【導(dǎo)讀】連續(xù)過程工業(yè)的發(fā)展對于我國國民經(jīng)濟(jì)意義重大。工業(yè)自動化越來越普及，如何確保在提高經(jīng)濟(jì)效益和社會效益的基礎(chǔ)上，是過程控制技術(shù)所面臨的巨大挑戰(zhàn)。得到了大幅度的提高。然而由于被控對象的復(fù)雜程度越來越高，自然而。先進(jìn)又可行的控制算法對于工業(yè)過程生產(chǎn)具有極大的推動作用。產(chǎn)應(yīng)用技術(shù)相同步，有的甚至相差幾十年。生產(chǎn)這個應(yīng)用基地。這樣一來導(dǎo)致很多的理論算法一旦用于現(xiàn)場就會遇。到各種各樣的實(shí)際問題。當(dāng)然，造成這種結(jié)果的原因是多方面的，可以。因此，能否找到一種具有典型對象特性的實(shí)驗(yàn)裝置至關(guān)重要。串級控制、比值控制，還可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的滯后控制、解耦控制等。反應(yīng)時段任意加入不同類型的干擾來進(jìn)行不同算法的控制特性研究。并進(jìn)行模擬仿真驗(yàn)證有著重要的意義。這幾個特點(diǎn)都嚴(yán)重影響PID控。常規(guī)PID控制由于采用固定的參數(shù)，難以保證系統(tǒng)適應(yīng)控制系。統(tǒng)的參數(shù)變化和工作條件變化，液位始終有較大波動，得不到理想效果。

　　

【正文】 參數(shù)的偏移量作為控制器的輸出變量。 KP= KP0+△K P（ k） KI=KI0+△K I（ k） KD=KD0+△K D（ k） 式中 △K P（ k）、 △K I（ k）和 △K D（ k）和分別為在第 k個采樣時刻模糊控制器計(jì)算出來的 PID控制器三個系數(shù)的矯正量。 KP0、 KI0和 KD0為 PID參數(shù)給定初值。 參數(shù)自整定 模糊自整定 PID控制首先選擇三個參數(shù)的初始值 KP0、 KI0和 KD0，接下來找出比例系數(shù)、積分系數(shù)和微分系數(shù)與 e和 ec之間的模糊關(guān)系，在運(yùn)行中通過不斷檢測 e和 ec，根據(jù)模糊控制原理來對 PID三個參數(shù)的增量進(jìn)行在線修改，以滿足在不同 e和 ec時對控制參數(shù)的不同要求，而使控制器具有良好的動、靜態(tài)性能。一般來說， PID控制器的結(jié)構(gòu)和算法己經(jīng)確定，控制品質(zhì)的好壞主要取決于控制參數(shù)選擇是否合理。通常，不同的偏差 e和偏差變化率 ec，對 PID控制參數(shù) KP、 KI和 KD的整定要求不同： (1)當(dāng) |e|較大時，為了加快系統(tǒng)的響應(yīng)速度，取較大的 KP，但為了避免由于開始 時的偏差 e的瞬時變大 可能出現(xiàn)的微分飽和而使控制作用超 .26. 出許可的范圍，應(yīng)取較小的 KD；同時為了防止系統(tǒng)響應(yīng)出現(xiàn)較大的超調(diào)，產(chǎn)生積分飽和 KI要求取小值，一般取 KI=0。 (2)當(dāng) |e|和 |ec|為中等大小時，為使系統(tǒng)響應(yīng)具有較小的超調(diào)， KP應(yīng)取較小值， KI取值要適中，在這種情況下 KD的取值對系統(tǒng)的影響較大，取值要大小適中以保證系統(tǒng) 的響應(yīng)速度。 (3)當(dāng) |e|較小時，為使系統(tǒng)保持良好的穩(wěn)態(tài)性能，應(yīng)增大 KI和 KD的值，同時為避 免系統(tǒng)在設(shè)定值附近出現(xiàn)振蕩，并考慮系統(tǒng)的抗干擾性能，當(dāng)|ec|較小時， KD可取值大 些，當(dāng) |ec|較大時， KD應(yīng)取 值小些。 