【正文】 難達(dá)到自平衡。：上水箱的入水量由電動調(diào)節(jié)閥控制：上、中、下三個水箱的出水量、通過改變負(fù)載閥的開度來改變；系統(tǒng)的被控制量是下水箱液位高度。(4)由于對三容水箱系統(tǒng)的控制主要通過計算機(jī)來完成，所以，可由計算機(jī)編程實現(xiàn)各種控制算法來對水箱系統(tǒng)進(jìn)行控制，為控制算法的研究提供了良好的試驗平臺。(5)A／D、D／A接口，通過數(shù)據(jù)采集卡的A／D轉(zhuǎn)換功能將把傳感器采集的模擬電壓信號轉(zhuǎn)換成計算機(jī)可識別的數(shù)字信號，同時通過此數(shù)據(jù)采集卡的D／A轉(zhuǎn)換功能，將設(shè)定的數(shù)字電壓信號轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的模擬電壓信號傳送給比例電磁閥，從而調(diào)節(jié)進(jìn)水流量，執(zhí)行各種控制算法。第二章 液位控制系統(tǒng) 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)，其組成的各個部分簡單介紹如下： 三容水箱實驗系統(tǒng)的控制結(jié)構(gòu)圖(1)控制器，由計算機(jī)軟件實現(xiàn)，主要實現(xiàn)各種控制算法，如增量式PID控制算法、模糊PID控制算法等；(2)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，包括水泵、比例電磁流量閥及其控制器、溢流閥等。合肥工業(yè)大學(xué)盧娟提出了將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制理論與PID相結(jié)合的算法，充分利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的自學(xué)習(xí)、精度高的優(yōu)點，提高了三容水箱液位控制的魯棒性。華中科技大學(xué)的侯燕在三容水箱液位控制系統(tǒng)的研究這篇學(xué)位論文中以三容水箱液位控制系統(tǒng)為被控對象，研究了模糊控制算法，并通過仿真驗證了其可靠性。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)不像專家系統(tǒng)那樣需要事先建立知識庫，知識的獲取只需足夠的訓(xùn)練樣本，能夠模擬現(xiàn)實系統(tǒng)復(fù)雜的輸入輸出關(guān)系，具有很強(qiáng)的非線性建模能力，由于它具有適應(yīng)能力和學(xué)習(xí)能力，因此很適合用作智能控制的研究工具。預(yù)測控制主要代表為動態(tài)矩陣控制、模型算法控制和廣義預(yù)測控制，預(yù)測控制算法涉及的參數(shù)較多，如預(yù)測長度、控制時域長度、加權(quán)陣等，關(guān)于算法中的主要參數(shù)與閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)定性、動靜態(tài)特性和魯棒性之間的定量解析表達(dá)式還難以得到，尤其是多變量系統(tǒng)的魯棒性的分析和綜合方面的研究還不夠成熟。2）控制算法方面。GWT實驗裝置是由固高科技有限公司協(xié)同香港城市大學(xué)聯(lián)合研制開發(fā)而成，經(jīng)過香港城市大學(xué)三年的實踐檢驗，充分的證實了其潛在的教學(xué)、實驗和研究價值。采用參數(shù)自整定模糊PID控制系統(tǒng)對環(huán)境的適應(yīng)能力強(qiáng)，在隨機(jī)的環(huán)境中可以在線調(diào)整PID控制的參數(shù)，在被控對象存在擾動情況下控制系統(tǒng)仍然保持良好的性能。這幾個特點都嚴(yán)重影響PID控制的效果。借助該裝置不僅可以實現(xiàn)簡單的參數(shù)辨識、單回路控制、串級控制、比值控制，還可以實現(xiàn)復(fù)雜的滯后控制、解耦控制等。因此，能否找到一種具有典型對象特性的實驗裝置至關(guān)重要。但是受到各種因素的影響，目前控制技術(shù)和學(xué)術(shù)研究成果很難與實際的工業(yè)生產(chǎn)應(yīng)用技術(shù)相同步，有的甚至相差幾十年。連續(xù)過程工業(yè)的發(fā)展對于我國國民經(jīng)濟(jì)意義重大。如今工業(yè)自動化越來越普及，如何確保在提高經(jīng)濟(jì)效益和社會效益的基礎(chǔ)上，既達(dá)到預(yù)期的經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)，又能改善勞動條件、保護(hù)生態(tài)環(huán)境，這將是過程控制技術(shù)所面臨的巨大挑戰(zhàn)。