克服流量等對(duì)液位造成的干擾。為了改善其調(diào)節(jié)過(guò)程的動(dòng)態(tài)性能，我們采用串級(jí)控制，其副回路可以很快的消除作用于內(nèi)回路的擾動(dòng)。本文主要研究模糊控制這個(gè)先進(jìn)的控制方法在本課題中的應(yīng)用，以期達(dá)到良好的控制效果。論述了模糊控制理論、模糊控制器的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)。本文所設(shè)計(jì)出的模糊控制器用在液位控制系統(tǒng)中，并通過(guò) Matlab軟件進(jìn)行仿真，當(dāng)液位控制系統(tǒng)的模型參數(shù)變化時(shí)，系統(tǒng)能具有良好的控制效果。 研究的意義和目的 傳統(tǒng)的控制器參數(shù)的整定往往是由人工實(shí)現(xiàn)的，采用的一般是試驗(yàn)加試湊方法，這樣的整定過(guò)程不 僅要以人類長(zhǎng)期工作積累的經(jīng)驗(yàn)和技巧為基礎(chǔ)，而且還需要耗費(fèi)大量的時(shí)間。除此之外，傳統(tǒng)的控制器是建立在精確的數(shù)學(xué)模型之上的，所以適應(yīng)能力較差。在控制過(guò)程中，如果被控對(duì)象的模型發(fā)生改變，那么控制器就必須隨之做出相應(yīng)的調(diào)整，甚至需要重新進(jìn)行整定?？紤]到工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程的連續(xù)性和經(jīng)濟(jì)性，重新整定的工作實(shí)際很難進(jìn)行，甚至幾乎是不可能的。將模糊控制技術(shù)應(yīng)用于類似系統(tǒng)的控制中的理念就應(yīng)運(yùn)而生了。隨著近年來(lái)對(duì)模糊控制的重視度不斷提高，以及模糊控制思應(yīng)用于眾多領(lǐng)域中取得的良好效果，人們逐漸認(rèn)識(shí)到將模糊控制應(yīng)用到非線性系統(tǒng)中，憑借其 適應(yīng)性強(qiáng)即魯棒性能優(yōu)越、控制過(guò)程無(wú)超調(diào)、動(dòng)態(tài)響應(yīng)迅速等特點(diǎn)，可以有效解決系統(tǒng)的非線性內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 2 問(wèn)題。如在液位控制系統(tǒng)中，可以獲得很好的控制性能。因此在液位控制系統(tǒng)的控制器設(shè)計(jì)中采用模糊控制，在實(shí)際應(yīng)用中也取得了較好的效果。 美國(guó)加州大學(xué) 博士于 1965 年發(fā)表了關(guān)于模糊集的論文，之后，模糊數(shù)學(xué)的飛速發(fā)展，促使了一種把人們長(zhǎng)期工作生產(chǎn)得到的經(jīng)驗(yàn)轉(zhuǎn)化為具有邏輯規(guī)則的語(yǔ)言，從而控制被控量的思想的誕生。這一思想為模糊控制理論的形成提供了堅(jiān)實(shí)的理論依據(jù)，非線性系統(tǒng)中模糊控制的應(yīng)用也成為克服非線性的一種重要手段。 到目前為止，模糊控制已經(jīng)廣泛的應(yīng)用于各領(lǐng)域，并且取得了很好的成績(jī)。尤其是在工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域更是取得了長(zhǎng)足的發(fā)展，在家電行業(yè)模糊相機(jī)、模糊洗衣機(jī)、模糊冰箱等 “模糊 ”產(chǎn)品的出現(xiàn)，可見(jiàn)一斑。模糊控制理念也得到了越來(lái)越多的工程技術(shù)人員的歡迎和認(rèn)可，究其原因，較常規(guī)的精確邏輯控制，模糊控制的工程運(yùn)用中具有以下特征： (1)控制系統(tǒng)的建立不要求被控對(duì)象具有精確數(shù)學(xué)模型，只需提供長(zhǎng)期生產(chǎn)過(guò)程中積累的經(jīng)驗(yàn)及數(shù)據(jù)。 (2)魯棒性好。無(wú)論被控對(duì)象是線性的還是非線性的，都能進(jìn)行有效的控制，具有較強(qiáng)的適應(yīng)性。 (3)以語(yǔ)言變量代替常 規(guī)的數(shù)學(xué)變量，易于構(gòu)造形成專家權(quán)威的理念和知識(shí)。 (4)容易被人們接受認(rèn)可。設(shè)計(jì)過(guò)程類似于人類思考的方式，以人類長(zhǎng)期工作生活獲得的經(jīng)驗(yàn)為依據(jù)，因而易被人們接受和理解。 (5)模糊邏輯沒(méi)有硬性的指標(biāo)要求，表現(xiàn)十分柔性。對(duì)于一個(gè)既定的系統(tǒng)，我們可以很容易的直接加以處理和研究，并不需要從起步開(kāi)始著手。這樣一來(lái)，與傳統(tǒng)成熟的控制理論與技術(shù)相結(jié)合就變的十分容易。仍需說(shuō)明的是，模糊控制系統(tǒng)的建立往往不需要將原有的傳統(tǒng)控制方法徹底刪除，而是僅僅在原有的控制策略上做簡(jiǎn)單的修改，便可以加以使用。 模糊控制的研究現(xiàn) 狀 盡管在眾多的生產(chǎn)實(shí)踐中，模糊控制理論憑借其自身的優(yōu)勢(shì)取得了巨大的進(jìn)步很發(fā)展，但是，相較于其他領(lǐng)域，模糊控制理論的發(fā)展依舊落后于其應(yīng)用的發(fā)展，成熟理論指導(dǎo)的缺失是限制模糊控制理論長(zhǎng)足發(fā)展的一個(gè)重要原因。模糊控制理論的研究與發(fā)展，首先需要?jiǎng)?chuàng)建一個(gè)工作結(jié)構(gòu)與框架，這樣做的目的就是為了通過(guò)研究模糊控制算法的演變推理過(guò)程，進(jìn)而了解模糊控制器的工作原理和實(shí)質(zhì)，并且憑借著這樣的原理和大量的實(shí)踐，尋求出模糊控制與常規(guī)的控制方法之間的異同之處與內(nèi)在關(guān)聯(lián)。這樣的構(gòu)建，具有深遠(yuǎn)的意義，它可以將已然成熟并應(yīng)用于實(shí)際的常規(guī)控制 理論服務(wù)于模糊控制領(lǐng)域，彌補(bǔ)因理論缺失而裹足不前的模糊理論發(fā)展進(jìn)程，進(jìn)而為模糊控制理論的進(jìn)步和發(fā)內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 3 展提供強(qiáng)大的動(dòng)力。除此之外，我們還可以利用成熟的常規(guī)控制理論去解析模糊控制器的內(nèi)在結(jié)構(gòu)與決策方法，更好地了解模糊控制器的工作原理，進(jìn)而方便工作人員更好地建立模型與編輯模糊邏輯規(guī)則?？梢灶A(yù)見(jiàn)，這必將是推動(dòng)模糊控制發(fā)展的一條必經(jīng)之路。 本課題的主要工作 ，首先建立起被控對(duì)象（液位系統(tǒng)的水箱）的模型。 ，制定出模糊控制隸屬度函 數(shù)及模糊控制規(guī)則，設(shè)計(jì)出模糊控制器，確定調(diào)節(jié)器的參數(shù)。 ，根據(jù)模型對(duì)模糊控制液位控制系統(tǒng)進(jìn)行仿真研究。 ，分析仿真結(jié)果，比較水箱模型改變后對(duì)系統(tǒng)性能的影響。 ，說(shuō)明本課題設(shè)計(jì)的系統(tǒng)有利于改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)能，控制性能良好，是一種有效的控制方法。 內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 4 第二章 液位控制系統(tǒng)及模型建立 液位控制系統(tǒng) 本課題中液位控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是針對(duì)雙容水箱的動(dòng)態(tài)過(guò)程控制。系統(tǒng)控制的主要目的 是將下水箱的液位維持在正常生產(chǎn)過(guò)程給定的范圍之內(nèi)。系統(tǒng)的主要干擾源為隨機(jī)流入水箱的水使水箱液位波動(dòng)。若流入量過(guò)大，則超出水箱的警戒水位；若流入量不足，則液位下降，出于生產(chǎn)需求等方面的考慮，不能使水位低于某一臨界值。 液位控制系統(tǒng)組成 整個(gè)液位控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖 21 所示。 