模糊控制規(guī)則 模糊控制規(guī)則的設(shè)計(jì)包括三部分的設(shè)計(jì)內(nèi)容：選擇描述輸入輸出變量的詞集、定義各模糊變量的模糊子集以及建立模糊控制器的控制規(guī)則。 (1)選擇描述輸入和輸出變量的語言變量 本系統(tǒng)中的液位變化 e、液位變化率 ec和控制輸出量 △K P、 △K I和 △K D都為精確量，為了進(jìn)行模糊控制需要將它們的值轉(zhuǎn)化為模糊論域上的模糊值。若模糊詞集選擇過多，會使得控制規(guī)則變得復(fù)雜；若模糊詞集選擇過少，又會使變量變得粗糙，導(dǎo)致控制器的性能變壞。根據(jù)系統(tǒng)的實(shí)際需要，將下水箱液位的變化 e和液位變化率 ec以及 3個輸 出 △KP、 △KI 和△KD都采用七個詞集來描述，即其模糊子集均為 {NB， NM， NS， O， PS， PM，PB}，子集中元素分別代表負(fù)大，負(fù)中，負(fù)小，零，正小，正中，正大。 (2)制定模糊變量的模糊子集 選擇模糊變量的模糊隸屬度函數(shù)時，在誤差較大的區(qū)域采用低分辨率的模糊集，在誤差較小的區(qū)域采用高分辨率的模糊集。因此，各模糊子集的隸屬度函數(shù)中 NB和 PB采用正態(tài)型分布； NM、 NS、 ZO、 PS、 PM都采用三角形分布，則可得各模糊變量的隸屬度函數(shù)圖及相應(yīng)的模糊控制系統(tǒng)構(gòu)成圖如圖 、 .27. 圖 隸 屬函數(shù) 圖 模糊控制系統(tǒng)構(gòu)成圖 根據(jù)上述隸屬度函數(shù)曲線，得到 e和 ec的隸屬度賦值表如下， △KP、 △KI和 △KD的類似，在此就不再一一列舉了。 表 1 偏差及偏差變化率隸屬度表 (3)建立模糊控制規(guī)則 結(jié)合對液位調(diào)節(jié)時 PID參數(shù)的整定規(guī)律，并考慮到在不同時刻 e、 ec二個參數(shù)的作用以及它們之間的耦合關(guān)系，可得到針對 △KP、 △KI和 △KD三 .28. 個參數(shù)分別整定的模糊規(guī)則控制表如表 2所示。 表 2 △KP， △KI， △KD的模糊校正規(guī)則表 由前面的 討論可設(shè)計(jì)模糊 PID控制算法的流程圖。如圖 。 是 否 是 否 是 否 是 開始 取當(dāng)前的液位測量值 計(jì)算偏差 e 和偏差變化率 ec e K1→ e， ec K2→ ec e 大于 E 論域最大值 e小于 E論域最小值 ec 大于 EC 論域最大值 ec 小于 EC 論域最小值 e 等于 E 論域最大值 e 等于 E 論域最小值 ec等于 EC論域最大值 ec等于 EC論域最小值 .29. 否 圖 模 糊 PID控制算法流程圖 第六章 控制系統(tǒng)仿真 軟件簡介 MATLAB 計(jì)算機(jī)仿真是對控制系統(tǒng)進(jìn)行科學(xué)研究的重要手段。通過計(jì)算機(jī)仿真來對比各種控制策略和方案，優(yōu)化并確定相關(guān)參數(shù)，以獲得最佳控制效果，是多年來控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)尤其是新控制策略算法研究中不可缺少的技術(shù)。 MATLAB 是 Math Works 公司于 1984年推出的一套高性能的數(shù)值計(jì)算和可視化軟件，它集數(shù)值計(jì)算，矩陣運(yùn)算，信號處理和圖形顯示于一體，構(gòu)成了一個方便的，界面友好的用戶環(huán)境。由各個領(lǐng)域的專家相繼推出了 MATLAB 工具箱，其 中主要有信號處理 (signal processing)、控制系統(tǒng) (control system)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò) (neural work)、模糊邏輯 (fuzzy logic)、圖像處理 ( image processing)、小波 (wavelet)等工具箱。