【正文】 ????????????????????dxccdxdcxbbxabaxx若若若1a)(? （ 48） 分布曲線如圖 44。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”。 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。 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。 (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。 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。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。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]。 動(dòng)態(tài)指標(biāo)能夠比較直觀的反映控制系統(tǒng)的過(guò)度過(guò)程特性。 （ 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。 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(lái)不小方便。但無(wú)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。它是根據(jù)被控過(guò)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]。 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) 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。 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。 控制器的輸出信號(hào)為： ?? tI dttektu 0 )()( ? ?43? 或者說(shuō)，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。 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(mén) 都以 PID控制為主 。 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。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 。 MATLAB 仿真軟件 MATLAB 是 MATrix LABoratory（矩陣實(shí)驗(yàn)室）的縮寫(xiě)，它自從 1984 年由美國(guó) Math Works公司推出以來(lái)，經(jīng)過(guò)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(kāi)發(fā)環(huán)境。 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(pán)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(huà)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(pán)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) 。 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 。 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(kāi)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。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。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]。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)。傳統(tǒng)的簡(jiǎn)單過(guò)程控制系統(tǒng)是由過(guò)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(guò)程連接部分組成，從過(guò)程控制的基本組成來(lái)看，過(guò)程控制系統(tǒng) 總是包括對(duì)過(guò)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)。 對(duì)象動(dòng)態(tài)特性純?cè)跍蠛头蔷€性 生產(chǎn) 的過(guò)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)。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。在 MCGS 組態(tài)軟件運(yùn)行環(huán)境中實(shí)現(xiàn)對(duì)雙容水箱液位控制系統(tǒng)的 液位控制 ， 并通過(guò) MCGS 組態(tài)軟件記錄、采集相應(yīng)的數(shù)據(jù)，在 這些數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上分析、總結(jié)模糊 PID 的控制效果。 本文通過(guò)對(duì) AE2021A 型過(guò)程控制裝置中的雙水位控制系統(tǒng)的分析，建立相對(duì)應(yīng)的模糊 PID 控制策略，對(duì)雙容水箱進(jìn)行串級(jí)控制，其中主控調(diào)節(jié)器采用模糊 PID 控制 ，副控調(diào)節(jié)器 采用常規(guī) PID 控制。由于液體本身 的 屬性及控制結(jié)構(gòu)摩擦、噪聲等的影響，控制對(duì)象具有一定的純滯后和容量滯后的特點(diǎn)，液位上升過(guò)程緩慢，呈非線性。生產(chǎn)過(guò)程中充斥著物理變化、化學(xué)反應(yīng)、生化反應(yīng)，還有物質(zhì)和能量的轉(zhuǎn)換盒傳遞，生產(chǎn)過(guò)程的復(fù)雜性決定了對(duì)它進(jìn)行控制的艱難程度。 4 過(guò)程控制系統(tǒng)有規(guī)范化的過(guò)程檢測(cè)控制儀表組成 過(guò)程控制系統(tǒng)由過(guò)程檢測(cè)、變送和控制儀表、執(zhí)行裝置的組成，通過(guò)各種類(lèi)型的儀表完成對(duì)過(guò)程變量的檢測(cè)、變送和控制，并經(jīng)執(zhí)行裝置作用于生產(chǎn)過(guò)程。 為此，本設(shè)計(jì)決定 研究 模糊 PID控制 在液位系統(tǒng)中的應(yīng)用 。 液位控制系統(tǒng)流程框圖 如圖 21： 圖 21液位控制系統(tǒng)流程框圖 AE2021A 型過(guò)程實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的介紹 AE2021A型過(guò)程控制實(shí)驗(yàn)裝置是根據(jù)工業(yè)自動(dòng)化及相關(guān)專(zhuān)業(yè)教學(xué)特點(diǎn)，吸取了國(guó)外同類(lèi)裝置的優(yōu)點(diǎn) ，并與工業(yè)自動(dòng)化現(xiàn)場(chǎng)緊密聯(lián)系，采用了工業(yè)上廣泛使用并處于領(lǐng)先的 AI 智能儀表加組態(tài)軟件控制系統(tǒng)、 DCS(分布式集散控制系統(tǒng) )，經(jīng)過(guò)精心設(shè)計(jì) 而 推出的一套基于本科 學(xué)習(xí) ，著重于研究生教學(xué)的實(shí)驗(yàn)設(shè)備。 