【文章內(nèi)容簡介】 模糊控制（FPID）所謂 FPID 控制就是以模糊集合論、模糊語言變量和模糊邏輯推理為基礎的一種計算機控制方法。模糊控制的突出特點在于：1. 控制系統(tǒng)的設計不要求知道被控對象的精確數(shù)學模型，只需要提供現(xiàn)場操作人員的經(jīng)驗知識及操作數(shù)據(jù)。2. 控制系統(tǒng)的魯棒性強，適應于解決常規(guī)控制難于解決的非線形、時變及純滯后等問題。3. 以語言變量代替常規(guī)的數(shù)學變量，易于形成專家的“知識” 。4. 控制推理采用“不精確推理” 。推理過程模仿人的思維過程。但由于介入了人類的經(jīng)驗，因而能夠處理復雜甚至“病態(tài)”系統(tǒng) 串級 PID 控制器 所謂串級 PID 控制就是第一級數(shù)字 PID 的輸出不直接用來控制執(zhí)行機構，而是作為下一級數(shù)字 PID 的輸入值，并與第二級的給定值進行比較，其偏差作為第二級數(shù)字 PID 的控制量。 串級 PID 控制是一種復雜控制系統(tǒng)，本課題的串級 PID 控制器是由兩個 PID 串聯(lián)連接組成，一個控制器的輸出作為另一個控制器的設定值，每一個回路中都有一個屬于自己的調(diào)節(jié)器和控制對象。主回路中的調(diào)節(jié)器稱為主調(diào)節(jié)器，作為系統(tǒng)的主被控變量，又稱主對象；副回路中的調(diào)節(jié)器稱副調(diào)節(jié)器，控制對象為副被控變量，又稱副對象，它的輸出是一個輔助的控制變量。串級控制回路系統(tǒng)增加了一個副回路，使性能得到改善，表現(xiàn)在以下幾個方面：1. 能迅速克服進入副回路擾動的影響。定性分析：當擾動進入副回路后，首先，副被控變量檢測到擾動的影響，并通過副回路的定值作用及時調(diào)節(jié)操縱變量，使副被控變量回復到副設定值，從而使擾動對主被控變量的影響減少。即副環(huán)回復對擾動進行粗調(diào)，主環(huán)回路對擾動進行細調(diào)。因此，串級控制系統(tǒng)能夠迅速克服進入副環(huán)擾動的影響，并使系統(tǒng)余差大大減小。2. 串級控制系統(tǒng)可以串級控制、主控和副控等多種控制方式，主控方式是切除副回路，以主被控變量作為被控變量的單回路控制；副控方式是切除主回路，以副被控變量作為被控變量的單回路控制。因此，在串級控制系運行過程中，如果某些部件發(fā)生故障．可靈活地進行切換；減少對生產(chǎn)過程的影響 串級 PID 的選擇在以上幾種算法中，由于 PID 控制具有結構簡單、容易實現(xiàn)、控制效果好等特點，且 PID 算法原理簡明，參數(shù)物理意義明確，理論分析體系完整。雖然在精度高方面不如 FPID。但是由于本課題本身對 PID 控制精度要求也不高，再加上目前 FPID系列也不是很成熟。因此本課題選用串級 PID 控制器。串級的 PID 系統(tǒng)由主回路和副回路組成，它是改善和提高控制品質(zhì)的一種極為有效的控制方案，與單回路反饋控制系統(tǒng)比較，由于在系統(tǒng)結構上多了一個副回路，所以改善了過程的動態(tài)特性、提高了系統(tǒng)工作頻率、具有較強的抗擾動能力和一定的自適應能力。正確合理地設計一個串級控制系統(tǒng)是要其能充分發(fā)揮如上所述系統(tǒng)的各種特點。故在本設計中，擬選用串級 PID 控制器。 液位系統(tǒng)CC水泵儲水箱手動伐下水箱上水箱手動伐液位傳感器P I D 1P I D 2液位傳感器L T 1L T 2電動調(diào)節(jié)閥 液位系統(tǒng)的結構組成圖此系統(tǒng)由控制器、電動調(diào)節(jié)閥、水泵、上水箱、下水箱、儲水箱和液位變送器模塊等組成。電動調(diào)節(jié)閥用于調(diào)節(jié)上水箱的進水量的大小，液位變送器用于檢測上水箱和下水箱中的液位?？刂破鞯妮敵隽坑糜诳刂齐妱诱{(diào)節(jié)閥的開度。通過對傳感器測量的數(shù)據(jù)采集，由控制器對采集到的數(shù)據(jù)進行處理，運算結果通過數(shù)據(jù)采集，經(jīng)通訊接口，傳遞給計算機，由計算機去控制磁力泵，從而達到控制水箱液位控制的作用。此外要求在有干擾的情況下能快速地回到系統(tǒng)所給定要求的液位狀態(tài)。其中水箱的液位變化范圍內(nèi)為 h=0~200 mm,，通過設計的串級 PID 控制器后能使需要的液位值能實現(xiàn)穩(wěn)、準、快地穩(wěn)定在系統(tǒng)所給定的液位值上。當系統(tǒng)發(fā)生擾動時能在控制器的作用下迅速恢復到系統(tǒng)原來所要求的液位值。 控制系統(tǒng)建模由于在仿真的過程中需要用到被控對象的數(shù)學模型，所以本節(jié)來建立水箱的模型。液位控制系統(tǒng)的執(zhí)行機構是通過電動調(diào)節(jié)閥的開度大小來控制水箱的液位。本文采用開環(huán)階躍響應辯識的方法來獲得它的數(shù)學模型。下面介紹其具體的方法。 水箱液位的動態(tài)數(shù)學模型水箱液位的動態(tài)數(shù)學模型，如圖 所示。 