不僅如此，往往越高深越先進(jìn)的控制理論，對它的研究卻僅局限于極少數(shù)的科研院所，脫離了工業(yè)生產(chǎn)這個應(yīng)用基地。三容水箱液位控制系統(tǒng)作為一種物理模擬對象，模擬了工業(yè)現(xiàn)場多種復(fù)雜的控制系統(tǒng)。通過三容水箱對象的參數(shù)調(diào)試和引入部分干擾等形式的設(shè)計，可以構(gòu)造出具有大滯后和參數(shù)可變等不同狀態(tài)下的被控對象模型；并且可以在不同的反應(yīng)時段任意加入不同類型的干擾來進(jìn)行不同算法的控制特性研究。常規(guī)PID控制由于采用固定的參數(shù)，難以保證系統(tǒng)適應(yīng)控制系統(tǒng)的參數(shù)變化和工作條件變化，液位始終有較大波動，得不到理想效果。 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀1）控制對象方面。用戶通過此裝置既可以進(jìn)行經(jīng)典PID控制器設(shè)計和調(diào)試，又可以通過模糊邏輯控制器的設(shè)計和調(diào)試進(jìn)行智能控制教學(xué)實驗與研究。對于簡單的單容、雙容液位控制系統(tǒng)，通常選用常規(guī)的控制算法如單回路PID控制、串級PID控制、前饋控制、SMITH預(yù)估補(bǔ)償控制、大林算法、解耦控制等等。智能控制是針對被控系統(tǒng)及其控制環(huán)境和任務(wù)不確定性而提出的，智能控制過程是含有復(fù)雜性、不確定性、模糊性且一般不存在已知算法的非傳統(tǒng)數(shù)學(xué)公式化的過程，因此智能控制系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)對環(huán)境和任務(wù)的變化具有快速應(yīng)變能力，應(yīng)能完成各種復(fù)雜多變的任務(wù)。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制和模糊控制分別單獨在三容水箱液位系統(tǒng)中的應(yīng)用較多，控制效果也比較明顯。不僅如此，還將三容水箱建模以及控制方法推廣到現(xiàn)實的教學(xué)實驗中，并取得了很好的效果。 研究意義及目的從工程應(yīng)用角度講，三容水箱實驗系統(tǒng)具有很強(qiáng)的代表性和工業(yè)背景，通過各閥門的開關(guān)可組成不同階次的系統(tǒng)對象及簡單和復(fù)雜的控制回路，模擬故障的隨機(jī)發(fā)生等，這些實驗對象的存在為系統(tǒng)辨識、控制理論及故障診斷等的研究提供了典型的被控對象，尤其是為智能控制理論的研究提供較好的驗證平臺，它的設(shè)計研制可及時解決無法為理論研究提供實際背景支持的難題。比例電磁閥負(fù)責(zé)向?qū)嶒炁_的玻璃容器注水，通過控制比例閥的輸入電壓可改變其出口流量，進(jìn)而達(dá)到控制容器內(nèi)液位高度的目的；溢流閥起到保證整個系統(tǒng)壓力恒定作用。 系統(tǒng)特點三容水箱系統(tǒng)是有較強(qiáng)代表性和工業(yè)背景的對象，具有非常重要的研究意義和價值，主要是因為它具有如下特點：(1)通過改變各個閥門的關(guān)閉或打開狀態(tài)可構(gòu)成靈活多變的對象，如一階對象、二階對象或雙入多出系統(tǒng)對象等。(5)可以在控制過程中隨時改變泄水閥門的狀態(tài)，從而模擬故障的發(fā)生，這也為故障診斷的研究提供了研究對象和試驗平臺。 三容水箱實驗結(jié)構(gòu)圖被控對象數(shù)學(xué)模型的建立通常用下列兩種方法：一種是分析法，即根據(jù)過程的機(jī)理，物料或能量平衡關(guān)系求得其數(shù)學(xué)模型；另一種是用實驗的方法確定。例如下水箱的流出量為，流入量為，如果閥門F111的開度太大同時F19和F110開度太小，勢必流出量要遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過流入量，這樣一來很難達(dá)到自平衡狀態(tài)。按照流體力學(xué)原理，水箱流出量與出口靜壓有關(guān)，同時還與調(diào)節(jié)閥門的阻力R有關(guān)，它們?nèi)叩年P(guān)系可以用下式表示： （）流體在一般流動條件下，液位h和流量之間的關(guān)系是非線性的。由式子（）可知，只要確定了三個水箱的水阻，這個三階微分方程的參數(shù)就定下來了，進(jìn)而可以確定三容水箱系統(tǒng)的傳遞函數(shù)。