【正文】 9 串級(jí)控制 ............................................................................................................... 29 串級(jí)系統(tǒng)的特點(diǎn)及適用場(chǎng)合 ........................................................................ 29 主、副調(diào)節(jié)器的選擇 .................................................................................... 30 數(shù)學(xué)模型的建立 ................................................................................................... 30 MATLAB 仿真 ...................................................................................................... 33 設(shè)備的連接和相關(guān)檢查 ................................................................................ 34 模糊 PID 在液位控制系統(tǒng)中的應(yīng)用 ................................................................... 36 參考文獻(xiàn) .................................................................................................................................... 41 致謝 ............................................................................................................................................ 43 V 附錄 ............................................................................................................................................ 44 1 1 緒論 液位控制的研究背景 液位控制是工業(yè)中常見的過 程控制， 是自來水廠、化肥廠、鍋爐廠、煉鐵廠水處理等系統(tǒng)的重要環(huán)節(jié)， 它對(duì)生產(chǎn)的影響不容忽視。所以，液位控制裝置的可靠性與控制方案的準(zhǔn)確性是影響整個(gè)系統(tǒng)性能的關(guān)鍵。它主要所謂六大參數(shù)，即溫度、壓力、流量、液位 (或物位 )、成分和物性等參數(shù)的控制問題。 對(duì)象動(dòng)態(tài)特性純?cè)跍蠛头蔷€性 生產(chǎn) 的過程許 多是在 很大 的生產(chǎn)設(shè)備 的 內(nèi) 部 進(jìn)行，例如，熱工程中鍋爐、換熱器、動(dòng)力核反應(yīng)堆等，對(duì)象的儲(chǔ)存能力大，慣性也較大，設(shè)備內(nèi)介質(zhì)的流動(dòng)或熱量傳遞都存在一定的阻力，并且往往具有自動(dòng)轉(zhuǎn)向平衡的趨勢(shì)。 基于模糊自適應(yīng) PID 算法的液位控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 2 3 過程控制方案豐富多樣 由于工業(yè)過程的復(fù)雜性和多樣性，決定了過程控制系統(tǒng)的控制方案的多樣性。傳統(tǒng)的簡(jiǎn)單過程控制系統(tǒng)是由過程檢測(cè)控制儀表（包括測(cè)量元件、變送器、調(diào)節(jié)器和執(zhí)行器）組成和被控過程連接部分組成，從過程控制的基本組成來看，過程控制系統(tǒng) 總是包括對(duì)過程變量的檢測(cè)變送、對(duì)信號(hào)的控制運(yùn)算和輸出到執(zhí)行裝置，完成所需操縱變量的改變，從而達(dá)到所需的控制指標(biāo)。 