H 1 H 2Q iμQ o 1Q o 2調(diào)節(jié)閥負載閥μ 1負載閥 1圖 水箱液位的動態(tài)數(shù)學模型水箱結構如圖 ，先看水箱 1，水不斷流入水箱內(nèi)，同時也有水不斷由水箱中流出。水的流入量 Qi 由電動調(diào)節(jié)閥的開度 μ 加以控制，流出量 Qo1 由用戶根據(jù)需要通過負載閥 R 來改變。被控量為液位高度 H1 它反映水的流入和流出量之間的平衡關系。顯然任何時候水位的變化均滿足下述物料平衡方程 （211iodHQAt??7）其中 （2iK?8）設液體是不可壓縮的，通過閥的液流是湍流，則其流量公式為： （2????11oQtkHt?9）其中 A1為水箱的橫截面積，μ 為調(diào)節(jié)的開度,K 181。是取決于電動調(diào)節(jié)閥的閥門特性的系數(shù)，可以假定它是常數(shù)；k1 是與負載閥門開度有關的系數(shù)，在負載閥門開度固定不變的情況下，k1 看作是一個常數(shù)。將式()表示成增量形式為 （2????111iodHQAt10）式中，?Qi、 ?Qo?H 1分別為偏離某一平衡狀態(tài) Qi0、Q OH 01的增量，H 1為上水箱液位高度。非線性項 展開成泰勒級數(shù)為：??1t??01101 01HdH????? ??012 201!Hd?略去高于一次小增量 的項，有：??????? （201101 01012HHdH? ???????11）則式 29 可得： （2?? ??01101 01012iidHkHQtAA???????????????12）由于 ，??010111dddHtttt????在穩(wěn)定工作狀態(tài)時流入水箱的流量與流出水箱的流量是相等的，即： 01001ioQkH所以由 211 式可得： （21012idHkQtA??????A13）而 iQK??所以 （21012KdHktA????????A14）在實際使用中，為簡單計算，常略去增量符號，即： （2??????1 1012KdHtkHttAA???15）可以看出，此式是最常見的一階微分方程，將其變?yōu)閭鬟f函數(shù)為（216）式中， ， 。012HKk????????0112HTAk???????從傳遞函數(shù)可以看出，單水箱對象為一階慣性環(huán)節(jié)。它為有自平衡性的對象，即當原有的物料平衡被打破時隨著被控變量液位的變化，其不平衡量會越來越小，最后能自動地穩(wěn)定在新的平衡點上?，F(xiàn)在再看下水箱。從圖 24 可得出下水箱的物料平衡方程： （2221212oodHAQkHt??????17）式中 A2 為下水箱的底面積，H2 為下水箱的液位高度，k2 為負載閥 1 流量特性參數(shù)； ， ， 分別為偏離某一平衡狀態(tài) Q0Q 0H 02的增量，H 2為下1o?2o水箱液位高度。??HsTs???由式 211 簡得： 02202 02021HdHH? ??????????所以式 217 寫成：?? ??022202 1012021oodk QtAA?? ????????? ?? ? （218）當系統(tǒng)穩(wěn)定時又有： 202220ooQkH?且 11ok???所以由 218 式可得： （22 102dHktA???????A19）在實際使用中，為簡單計算，常略去增量符號，即： ??????212021dHtkkHttAA???從傳遞函數(shù)可以看出，上下水箱的對象均為一階慣性環(huán)節(jié)。它能自動平衡性，即當原有的物料平衡被打破時隨著被控制量液位的變化，在通過改變 MATLAB 算法軟件的程序下的參數(shù) e(t) （控制器輸入信號） 、u(t) （控制器輸出信號） 、K p（控制器放大系數(shù)） 、T i（控制器積分時間常數(shù)） 、T d（控制器微分時間常數(shù)） ；其會減小不平衡量，最后自動地穩(wěn)定在新的平衡位置點上。到達系統(tǒng)設計要求的效果。 液位系統(tǒng)的硬件選型本課題中的有關液位系統(tǒng)部分直接采用了現(xiàn)有教學儀器。該液位系統(tǒng)的硬件型號如下表圖 所示。表 硬件型號選擇表??0220222dHddtttt????硬件名稱 型號 說明電機 JW5652 功率：180W，轉(zhuǎn)速：2800rpm水泵 16CQ8 轉(zhuǎn)速：2800rpm，功率：，流量：30L/min壓力傳感器 LS2188G2KG214C1A 電壓：24VDC，輸出信號：5V電動調(diào)節(jié)閥 JLQ941F 輸入信號：420mA 或者 15VDC第三章 軟件設計 MATLAB 軟件MATLAB 是由美國 MathWorks 公司推出的用于數(shù)值計算和圖形處理計算系統(tǒng)環(huán)境，除了具備卓越的數(shù)值計算能力外，它還提供了專業(yè)水平的符號計算，文字處理，可視化建模仿真和實時控制等功能。MATLAB 的基本數(shù)據(jù)單位是矩陣，它的指令表達式與數(shù)學，工程中常用的形式十分相似，故用 MATLAB 來解算問題要比用 C，F(xiàn)ORTRAN等語言簡捷得多。MATLAB 是國際公認的優(yōu)秀數(shù)學應用軟件之一。MATLAB 具有強大、豐富的內(nèi)置函數(shù)，以及高度靈活的可編程性，特別適合數(shù)據(jù)處理以及結果的圖形化