接線如圖 24 所示： 基于模糊自適應(yīng) PID 算法的液位控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 6 圖 24 液位傳感器 接線說(shuō)明：傳感器的端 子位于中繼箱內(nèi)，電纜線從中繼箱的引線口接入，直流電源 24V+接中繼箱內(nèi)正（ +），中繼箱內(nèi)負(fù)（ — ）接負(fù)載電阻，負(fù)載電阻接 24V，輸出 4~20mA 電流信號(hào)，通過(guò)負(fù)載電阻轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，兩線制接法。 MCGS 組態(tài)軟件介紹 MCGS(Monitor and Control Generated System)嵌入版組態(tài)軟件是北京昆侖通泰自動(dòng)化軟件科技有限公司專(zhuān)門(mén)開(kāi)發(fā)用于 mcgsTpc的組態(tài)軟件，主要是用來(lái)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的采集與監(jiān)控，前端數(shù)據(jù)的處理與控制。 (6) 能夠支持各種用于現(xiàn)場(chǎng)采集、數(shù)據(jù)處理和控制的設(shè)備。 9 圖 29 MCGS 組態(tài) 系統(tǒng)的構(gòu)成關(guān)系 由 MCGS 系統(tǒng)生成的用戶應(yīng)用系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)主要由 主控窗口、 用戶窗口 、 設(shè)備窗口、實(shí) 時(shí) 數(shù)據(jù) 庫(kù)和運(yùn)行策略五個(gè)部分構(gòu)成 [1]，如下圖 210 所示。如圖 213 圖 213 實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)的建立 在完成實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)褲的創(chuàng)建之后，開(kāi)始在運(yùn)行策略窗口里編寫(xiě)腳本程序如圖 214： 基于模糊自適應(yīng) PID 算法的液位控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 12 圖 214 運(yùn)行策略窗口 最后進(jìn)行動(dòng)畫(huà)連接，對(duì)這些圖形對(duì)象進(jìn)行動(dòng)畫(huà)設(shè)計(jì)，真實(shí)的描述外界對(duì)象的狀態(tài)變化，達(dá)到過(guò)程實(shí) 時(shí)監(jiān)控的目的。 Simulink 是 MATLAB 的一個(gè) 重要 分支產(chǎn)品， 它的 主要 功能就是實(shí)現(xiàn)對(duì)工程的模型化以及對(duì)工程的 動(dòng)態(tài)仿真。 基于模糊自適應(yīng) PID 算法的液位控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 14 3 PID 控制系統(tǒng) PID 控制概述 在 實(shí)際 的工程 中， 比例 、 積分 、 微分 控制 是在工業(yè)工程當(dāng)中應(yīng)用最多的調(diào)節(jié)器控制規(guī)律 ，簡(jiǎn)稱PID控制，又稱 PID調(diào) 節(jié)。 PID控制具有以下的優(yōu)點(diǎn)： 1. 原理簡(jiǎn)單， PID控制是有 P、 I、 D三個(gè)環(huán)節(jié)的通過(guò)不同的組合而成，可以單獨(dú)的使用 P 控制，也可以同時(shí)進(jìn)行 PI 控制或 PID 控 制。 15 圖 31 比例調(diào)節(jié)器控制框圖 其特征方程式為： 0)()(1)( ??? shsgksd P ? ?23? 積分（ I）調(diào)節(jié) 具有積分控制規(guī)律的控制稱為積分控制，即 I 控制， I 控制的傳遞函數(shù)為： sksg IC ?)( ? ?33? 其中， Ik 稱為積分系數(shù)。它的結(jié)構(gòu)框圖如圖 32： 圖 32 PID 結(jié)構(gòu)框圖 其 中 輸出信號(hào)為： dt tdeKdtteTKteKtu PtiPP )()()()(0???? ? ? ?93? 其 傳遞函數(shù)為 ： s sTsTTKsE sU iiiP 1)( )(2 ??? ? ? ?103? PID控制 跟 PI控制相比，它不但結(jié)合了前者的優(yōu)點(diǎn)，還通過(guò)加入微分作用，能夠很好的改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能，如減少系統(tǒng)的超調(diào)量， 加快響應(yīng)速度，減少調(diào)節(jié)時(shí)間。為了避免這種情況的發(fā)生，因而產(chǎn)生了增量型 PID 算法。若 Kp太小，又會(huì)使系統(tǒng)變 緩慢。 PID 參數(shù) 的 整定 PID 控制器的參數(shù)整定是控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心內(nèi)容。三種方法各有其特點(diǎn)，其共同點(diǎn)都是通過(guò)試驗(yàn)，然后按照工程經(jīng)驗(yàn)公式對(duì)控制器參數(shù)進(jìn)行整定。 這也 是 能夠 保證 PID 控制有效的 一個(gè) 重要環(huán)節(jié)。 其 控制 的效果一般通過(guò) 誤差平方的積分值函數(shù)來(lái)表示，即： 模擬控制度?????????????????0202)()(edttedtt DDC （ 315） 當(dāng)控制度為 時(shí)，認(rèn)為二者控制效果相當(dāng)。常用控制理論中的離散系統(tǒng)穩(wěn)定性分析方法來(lái)分析穩(wěn)定性，用穩(wěn)定裕量來(lái)衡量穩(wěn)定程度。因此，調(diào)節(jié)時(shí)間就是從擾動(dòng)開(kāi)始到被調(diào)量進(jìn)入新穩(wěn)態(tài)值的士 5％范圍內(nèi)的這段時(shí)間。 模糊控制實(shí)質(zhì)上是一種非線性控制 ,屬于智能控制的一種 。 (2)知識(shí)庫(kù) 模糊化 知識(shí)庫(kù) 模糊推理 去模糊化 控制對(duì)象 輸入 輸出 基于模糊自適應(yīng) PID 算法的液位控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 22 知識(shí)庫(kù)中包含了具體應(yīng)用領(lǐng)域中的知識(shí)和要求的控制目標(biāo)，它通常由數(shù)據(jù)庫(kù)和控制規(guī)則庫(kù)兩部分組成 [8]。模糊規(guī)則是設(shè)計(jì)模糊控制器的核心， 建立模糊控制規(guī)則的常用方法是經(jīng)驗(yàn)歸納法。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是能夠突出主要信息，簡(jiǎn)單易行，度較小的論域元素求一般的系統(tǒng)中。與第一種方法相比，中位數(shù)法概括了更多的信息，但計(jì)算比較復(fù)雜，特別是