本文主要是利用了 SIMULINK工具箱和 FIS文件。 SIMULINK 仿真環(huán)境 SIMULINK是 MATLAB環(huán)境下的模擬工具，提供了很方便的圖形化功能模塊，以便連接一個模擬系統(tǒng)，簡化設(shè)計(jì)流程，減輕設(shè)計(jì)負(fù)擔(dān)。此外，將 e 和 ec 量化為 E 和 EC 從模糊控制表中查出 △KP、 △KI和 △KD的值 計(jì)算 KP、 KI、 KD 計(jì)算 PID 控制器輸出 返回 .30. SIMULINK 是一個用來對 動態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行建模、仿真和分析的軟件包，它支持線性和非線性系統(tǒng)，連續(xù)和離散時間模型，或者是兩者的混合。SIMULINK 為用戶提供了用方框圖進(jìn)行建模的圖形接口，包含有 (Sink)輸出方式、 (Source)輸入源、 (Linear)線性環(huán)節(jié)、 (Nonlinear)非線性環(huán)節(jié)、(Connectors)連接與接口、 (Extra)其他環(huán)節(jié)子模型庫，而且每個子模型庫中包含有相應(yīng)的功能模塊，還也可以定制和創(chuàng)建自己的模塊。 模糊控制器設(shè)計(jì)和仿真過程 在第二章通過對三容水箱進(jìn)行數(shù)學(xué)建模，求得該系統(tǒng)傳遞函數(shù)為： 623 0 1 0 0 1 )( ?????? ssssG 在 Matlab的 Command 窗口輸入 fuzzy 命令，即可彈出 FIS（糊推理系統(tǒng)）對話框，根據(jù)模糊控制器設(shè)計(jì)構(gòu)造三容水箱液位控制系統(tǒng)的模糊推理系統(tǒng)如圖 。 圖 模糊推理系統(tǒng)編輯畫面 .31. 圖 模糊推理系統(tǒng)輸入變量 E功能畫面 圖 模糊推理系統(tǒng)輸出變量 Kp功能畫面 .32. 圖 模糊推理系統(tǒng)模糊規(guī)則編輯畫面 根據(jù)公式， maxenKe ? , maxecmKec ?, luKu max? ； 其中 n,m,l分別為 eK ， ecK ， uK 的量化等級 ， 一般取值為 6。 maxe ， maxec ，maxu 分別為誤差、誤差變化率和控制輸出的論域。 在 Simulink中構(gòu)造的模型如下圖所示： 圖 模糊 PID控制系統(tǒng) Simulink模型 通過多次嘗試，最終選取比例因子和量化因子的值分別為 ， 。仿真結(jié)果如圖 所示。 .33. 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 100002468101214 圖 模糊 PID控制器在三容水箱液位控制系統(tǒng)應(yīng)用仿真結(jié)果 仿真結(jié)果簡要分析 從仿真結(jié)果曲線可以看出，采用模糊自整定 PID控制算法和常規(guī) PID控制算法相比，從系統(tǒng)響應(yīng)上看，前者穩(wěn)態(tài)響應(yīng)過程比常規(guī) PID控制器快，超調(diào)量減少，過渡過程時間大大縮短，振蕩次數(shù)減少，具有較強(qiáng)的魯棒性和良好的穩(wěn)定性，這表明采用模糊自整定 PID控制算法在該設(shè)計(jì)條件 下取得了較好的控制效果。 結(jié)束語 本文 根據(jù)物料平衡原理對三容水箱控制系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)學(xué)建模，推導(dǎo)出了該模型的傳遞函數(shù)。然后分析研究了 PID 控制器原理，應(yīng)用到三容水箱液位控制系統(tǒng)中，雖然最終能達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，但是效果很不理想。