【正文】 知識庫 模糊推理 去模糊化 控制對象 輸入 輸出 基于模糊自適應 PID 算法的液位控制系統(tǒng)設計 22 知識庫中包含了具體應用領域中的知識和要求的控制目標，它通常由數(shù)據(jù)庫和控制規(guī)則庫兩部分組成 [8]。因此，調節(jié)時間就是從擾動開始到被調量進入新穩(wěn)態(tài)值的士 5％范圍內的這段時間。 其 控制 的效果一般通過 誤差平方的積分值函數(shù)來表示，即： 模擬控制度?????????????????0202)()(edttedtt DDC （ 315） 當控制度為 時，認為二者控制效果相當。三種方法各有其特點，其共同點都是通過試驗，然后按照工程經驗公式對控制器參數(shù)進行整定。若 Kp太小，又會使系統(tǒng)變 緩慢。它的結構框圖如圖 32： 圖 32 PID 結構框圖 其 中 輸出信號為： 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，它不但結合了前者的優(yōu)點，還通過加入微分作用，能夠很好的改善系統(tǒng)的動態(tài)性能，如減少系統(tǒng)的超調量， 加快響應速度，減少調節(jié)時間。 PID控制具有以下的優(yōu)點： 1. 原理簡單， PID控制是有 P、 I、 D三個環(huán)節(jié)的通過不同的組合而成，可以單獨的使用 P 控制，也可以同時進行 PI 控制或 PID 控 制。 Simulink 是 MATLAB 的一個 重要 分支產品， 它的 主要 功能就是實現(xiàn)對工程的模型化以及對工程的 動態(tài)仿真。 9 圖 29 MCGS 組態(tài) 系統(tǒng)的構成關系 由 MCGS 系統(tǒng)生成的用戶應用系統(tǒng)，其結構主要由 主控窗口、 用戶窗口 、 設備窗口、實 時 數(shù)據(jù) 庫和運行策略五個部分構成 [1]，如下圖 210 所示。 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化軟件科技有限公司專門開發(fā)用于 mcgsTpc的組態(tài)軟件，主要是用來現(xiàn)場數(shù)據(jù)的采集與監(jiān)控，前端數(shù)據(jù)的處理與控制。 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 型過程實驗系統(tǒng)的介紹 AE2021A型過程控制實驗裝置是根據(jù)工業(yè)自動化及相關專業(yè)教學特點，吸取了國外同類裝置的優(yōu)點 ，并與工業(yè)自動化現(xiàn)場緊密聯(lián)系，采用了工業(yè)上廣泛使用并處于領先的 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) )，經過精心設計 而 推出的一套基于本科 學習 ，著重于研究生教學的實驗設備。 4 過程控制系統(tǒng)有規(guī)范化的過程檢測控制儀表組成 過程控制系統(tǒng)由過程檢測、變送和控制儀表、執(zhí)行裝置的組成，通過各種類型的儀表完成對過程變量的檢測、變送和控制，并經執(zhí)行裝置作用于生產過程。由于液體本身 的 屬性及控制結構摩擦、噪聲等的影響，控制對象具有一定的純滯后和容量滯后的特點，液位上升過程緩慢，呈非線性。在 MCGS 組態(tài)軟件運行環(huán)境中實現(xiàn)對雙容水箱液位控制系統(tǒng)的 液位控制 ， 并通過 MCGS 組態(tài)軟件記錄、采集相應的數(shù)據(jù)，在 這些數(shù)據(jù)的基礎上分析、總結模糊 PID 的控制效果。 對象動態(tài)特性純在滯后和非線性 生產 的過程許 多是在 很大 的生產設備 的 內 部 進行，例如，熱工程中鍋爐、換熱器、動力核反應堆等，對象的儲存能力大，慣性也較大，設備內介質的流動或熱量傳遞都存在一定的阻力，并且往往具有自動轉向平衡的趨勢。模糊 PID控制就是將模糊控制思想與常規(guī) PID 控制器相結合，吸收了模糊控制與常規(guī) PID控 制兩者的優(yōu)點。在負載電阻 250/50Ω兩端取信號電壓，當負載電阻接 250Ω時信號電壓為 1~5V，當負載電阻切換成 50Ω時信號電壓為 ~1V。 MCGS 組態(tài)軟件的構成 MCGS組態(tài)系統(tǒng)由組態(tài)環(huán)境、運行環(huán)境兩大 部分 組成 。 