【正文】 e和ec，根據(jù)模糊控制原理來(lái)對(duì)PID三個(gè)參數(shù)的增量進(jìn)行在線修改，以滿(mǎn)足在不同e和ec時(shí)對(duì)控制參數(shù)的不同要求，而使控制器具有良好的動(dòng)、靜態(tài)性能。一般來(lái)說(shuō)，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(duì)PID控制參數(shù)KP、KI和KD的整定要求不同：(1)當(dāng)|e|較大時(shí)，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(kāi)始時(shí)的偏差e的瞬時(shí)變大可能出現(xiàn)的微分飽和而使控制作用超出許可的范圍，應(yīng)取較小的KD；同時(shí)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(shí)，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(duì)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(shí)，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(shí)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(shí)，KD可取值大些，當(dāng)|ec|較大時(shí)，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(yǔ)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△KP、△KI和△KD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(guò)多，會(huì)使得控制規(guī)則變得復(fù)雜；若模糊詞集選擇過(guò)少，又會(huì)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(gè)輸出△KP、△KI 和△KD都采用七個(gè)詞集來(lái)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(shí)，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，、 隸屬函數(shù) 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(lèi)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(duì)液位調(diào)節(jié)時(shí)PID參數(shù)的整定規(guī)律，并考慮到在不同時(shí)刻e、ec二個(gè)參數(shù)的作用以及它們之間的耦合關(guān)系，可得到針對(duì)△KP、△KI和△KD三個(gè)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。開(kāi)始取當(dāng)前的液位測(cè)量值計(jì)算偏差e和偏差變化率eceK1→e，ecK2→ece等于E論域最大值e大于E論域最大值 是e等于E論域最小值e小于E論域最小值 否 是ec等于EC論域最大值ec大于EC論域最大值 否 是ec等于EC論域最小值ec小于EC論域最小值 否 是將e和ec量化為E和EC 否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 模糊PID控制算法流程圖第六章 控制系統(tǒng)仿真 軟件簡(jiǎn)介 MATLAB 計(jì)算機(jī)仿真是對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行科學(xué)研究的重要手段。通過(guò)計(jì)算機(jī)仿真來(lái)對(duì)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(lái)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(hào)處理和圖形顯示于一體，構(gòu)成了一個(gè)方便的，界面友好的用戶(hù)環(huán)境。由各個(gè)領(lǐng)域的專(zhuān)家相繼推出了MATLAB工具箱，其中主要有信號(hào)處理(signal processing)、控制系統(tǒng)(control system)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(neural network)、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(gè)模擬系統(tǒng)，簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)流程，減輕設(shè)計(jì)負(fù)擔(dān)。此外，SIMULINK是一個(gè)用來(lái)對(duì)動(dòng)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(shí)間模型，或者是兩者的混合。SIMULINK為用戶(hù)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(kù)，而且每個(gè)子模型庫(kù)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(guò)程在第二章通過(guò)對(duì)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：在Matlab的Command窗口輸入fuzzy命令，即可彈出FIS（糊推理系統(tǒng)）對(duì)話(huà)框。 模糊推理系統(tǒng)編輯畫(huà)面 模糊推理系統(tǒng)輸入變量E功能畫(huà)面 模糊推理系統(tǒng)輸出變量Kp功能畫(huà)面 模糊推理系統(tǒng)模糊規(guī)則編輯畫(huà)面根據(jù)公式，, , ；其中n,m,l分別為，的量化等級(jí)，一般取值為6。，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： 模糊PID控制系統(tǒng)Simulink模型通過(guò)多次嘗試，。 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(jiǎn)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(guò)程比常規(guī)PID控制器快，超調(diào)量減少，過(guò)渡過(guò)程時(shí)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(yǔ)本文根據(jù)物料平衡原理對(duì)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(dòng)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(duì)象確定模糊規(guī)則將不能更改。近年來(lái)，智能控制與傳統(tǒng)控制相結(jié)合的控制器越來(lái)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(lái)了巨大的經(jīng)濟(jì)效益。本文雖然通過(guò)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(wèn)題需要進(jìn)一步的研究和解決。相信在不久的將來(lái)，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(huì)在工業(yè)過(guò)程控制中得到更加廣泛的應(yīng)用。經(jīng)過(guò)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(gè)論文工作中對(duì)于自動(dòng)控制原理和過(guò)程控制這兩門(mén)較為抽象的課程有了一個(gè)比較深的認(rèn)識(shí)。另外我得感謝指導(dǎo)老師自從我得到論文題目后對(duì)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(shū)館查得的大量資料和同學(xué)們的幫助亦是這個(gè)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(dòng)控制原理, 北京: 電子工業(yè)出版社, 2009[2] 方康玲. 過(guò)程控制與集散系統(tǒng), 北京: 電子工業(yè)出版社, 2009[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(guó)防工業(yè)出版社, 2006[4] 劉金琨. 先進(jìn)PID控制MATLAB仿真[M], 北京: 電子工業(yè)出版社, 2004[5] [J], 上海: 上海應(yīng)用技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào), 2009[6] [M], 北京: 機(jī)械工業(yè)出版社, 2005[7] , 重慶: 重慶大學(xué)出版社, 2003[8] 韓峻峰,李玉惠. 模糊控制技術(shù), 重慶: 重慶大學(xué)出版社, 2003[9] 韋巍. 智能控制技術(shù), 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