圖 21 液位控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 液位控制系統(tǒng)由上水箱、下水箱、儲(chǔ)水箱、液位變送器、控制器、電動(dòng)調(diào)節(jié)閥等結(jié)構(gòu)組成。電動(dòng)調(diào)節(jié)閥的開(kāi)度大小決定上水箱進(jìn)水量的多少，液位變送器用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)上、下水箱的液位，將監(jiān)測(cè)值送入控制器，促使控制作 出判斷，進(jìn)而發(fā)出指令作用于控制閥，控制閥門(mén)開(kāi)度的大小。 液位控制系統(tǒng)的控制目標(biāo) 本課題中雙容水箱的液位值變化區(qū)間為 H=0～ 100mm，設(shè)計(jì)的目標(biāo)是通過(guò)設(shè)計(jì)正確的模糊控制器，能夠使雙容水箱過(guò)程中下水箱的液位值快速、準(zhǔn)確、穩(wěn)定地維持在要求的變化區(qū)間之內(nèi)，進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后液位的穩(wěn)態(tài)誤差不大于 5mm，運(yùn)行過(guò)程中，當(dāng)系統(tǒng)有隨機(jī)的擾動(dòng)干擾時(shí)，被控量在控制器的作用下能夠快速做出響應(yīng)，進(jìn)而控制執(zhí)行器動(dòng)作，使被控量再次恢復(fù)到要求的范圍之內(nèi)。 建立液位控制系統(tǒng)的水箱模型 由于在后續(xù)的仿真過(guò)程中需要用到被控對(duì)象的數(shù) 學(xué)模型，所以本節(jié)旨在建立水箱液位控制的模型，以方便后續(xù)研究。液位控制系統(tǒng)中，控制器通過(guò)控制電動(dòng)調(diào)節(jié)閥的開(kāi)度進(jìn)而控制水箱的液位，電動(dòng)調(diào)節(jié)閥即為執(zhí)行機(jī)構(gòu)。本文采用機(jī)理建模的方法來(lái)獲得它的數(shù)學(xué)模型。 內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 5 雙容水箱被控對(duì)象的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型 圖 22 分離式雙容液位過(guò)程 如圖 22 所示，分離式雙容液位過(guò)程由兩個(gè)管路分離的水箱串聯(lián)而成。它有兩個(gè)儲(chǔ)水容器，稱之為雙容過(guò)程。整個(gè)系統(tǒng)不斷有水流入 ，同時(shí)也不斷有水流出，水的流入量由電動(dòng)執(zhí)行器控制閥門(mén) 1 的開(kāi)度控制。系統(tǒng)流出量 Q3 根據(jù)生產(chǎn)的需求通過(guò)負(fù)載閥門(mén) 3控制。為保證調(diào)節(jié)參數(shù)的要求，主調(diào)節(jié)器參數(shù)選取下水箱的液位值，上水箱的液位作為副調(diào)節(jié)參數(shù)，串接起來(lái)形成串級(jí)控制系統(tǒng)。與下水箱相連接的液位傳感器將檢測(cè)到的下水箱液位實(shí)時(shí)值與系統(tǒng)的給定值進(jìn)行比較分析后傳送到模糊控制器，經(jīng)模糊控制器的運(yùn)算后，其輸出值作為電動(dòng)控制閥的操作指令，進(jìn)而使調(diào)節(jié)閥做出相應(yīng)動(dòng)作，控制進(jìn)水量的大小，從而控制水箱的液位。 忽略由于兩容器間管道的時(shí)間遲延以及容器的蒸發(fā)量，以閥門(mén) 1 的開(kāi)度 u 為過(guò)程 輸入，以下水箱的液位高度 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 為輸出，建立該過(guò)程的數(shù)學(xué)模型。 根據(jù)物料的動(dòng)態(tài)平衡關(guān)系，列出雙容過(guò)程的的增量方程 dthdAΔQΔQ 1121 ??? 其中：2121 。 RhQuKQ u ?????? 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 。 dthdAΔQΔQ 2232 ??? 