MATLAB 仿真軟件 MATLAB 是 MATrix LABoratory（矩陣實驗室）的縮寫，它自從 1984 年由美國 Math Works公司推出以來，經過不斷改進和發(fā)展，現(xiàn)已成為國際公認的優(yōu)秀的工程應用開發(fā)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 簡單 的結構、良好的穩(wěn)定性和可靠性，而且 調整方便 等特點，使之 成為工業(yè)控制的主要技術之一。 控制器的輸出信號為： ?? tI dttektu 0 )()( ? ?43? 或者說，積分控制器輸出信號 )(tu 的變化速率與輸入信號 )(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，積分時間 常數(shù) Ti變小，會使系統(tǒng)震蕩次數(shù)增加，甚至不穩(wěn)定，積分時間 常數(shù) Ti 變大，則對系統(tǒng)動態(tài)性能的影響減小。 (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。它是根據(jù)被控過程的特性確定 PID 控制器的比例系數(shù)、積分時間和微分時間的大小 [10]。 在調節(jié) PID 的參數(shù)時，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。 動態(tài)指標能夠比較直觀的反映控制系統(tǒng)的過度過程特性。模糊控 制的一大特點是既具有系統(tǒng)化的理論，又有著大量實際應用背景。 (3)模糊推理 模糊推理具有模擬人的運用模糊概念進行推理的能力。 上面三種方法各自有各自的優(yōu)點和缺點，在實際的運用當中，到底要采用哪 種方法 ，絕對不能一概而論，要看具體情況具體分析。 圖 43 三角分布 ③ 梯形：一般表達式： 1 ??x? b 0 x a c 1 ??x? u 0 x 25 ????????????????????dxccdxdcxbbxabaxx若若若1a)(? （ 48） 分布曲線如圖 44。 建立模糊推理規(guī)則 根據(jù)系統(tǒng)在受控過程中的原則對應不同的 E 和 EC，將 PID 參數(shù)整定的原則歸納如下： （ 1）當︱ E︱較大時，說明誤差的絕對值較大，△ Kp 取較大值，用來提高響應的速度 ；為防止︱ EC︱瞬時值過大，△ Kd 應取較小的值； 這樣做是 為了避免 可能 出現(xiàn)較大的超調，應對積分加以限制，通常取△ Ki=0。 （ 3）當︱ E︱較小時，為了加強系統(tǒng)的 穩(wěn)定性， △ Kp、△ Ki取較大值，同時為避免系統(tǒng)在設定附近出現(xiàn)振蕩，應當把抗干擾的性能考慮進去， 選取 合適的 △ Kd值。 其基本運算與普通命題一樣，也可以用連接詞“或”、與“非”、“如果。研究還表明，使用中位數(shù)原則的模糊控制器類似于多級繼電控制，加權平均法則類似于 PI控制器。 (4)清晰化（去模糊化） 通過模糊推理得到的是模糊量，而對于實際的控制則必須為清晰量，因此需要將模糊量轉換成清晰量，這就是清晰化計算所要完成的任務 [13]。 模糊系統(tǒng)的基本結構 模糊控制系統(tǒng)的基本結構如圖 41，由圖 41 可知模糊控制器是由模糊化、知識庫、模糊推理和清晰化 4 個功能模塊組成，各模塊功能如下。 延遲時間 td ： 指響應曲線第一次達到其終值一半所需的時間。 擴充響應曲線法 是一般確定初值經常用到的方法 。 如頻率特性法、根軌跡法。 PID 增量式控制算式： )2()1()()()1()( 210 ????????? keakeakeakukuku (314) 它適用于系統(tǒng)輸出執(zhí)行機構為積分元件的情況。 因此，積分控制一般不單獨使用，通常結合比例控制器構成比例積分 (PI)控制器 [6]。即當我們不完全了解一個系統(tǒng)和被控對象，或不能通過有效的測量手段來獲得系統(tǒng)參數(shù)時，最適合用 PID控制技術。使它能夠被更多的非計算機專業(yè)的人 使用 ，具有很廣泛的使用范圍 。 兩個環(huán)境的圖標如圖 28 所示： 圖 28 MCGS 圖標 用戶的一切 組態(tài) 的 配置過程都 需要 在 MCGS 的 組態(tài)環(huán)境中進行，組態(tài)環(huán)境 就好比是相 一套完整的工具件，它 能夠幫助用戶設計并構造自己想要的 應用系統(tǒng) [1]。