液位控制是工業(yè)生產(chǎn) 過程中經(jīng)常會(huì)碰 到的控制對(duì)象，由于液體本身屬性及控制 機(jī)構(gòu)磨擦、噪聲等的影響，控制對(duì)象具有一定純滯后和容量滯后的特點(diǎn)，液位上升過程緩慢，呈現(xiàn)非線性。模糊 PID控制就是將模糊控制思想與常規(guī) PID 控制器相結(jié)合，吸收了模糊控制與常規(guī) PID控 制兩者的優(yōu)點(diǎn)。軟件包括： MCGS組態(tài)軟件、 MATLAB等。整 套 系統(tǒng)實(shí)用美觀，功能多樣， 操作 方便，既能進(jìn)行驗(yàn)證性 與 設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)， 還能 進(jìn)行 綜合性實(shí)驗(yàn)，可以滿足不同層次的教學(xué)和研究要求 [5]。例如，液位 、溫度 等相應(yīng)的傳感器，以及 渦輪 、電磁等流量計(jì)，還有 壓力 測(cè)量表、電動(dòng)調(diào)節(jié)閥和 電磁閥等。在負(fù)載電阻 250/50Ω兩端取信號(hào)電壓，當(dāng)負(fù)載電阻接 250Ω時(shí)信號(hào)電壓為 1~5V，當(dāng)負(fù)載電阻切換成 50Ω時(shí)信號(hào)電壓為 ~1V。 電動(dòng)調(diào)節(jié)閥，如圖 25： 圖 25 電動(dòng)調(diào)節(jié)閥 （ 3） 遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集模塊： ICP701 ICP7024 亞當(dāng) ICP7017模塊面板如圖 26所示， 24V供電，提供了 4通道的輸入端口， A/I0， A/I1， A/I2， A/I3。 同時(shí) MCGS 嵌入版組態(tài) 軟件能夠與其他的相關(guān)的硬件設(shè)備結(jié)合，可以快速、方便的開發(fā)各種用 型號(hào) 功能 I7107 模 擬 量 輸 入 分辨率 16bit 輸入通道 8 路差動(dòng) 采樣率 10Hz 電壓輸入 +/150mV +/500mV +/1mV +/5V +/10V 電流輸入 +/20mA 型號(hào) 功能 I7024 模 擬 量 輸 出 分辨率 14bit 輸出 通道 4 路差動(dòng) 電壓輸出 +/10V +/5V 0~10V 0~5V 電流輸出 0~20mA 4~20mA 基于模糊自適應(yīng) PID 算法的液位控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 8 于現(xiàn)場(chǎng)采集、數(shù)據(jù)處理和控制的設(shè)備。 (3) 多媒體畫面生動(dòng)、豐富，能夠?yàn)槭褂萌藛T及時(shí)的提供相關(guān)實(shí)時(shí)信息。 MCGS 組態(tài)軟件的構(gòu)成 MCGS組態(tài)系統(tǒng)由組態(tài)環(huán)境、運(yùn)行環(huán)境兩大 部分 組成 。運(yùn)行環(huán)境本身沒有任何意義，必須與組結(jié)果數(shù)據(jù)庫(kù)一起作為一個(gè)整體，才能構(gòu)成用戶應(yīng)用系統(tǒng)。 圖 210 MCGS 系統(tǒng)結(jié)構(gòu) MCGS 的設(shè)計(jì) 首先，建立一個(gè)新的工程，用鼠標(biāo)單擊“新建工程”選項(xiàng)，如果 MCGS 安裝在 D 盤根目錄下，則會(huì)在 D： \ MCGS\WORK\下自動(dòng)生成新建工程，如圖 211： MCGS 主控窗口 設(shè)備窗口 運(yùn)行策略 實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù) 用戶窗口 系統(tǒng)菜單 系統(tǒng)參數(shù) 啟動(dòng)參數(shù) 設(shè)備構(gòu)件n 設(shè)備構(gòu)件1 動(dòng)畫構(gòu)件 圖符 數(shù)據(jù)對(duì)象 圖元 退出策略 循環(huán)策略 啟動(dòng)策略 存盤處理 警報(bào)處理 自定義策略 組態(tài)環(huán)境 ： 組態(tài)生成 應(yīng)用系統(tǒng) 運(yùn)行環(huán)境： 解釋執(zhí)行 組態(tài)結(jié)果 組 態(tài)結(jié)果 數(shù)據(jù)庫(kù) 。