緊接著構(gòu)造了基于模糊控制的 PID 控制器， 它保持模糊控制靈活而適應(yīng)性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，又具有傳統(tǒng) PID控制的廣泛適用性和控制精度高的特點(diǎn)。為改善工業(yè)液位控制提供了一種有效方法。 應(yīng)用到三容水箱液位控制系統(tǒng)中，仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明 基于模糊規(guī)則參數(shù)自 整定 PID控制可以在線調(diào)整 PID參數(shù)， 比常規(guī) PID控 制器有更好的控制效果，大大改善了系統(tǒng)的動態(tài)和靜態(tài)性能。 但是模糊 PID 控制器的量化因子和比例因子需要大量的嘗試才能獲得，一旦被控對象確定模糊規(guī)則將不能更改。 .34. 近年來，智能控制與傳統(tǒng)控制相結(jié)合的控制器越來越多，它們的出現(xiàn)促進(jìn)了工控事業(yè)的不斷向前發(fā)展，也為工業(yè)生產(chǎn)帶來了巨大的經(jīng)濟(jì)效益。本文雖然通過仿真驗(yàn)證了基于模糊 PID 的控制器在三容水箱液位控制系統(tǒng)的優(yōu)越性，但是還存在著許多問題需要進(jìn)一步的研究和解決。相信在不久的將來，隨著現(xiàn)代控制理論的不斷發(fā)展與完善，以及與實(shí)際生產(chǎn)的緊密結(jié)合，基于模糊 PID 的控制器將會 在工業(yè)過程控制中得到更加廣泛的應(yīng)用。 經(jīng)過此次課程設(shè)計(jì)，我初步掌握了 設(shè)計(jì)原則、設(shè)計(jì)方法、設(shè)計(jì)步驟和設(shè)計(jì)規(guī)范的應(yīng)用 ，進(jìn)一步了解了 PID和模糊控制算法，并有幸扎下了MATLAB的軟件應(yīng)用基礎(chǔ)。在整個論文工作中對于自動控制原理和過程控制這兩門較為抽象的課程有了一個比較深的認(rèn)識。另外我得感謝指導(dǎo)老師自從我得到論文題目后對我的悉心指導(dǎo)，特別是在系統(tǒng)仿真方面的示范演示，讓我順利完成本次論文任務(wù)。在學(xué)校圖書館查得的大量資料和同學(xué)們的幫助亦是這個設(shè)計(jì)順利完成的不可或缺的因素。 參考文獻(xiàn) [1] 謝克明 . 自動控制原 理 , 北京 : 電子工業(yè) 出版社 , 2020 [2] 方康玲 . 過程控制與集散系統(tǒng) , 北京 : 電子工業(yè) 出版社 , 2020 [3] 黃忠霖 ,周向明 . 控制系統(tǒng) MATLAB 計(jì)算及仿真實(shí)訓(xùn) , 北京 : 國防工業(yè) 出版社 , 2020 [4] 劉金琨 . 先進(jìn) PID 控制 MATLAB 仿真 [M], 北京 : 電子工業(yè)出版社 , 2020 [5] 丁肇紅 .基于 MATLAB 的液位模糊控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) [J], 上海 : 上海應(yīng)用技術(shù)學(xué)院學(xué)報 , 2020 [6] 諸靜 .模糊控制理論與系統(tǒng)原理 [M], 北京 : 機(jī)械工業(yè)出版社 , 2020 [7] 蔡啟仲 .控制系統(tǒng)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì) , 重慶 : 重慶大學(xué)出 版社 , 2020 [8] 韓峻峰 ,李玉惠 . 模糊控制技術(shù) , 重慶 : 重慶大學(xué)出版社 , 2020 [9] 韋巍 . 智能控制技術(shù) , 北京 : 機(jī)械工業(yè)出版社 , 2020 [10] 高東杰 ,譚杰 ,林紅權(quán) . 應(yīng)用先進(jìn)控制技術(shù) , 北京 : 國防工業(yè)出版社 , 2020