校正時打開中繼箱蓋，即可進行調整，左邊的（ Z）調零電位器，右邊的（ R）調增益電位器。它是解決 PID參數(shù)在線調整問題一種有效方法，比常規(guī) PID 控制器控制性能好，可靠性更高 。一般來說，熱工過程大多具有較大的滯后，它對任何信號的響應都會延遲一些時間，使輸出 /輸入之間產生相移，容易引起反饋匯入產生振蕩，對自動控制會產生十分不利的影響。 【 關鍵 詞 】 模糊 PID； MCGS； 液位控制；模糊控制。 它直接影響到產品的質量及經濟效應。為了滿足生產過程中越來越高的要求，過程控制方案也也來越豐富。 系統(tǒng)的設計目的及流程 本課題主在研究基于模糊 PID 自適應算法在液位控制系統(tǒng)的應用研究，在 MATLAB 仿真 的基礎上，研究模糊 PID 算法，并通過 AE2021A過程控制實驗系統(tǒng)的雙容水箱液位系統(tǒng)，借助于 MCGS組態(tài)軟件，在計算機控制系統(tǒng)上實現(xiàn)對模糊 PID 控制策略的研究。 7 圖 26 遠程數(shù)據(jù)采集模塊 ICP7017 ICP7024 模塊面板如圖 27 所示， 24V供電，提供了 4通道的輸出端口， A/00， A/01， A/02， A/03。一旦組態(tài)工作完成，運行環(huán)境和組態(tài)結果數(shù)據(jù)庫就可以離開組態(tài)環(huán)境而獨立運行在監(jiān)控計算機上。 在 具有 相同的 計算要求的 情況下，使用 MATLAB 仿真軟件能夠大大減少使用人員的工作量 。 作為經典的控制理論， PID 控制仍然 在 當今工 業(yè)控制行業(yè)中占據(jù)主導的地位，是最主要的控制方式 ，無論 要控制的系統(tǒng)是簡單還是復雜 ， PID 控制 一般都可以獲得很好的效果 ， 當然 PID 參數(shù) 的選取必須恰當，合適 。 所以 在實際工程中， PI控制器通常用來提高 系統(tǒng)的穩(wěn)定性能。 Kp偏大，振蕩次數(shù)會增加 ， 使 調節(jié)時間拉 長。 二是工程整定方法，它主要依賴工 程經驗，直接在控制系統(tǒng)的試驗中進行，且方法簡單、易于掌握，在 實際 的工程 中被廣泛采用。 （ 3） 求出系統(tǒng)的控制度。調節(jié)時間 ts 是從過渡過程開始到結束所需的時 間。模糊化模塊的作用是將一個精確的輸入變量通過定義在其論域上的隸屬度函數(shù)計算出其屬于各模糊集合的隸屬度，從而將其轉化成為一個模糊變量。 清晰化計算通常有以下幾種方法： ①選取隸屬度最大的原則 這種方法非常簡單直接選擇模糊子集中隸屬度最大的元素作為控制量 [8]，即 Zzzz cc ?? )(0 )( ?? （ 41） 其中 z 表示清晰值 。 模糊控 制中常用的數(shù)學原理 （ 1）模糊集合的運算 常見的模糊運算有模糊補，模糊并，模糊交三種。則。 表 41 △ Kp的模糊控制規(guī)則表 △ Kp E EC NB NM NS Z PS PM PB NB NB NS NS NS Z Z Z NM NS NS Z NS Z Z PS NS NS NS Z Z PS PS PS Z Z Z Z Z PS PB PB PS NS NS Z Z PS PS PS PM NS NS NS NS PS PS PS PB NB NS NS NS Z Z Z 表 42 △ Ki的模糊控制規(guī)則表 △ Ki E EC NB NM NS Z PS PM PB NB PB PB PB PS PS PS Z NM PS PS PS PS PS Z NS NS PS PS PS PS Z NS NB Z NS NS NS Z PS PS NSS PS NB NS Z PS PS PS PS PM NS Z PS PS PS PS PS PB Z PS PS PS PB PB PB 表 43 △ Kd的模糊控制規(guī)則表 基于模糊自適應 PID 算法的液位控制系統(tǒng)設計 28 △ Kd E EC NB NM NS Z PS PM PB NB NS NS NB NB NB NS NS NM NS NS NB NB NS NS Z NS Z NS NS NB NS NS Z Z Z NS NS NS NS NS Z PS Z Z Z Z Z Z Z PM PB PS PS PS PS PS PB PB PB PS PS PS PS PS PB