數(shù)據(jù)對(duì)象是構(gòu)成實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)的基本元件，建立實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)的過程也就是定義數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)象的處理過程。 MATLAB 仿真軟件 MATLAB 是 MATrix LABoratory（矩陣實(shí)驗(yàn)室）的縮寫，它自從 1984 年由美國(guó) Math Works公司推出以來，經(jīng)過不斷改進(jìn)和發(fā)展，現(xiàn)已成為國(guó)際公認(rèn)的優(yōu)秀的工程應(yīng)用開發(fā)環(huán)境。 （ 2） 具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理和科學(xué)計(jì)算能力 [2] MATLAB 仿真軟件包含 600 多個(gè)工程 當(dāng) 中 經(jīng)常 要用的數(shù)學(xué)計(jì)算函數(shù)，可以 滿足 用戶所想要 的各種計(jì)算功能。在 當(dāng)前 模型化流行 的背景下， Simulink 正好體現(xiàn)了這種模塊化的設(shè)計(jì)思想，讓 建模和 仿真 變得十分簡(jiǎn)單 。 Simulink 提供 了 一個(gè)系統(tǒng)建模、仿真和綜合分析的環(huán)境。 PID控制器的提出到現(xiàn)在 已有近 70多 年 的 歷史 了，它憑借著 簡(jiǎn)單 的結(jié)構(gòu)、良好的穩(wěn)定性和可靠性，而且 調(diào)整方便 等特點(diǎn)，使之 成為工業(yè)控制的主要技術(shù)之一。 PID控制器就是根據(jù)系統(tǒng)的誤差，利用比例、積分、 微分計(jì)算出控制量進(jìn)行控制的。 2. 適應(yīng)性強(qiáng)，應(yīng)用廣泛，在化工、熱工、冶金、煤油 等各種生產(chǎn)部門 都以 PID控制為主 。對(duì)穩(wěn)態(tài)特性的影響，加大 kp，在系統(tǒng)穩(wěn)定的情況下可以減小靜差 Ess，提高控制精度，但不能消除靜差 。 控制器的輸出信號(hào)為： ?? tI dttektu 0 )()( ? ?43? 或者說，積分控制器輸出信號(hào) )(tu 的變化速率與輸入信號(hào) )(te 成正比，即： )()( tekdttdu I? ? ?53? 積分控制往往使得系統(tǒng)的穩(wěn)定性下降，積分時(shí)間 常數(shù) Ti變小，會(huì)使系統(tǒng)震蕩次數(shù)增加，甚至不穩(wěn)定，積分時(shí)間 常數(shù) Ti 變大，則對(duì)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能的影響減小。 控制器的輸出信號(hào)為： kp g（ s） h(s) r(s) c(s) _ + 基于模糊自適應(yīng) PID 算法的液位控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 16 tdteTKteKtu iPP ??? t0 )()()( ? ?73? PI控制器可以使系統(tǒng)在進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后無穩(wěn)態(tài)誤差。 數(shù)字 PID 控制器 比例 積分 微分 對(duì)象模型 PID 控制器 r(t) e(t) u(t) y(t) 17 數(shù)字 PID控制在工業(yè)生產(chǎn)中是應(yīng)用最廣泛的一種控制方法。 上述離散化過程中，為了 保證有足夠的精度 ，采樣周期 T 必須足夠短 。 (2) 增量型 PID 控制算法 所謂增量型 PID 是指數(shù)字控制器的輸出是控制器的增量△ u。 PID 控制參數(shù)對(duì)系統(tǒng)性能的影響 PID控制器的參數(shù)， Kp， Ti,Td對(duì)系統(tǒng)性能的影響可以歸納為以下幾個(gè)方面 （一）比例系數(shù) Kp對(duì)系統(tǒng)性的影響 1． 對(duì)動(dòng)態(tài)特性的影響 比例系數(shù) Kp增大 大，使 得 系統(tǒng)的動(dòng)作靈敏， 響應(yīng) 速度加快。 2． 對(duì)穩(wěn)態(tài)特性的影響 比例系數(shù) Kp加大，系統(tǒng)在穩(wěn)定的情況下，可以減小靜 差， 提高控制精度。 