其中：223 RhQ ??? ， 以上各式中， 1Q 、 2Q 、 3Q 分別表示流過(guò)閥門(mén) 3 的流體流量；u Q2 Q1 Q3 閥門(mén) 3 閥門(mén) 1 閥門(mén) 2 內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 6 1h 、 2h 分別表示水箱 2 的液位； 1A 、 2A 分別表示水箱 2 的截面積； 2R 、 3R 分別表示 閥門(mén) 3 的液阻； u為閥門(mén) 1 的開(kāi)度； 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 為閥門(mén) 1 的流量比例系數(shù)。 消去中間變量 1Q? 、 2Q? 、 3Q? 、 1h? ，取 111 RAT? , 322 RAT ? , 3RKK u? 得到式21。 uKhdt hdTTdt hdTT ????????22212 2221 )(錯(cuò)誤 !未找到引用源。 （ 21） 對(duì)上式進(jìn)行拉氏變換，可以得到閥門(mén) 1 的開(kāi)度變化 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 與水箱 2 的液位變化 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 之間的傳遞函數(shù)，得到： )1)(1(1)()( )( 21212212 ??????? sTsT KsTTsTT Ksu sH錯(cuò)誤 !未找到引用源。 （ 22） 式中， )}({)( 22 thLsH ?? ， )}({)( tuLsu ?? 。式 22 中，各參數(shù)的求取方法如下： 本設(shè)計(jì)采用雙容水箱液位控制系統(tǒng)，如圖 22 所示，設(shè) 1 號(hào)水箱輸入量為 1Q ，輸出量為 2Q ，同時(shí) 2Q 作為 2 號(hào)水箱的輸入量， 3Q 為 2 號(hào)水箱的輸出量。 根據(jù)動(dòng)態(tài)物料平衡關(guān)系，單位時(shí)間內(nèi)進(jìn)入被控過(guò)程的物料減去單位時(shí)間內(nèi)從被控過(guò)程流出的物料等于被控過(guò)程內(nèi)物料存儲(chǔ)量的變化率可得函數(shù)關(guān)系： dtdhC 1121 ??， )( 112 hfQ ? dtdhC 2232 ??， )( 223 hfQ ? 所以得到狀態(tài)方程為： 112221121112101)(1)(1)(1QChfChfChfChhdtd?????????????????????????????? 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 （ 23） 液容定義為引起單位位能變化所需要 的容器中存儲(chǔ)液體量的變化。容器的液容等于容器的橫截面積。 內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 7 圖 23 1 號(hào)水箱的平面圖 1 號(hào)水箱的液容的計(jì)算： 211 6 9 5 1 02 0 051 3 5521 1 01 2 0)1024 0 0()931022026 4 0( mmC? ???????????????? 圖 24 2 號(hào)水箱的平面圖 2 號(hào)水箱的液容計(jì)算： 221 6 6 5 8 52020205526545110120)102400()93102202640( mmC? ??????????????????阻力板流量特性分析（液阻的求?。? 阻力板的特點(diǎn)：水箱中的水波和渦流經(jīng)過(guò)隔板的多次削弱后，雙容過(guò)程中水流可近似認(rèn)為是流速平緩穩(wěn)定的紊流。因此為方便研究，我們對(duì)流 經(jīng)線性阻力板的水流進(jìn)行以下四條近似處理： (1)采用微元原理。流經(jīng)線性阻力板的同一高度上任意一個(gè)微小的元的水流流動(dòng)速度相同，物理方向在同一直線上。 (2)水流流經(jīng)線性阻力板時(shí)，都在做垂直于阻力板平面的運(yùn)動(dòng)，無(wú)平行于該平面的運(yùn)動(dòng)。 (3)阻力板后方的大氣壓強(qiáng)為