【正文】 ................................ 1 課題研究意義和背景 ............................................................................................. 2 2 液位控制實(shí)現(xiàn)所需的硬件與軟件介紹 ............................................................................... 3 系統(tǒng)所需的硬件和軟件 ......................................................................................... 3 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目的及流程 ......................................................................................... 3 AE2021A 型過(guò)程實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的介紹 ........................................................................ 3 MCGS 組態(tài)軟件介紹 ............................................................................................. 7 MCGS 組態(tài)軟件的特點(diǎn) .................................................................................. 8 MCGS 的設(shè)計(jì) .................................................................................................. 9 MATLAB 仿真軟件 .............................................................................................. 12 3 PID 控制系統(tǒng) ...................................................................................................................... 14 PID 控制概述 ........................................................................................................ 14 比例 (P)調(diào)解 ................................................................................................... 14 積分（ I）調(diào)節(jié) ............................................................................................... 15 比例積分（ PI）調(diào)節(jié) .................................................................................... 15 比例積分微分（ PID）調(diào)節(jié) .......................................................................... 16 數(shù)字 PID 控制器 ................................................................................................... 16 PID 控制參數(shù)對(duì)系統(tǒng)性能的影響 ................................................................. 17 PID 參數(shù)的整定 ............................................................................................. 18 過(guò)程控制系統(tǒng)的性能指標(biāo) ................................................................................... 20 4 模糊 PID 控制系統(tǒng) ............................................................................................................. 21 模糊控制概況 ....................................................................................................... 21 模糊控制中常用的數(shù)學(xué)原理 ........................................................................ 23 模糊自適應(yīng) PID 控制器的設(shè)計(jì) ........................................................................... 25 液位控制系統(tǒng)中的模糊化 ............................................................................ 26 建立模糊推理規(guī)則 ........................................................................................ 26 模糊 PID 控制算法 ............................................................................................... 28 5 串級(jí)控制系統(tǒng) ..................................................................................................................... 29 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(jiàn)的過(guò) 程控制， 是自來(lái)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。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(wèn)題。 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(guò)程控制方案豐富多樣 由于工業(yè)過(guò)程的復(fù)雜性和多樣性，決定了過(guò)程控制系統(tǒng)的控制方案的多樣性。 液位控制是工業(yè)生產(chǎn) 過(guò)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(guò)程緩慢，呈現(xiàn)非線性。軟件包括： MCGS組態(tài)軟件、 MATLAB等。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。 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。 (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。運(yùn)行環(huán)境本身沒(méi)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)。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(guò)程也就是定義數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)象的處理過(guò)程。 （ 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。 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。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： 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(wú)穩(wěn)態(tài)誤差。 上述離散化過(guò)程中，為了 保證有足夠的精度 ，采樣周期 T 必須足夠短 。 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) 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 。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(guò)程控制中， 通過(guò)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(guò)工程實(shí)際進(jìn)行調(diào)整和修改。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。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 。 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(lái)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。峰值時(shí)間 tp ： 指響應(yīng)超過(guò)其終值到達(dá)第一個(gè)峰值所需的時(shí)間。 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。此外，為 了按照一定的語(yǔ)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)。在模糊控制中，通過(guò)一組語(yǔ)言描述的規(guī)則來(lái)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