2． 對(duì) 系統(tǒng) 穩(wěn)態(tài)特性的影響 積分控制能夠 消除系統(tǒng)的靜 差， 控制精度 使系統(tǒng)控制精度提高 。它是根據(jù)被控過程的特性確定 PID 控制器的比例系數(shù)、積分時(shí)間和微分時(shí)間的大小 [10]。由于所得到的數(shù)學(xué)模型 都是相似 的，此外，實(shí)際調(diào)節(jié)器的動(dòng)態(tài)特性 往往 與理想的 調(diào)節(jié)器 的 動(dòng)作規(guī)律也有 一些 差別，所以在過程控制中， 通過理論計(jì)算求得的整定參數(shù)一般 不是很可靠的， 還必須通過工程實(shí)際進(jìn)行調(diào)整和修改。但無論采用哪一種方法所得到的控制器參數(shù)，都需要在實(shí)際運(yùn)行中進(jìn)行最后調(diào)整與完善。這樣，在實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)運(yùn)行時(shí)，就可以自動(dòng)對(duì)其進(jìn)行 PID 控制。 在調(diào)節(jié) PID 的參數(shù)時(shí)，首先需要確定控制器參數(shù)的初始值，如果初始參數(shù)取的較好，可以為參數(shù)整定帶來不小方便。絕大多數(shù)被控對(duì)象的響應(yīng)曲線如圖 33所示： 圖 33 被控對(duì)象階躍響應(yīng)曲線 （ 2） 在曲線斜率最大的地方 作 一條 切線， 以此 求得 T 和τ，即 被控對(duì)象的 時(shí)間常數(shù)和純滯后時(shí)間 。 （ 4） 根據(jù)求出的 純滯后時(shí)間 τ、 時(shí)間常數(shù) T和控制度的值，查表 31，求得 PID控制器得 KP、TI、 TD和 TS。 系統(tǒng)的性能可用系統(tǒng)的穩(wěn)定性、能控性、能觀性、動(dòng)態(tài)特性和穩(wěn)態(tài)特性來表征，衡量系統(tǒng)優(yōu)劣的指標(biāo)通常用穩(wěn)定裕量、動(dòng)態(tài)指標(biāo)、穩(wěn)態(tài)指標(biāo)和綜合指標(biāo)等。 動(dòng)態(tài)指標(biāo)能夠比較直觀的反映控制系統(tǒng)的過度過程特性。峰值時(shí)間 tp ： 指響應(yīng)超過其終值到達(dá)第一個(gè)峰值所需的時(shí)間。調(diào)節(jié)時(shí)間是衡量控制系統(tǒng)快速性的一個(gè)指標(biāo) [12]。 1965 年，美國(guó)的 模糊集合論 ； 1973 年他給出了模糊邏輯控制的定義和相關(guān)的定理。模糊控 制的一大特點(diǎn)是既具有系統(tǒng)化的理論，又有著大量實(shí)際應(yīng)用背景。此外，為 了按照一定的語言規(guī)則進(jìn)行模糊推理，還要事先確定輸出量的隸屬函數(shù)。 ①數(shù)據(jù)庫(kù)中包含了與 模糊控制規(guī)則及模糊數(shù)據(jù)處理有關(guān)的各種參數(shù)，其中包括尺度變換參數(shù)、模糊空間分割和隸屬度函數(shù)的選擇等。在模糊控制中，通過一組語言描述的規(guī)則來表示專家的知識(shí)，專家知識(shí)通常具有如下的形式 : IF(滿足一組條件 )THEN(可以推出一組結(jié)論 )。 (3)模糊推理 模糊推理具有模擬人的運(yùn)用模糊概念進(jìn)行推理的能力。②將表示在論域內(nèi)的清晰量經(jīng)尺度變換變成實(shí)際控制量 [8]。 ②加權(quán)平均原則 加權(quán)平均法即所謂的重心法，是模糊控制系統(tǒng)中應(yīng)用廣泛的一種判決方法。該方法既突出了主要信息，又兼顧了其它的信息，所以顯得較為貼近實(shí)際情況，因而應(yīng)用較為廣泛 [8]。 上面三種方法各自有各自的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，在實(shí)際的運(yùn)用當(dāng)中，到底要采用哪 種方法 ，絕對(duì)不能一概而論，要看具體情況具體分析。模糊控制器正是根據(jù)以上的原理和方法，借助于微機(jī)、單片機(jī)或其它的數(shù)字系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)控制目的 [8]。其中，模糊交表示連接詞“且”，模糊并表示連接詞“或”，模糊補(bǔ)表示連接詞“非”。 （ 3） 隸屬函數(shù) 用 [0， 1]中的 一