二十世紀(jì)七十年代以來，隨著計算機(jī)技術(shù)飛速發(fā)展和應(yīng)用普及，由計算機(jī)實現(xiàn)的數(shù)字PID控制不僅簡單地將PID控制規(guī)律數(shù)字化，而且可以進(jìn)一步利用計算機(jī)的邏輯判斷功能，開發(fā)出多種不同形式的PID控制算法，使得PID控制的功能和實用性更強(qiáng)，更能滿足工業(yè)過程提出的各種各樣的控制要求。PID控制器可分為模擬PID和數(shù)字PID。應(yīng)用在計算機(jī)控制的PID控制器，稱之為數(shù)字PID控制器，常見的有位置式PID控制算法和增量式PID控制算法。 位置式PID系統(tǒng)框圖這種算法的缺點是，由于是全量輸出，所以每次輸出均與過去的狀態(tài)有關(guān)，計算時要對e(k)進(jìn)行累加，所以計算機(jī)上工作量大。 PID控制的作用PID控制器由三部分組成，分別是比例單元、積分單元和微分單元，PID的調(diào)節(jié)就是通過對這三個單元的參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，進(jìn)而通過線性組合構(gòu)成控制量來實現(xiàn)對被控對象的控制。2）積分單元（I）。相反，T的值越大，積分作用就越弱。微分單元反映了系統(tǒng)偏差信號的變化率，具有一定的預(yù)見性，因而能對偏差的變化趨勢作出預(yù)見，故能產(chǎn)生超前的控制作用。微分作用不能單獨使用，需要與另外兩種調(diào)節(jié)規(guī)律相組合，結(jié)成PD或者PID控制器。因此，采用PID控制器，無論從靜差、還是從動態(tài)的角度來說，控制品質(zhì)都得到了改善。在Simulink中構(gòu)造的模型如下圖所示： 傳統(tǒng)PID控制Simlink模型圖根據(jù)多次參數(shù)調(diào)試，得出較好的一組PID參數(shù)值，=， ==1。但是對于具有非線性大滯后的系統(tǒng)，常規(guī) PID 控制算法還不能很好的對其控制；由于 SMITH 預(yù)估補(bǔ)償控制、大林算法以及解耦控制等算法對控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型依賴性較強(qiáng)，因此常規(guī)的控制方法很難在三容水箱這種具有高階非線性、慢時變、大滯后的系統(tǒng)中取得較好的控制效果。隨著科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，各個領(lǐng)域?qū)ψ詣涌刂葡到y(tǒng)控制精度、響應(yīng)速度、系統(tǒng)穩(wěn)定性以及自適應(yīng)能力要求提高，所涉及的控制對象也日益復(fù)雜多變。人腦的重要特點之一就是有能力對模糊事物進(jìn)行識別與判決，看起來似乎不確切的模糊手段常?？梢赃_(dá)到精確的目的。模糊控制的價值需要從兩個方面來考慮：一方面，模糊控制提出一種新的機(jī)制用于實現(xiàn)基于知識甚至語義描述的控制規(guī)律；另一方面，模糊控制為非線性控制提出一個比較容易的設(shè)計方法，尤其是當(dāng)被控對象因含有不確定性而很難用常規(guī)非線性控制理論處理時。1974年，倫敦Queen Mary學(xué)院的Mamdarli首次用模糊邏輯實現(xiàn)了第一個試驗性的蒸汽機(jī)控制，并取得了比傳統(tǒng)DDC控制更好的效果，這標(biāo)志著采用模糊邏輯進(jìn)行工業(yè)控制的開始，宣告了模糊控制的誕生。1979年，英國的1．J．Procyk和Mamdani設(shè)計一種自組織模糊控制器，在控制過程中可以不斷地修改和調(diào)整控制規(guī)則，使控制系統(tǒng)的性能不斷完善，標(biāo)志著模糊控制器開始向智能化方向發(fā)展。最近幾年，對經(jīng)典模糊控制系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)性能的改善、模糊集成控制、模糊自適應(yīng)控制、專家模糊控制以及多變量模糊控制的研究，特別是針對復(fù)雜控制系統(tǒng)的自學(xué)習(xí)與參數(shù)(或規(guī)則)自調(diào)整模糊系統(tǒng)方面的研究，受到國內(nèi)外學(xué)者的高度重視。在自動控制領(lǐng)域,以模糊集理論為基礎(chǔ)發(fā)展起來的模糊控制為將人的控制經(jīng)驗及推理過程納入自動控制提供了一條便捷途徑。模糊控制器通過它們從被控對象獲取數(shù)字量，并向執(zhí)行機(jī)構(gòu)輸出模擬量。 模糊控制器分類圖中一維模糊控制器的輸入為被控量的偏差E，即設(shè)定值與反饋值之