【正文】 PID 控制參數(shù)的確定分兩步進(jìn)行，第一步是確定初始的 PID 參數(shù) Kp’、 Ki’、 Kd’；第二步是在初定的 PID 控制參 數(shù)的基礎(chǔ)上，根據(jù) Fuzzy 推理 輸出 △ Kp， △ Ki， △ Kd在 線調(diào)整 PID參數(shù)模糊 PID控制器調(diào)整 PID 參數(shù)計(jì)算公式如下： Kp=Kp39。︱ EC︱的取值與△ Kd取值規(guī)律PID 主調(diào)節(jié)器 K3 K444 K5 模糊推理 K1 K2 d/dt Δ Kp Δ Ki Δ Kd 設(shè)定值 r + — 被控對(duì)象 被控量 y 測(cè)量變送器 27 相反，通常情況△ Kd為中等大小。 其中 NB、 NM、 NS、 Z0、 PS、 PM、 PB分別表示負(fù)大、負(fù)中、負(fù)小、零、正小、 正中、正大。 1 ??x? b 0 x a c d 基于模糊自適應(yīng) PID 算法的液位控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 26 圖 45 模糊自適應(yīng)控制系統(tǒng)框圖 液位控制系統(tǒng)中的模糊化 假設(shè)設(shè)置的水位是 h0，在某一時(shí)刻水箱系統(tǒng)真正的水位是 h，那么該點(diǎn)的液位誤差 e=h?h0。 （ 5） 模糊邏輯函數(shù) 如果 xi 取值區(qū)間為 [0， 1]，則稱 :xi為模糊變量，模糊變量的集合為 {xl， x2，? xn}，則映射 f:[0，l]n→ [0， l]定義為模糊邏輯函數(shù)，記為 f(x1， x2，? xn)。那么。 圖 42 高斯分布 ② 三角形：一般表達(dá)式： cxbxacbcxabaxx??????????????b)/()()/()()(若若? （ 47） 分布曲線如圖 43。模糊關(guān)系是模糊運(yùn)算、模糊函數(shù)等的基礎(chǔ) [8]。 模糊交也稱為 t范數(shù)，它的 公式如下： ? ? ? ?)(),(m i n)()(),( xxxxxt BABABA ????? ?? ? ? ?54? 衍生到圖形上就是兩個(gè)隸屬度函數(shù)交點(diǎn)以下部分的曲線。一般情況下，這兩種方法都優(yōu)于最大隸屬度原則。與第一種方法相比，中位數(shù)法概括了更多的信息，但計(jì)算比較復(fù)雜，特別是在連續(xù)隸屬函數(shù)需求解積分方程，因此應(yīng)用場(chǎng)合要比前 面介紹的加權(quán)平均法少[8]。 便是應(yīng)用加權(quán)平均法為模糊集合 U 求得的判決結(jié)果。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是能夠突出主要信息，簡(jiǎn)單易行，度較小的論域元素求一般的系統(tǒng)中。它包含下面 兩部分的內(nèi)容 : ①將模糊的控制量經(jīng)解模糊變成表示在論域范圍的清晰量 。模糊規(guī)則是設(shè)計(jì)模糊控制器的核心， 建立模糊控制規(guī)則的常用方法是經(jīng)驗(yàn)歸納法。 ②規(guī)則庫(kù)存放模糊控制規(guī)則 :模糊控制規(guī)則是基于手動(dòng)操作人員長(zhǎng)期積累的控制經(jīng)驗(yàn)和領(lǐng)域?qū)＜业挠嘘P(guān) 知識(shí)，它是對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行控制的一個(gè)知識(shí)模型。 (2)知識(shí)庫(kù) 模糊化 知識(shí)庫(kù) 模糊推理 去模糊化 控制對(duì)象 輸入 輸出 基于模糊自適應(yīng) PID 算法的液位控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 22 知識(shí)庫(kù)中包含了具體應(yīng)用領(lǐng)域中的知識(shí)和要求的控制目標(biāo)，它通常由數(shù)據(jù)庫(kù)和控制規(guī)則庫(kù)兩部分組成 [8]。 圖 41 模糊控制系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu) (l)模糊化 所謂模糊化，就是把輸入 E 和 EC 根據(jù)輸入變量模糊子集的隸屬度函數(shù)找出所定義的各個(gè)語(yǔ)言值的隸屬度的過(guò)程，從而把精確量輸入 “ 模糊化 ” 成不同的語(yǔ)言值，實(shí)現(xiàn)模糊控制的第一步。 模糊控制實(shí)質(zhì)上是一種非線性控制 ,屬于智能控制的一種 。 21 4 模糊 PID 控制系統(tǒng) 模糊控制概況 模糊邏輯控制 (Fuzzy Logic Control)簡(jiǎn)稱模糊控制 (Fuzzy Control)，是以 模糊集合論 、模糊語(yǔ)言變量和模糊邏輯推理為基礎(chǔ)的一種計(jì)算機(jī)數(shù)字控制技術(shù)。因此，調(diào)節(jié)時(shí)間就是從擾動(dòng)開始到被調(diào)量進(jìn)入新穩(wěn)態(tài)值的士 5％范圍內(nèi)的這段時(shí)間。上升時(shí)間 tr： 指響應(yīng)從終值 10%上升到終值 90%所需的時(shí)間；對(duì)于有振蕩的系統(tǒng)，亦可定義為響應(yīng) 從零第一次上升到終值所需的時(shí)間 [11]。常用控制理論中的離散系統(tǒng)穩(wěn)定性分析方法來(lái)分析穩(wěn)定性，用穩(wěn)定裕量來(lái)衡量穩(wěn)定程度。另一種是動(dòng)態(tài)，當(dāng)系統(tǒng)受到外來(lái)干擾的影響或者在改變了設(shè)定值后，原來(lái)的穩(wěn)態(tài)遭到破壞，系統(tǒng)中各組成部分的輸入輸出量都相繼發(fā)生變化，尤其是被調(diào)量也將偏離原穩(wěn)態(tài)值而隨時(shí)間變化，這時(shí)就稱系統(tǒng)處于動(dòng)態(tài)[7]。 其 控制 的效果一般通過(guò) 誤差平方的積分值函數(shù)來(lái)表示，即： 模擬控制度?????????????????0202)()(edttedtt DDC （ 315） 當(dāng)控制度為 時(shí)，認(rèn)為二者控制效果相當(dāng)。具體步驟如下： （ 1） 把 系統(tǒng)的反饋 斷開 ，令 KP=1，使之成為一個(gè) 比 例控制器， 同時(shí)給 一個(gè)階躍給定信號(hào) 加在系統(tǒng)的輸入端 ， 通過(guò) 測(cè)量并 且 畫出 包括執(zhí)行機(jī)構(gòu)在內(nèi)的 廣義 的 被控對(duì)象 的開環(huán)階躍響應(yīng)曲線。 這也 是 能夠 保證 PID 控制有效的 一個(gè) 重要環(huán)節(jié)。 進(jìn)行 PID控制時(shí)，可以把 PID 的 PV連接在實(shí)際的測(cè)量值上， OP 連接在 PID 實(shí)際的輸出值上。三種方法各有其特點(diǎn)，其共同點(diǎn)都是通過(guò)試驗(yàn)，然后按照工程經(jīng)驗(yàn)公式對(duì)控制器參數(shù)進(jìn)行整定。這類整定方法主要依據(jù)被控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型（如傳遞函數(shù)、頻率特性），通過(guò)理論計(jì)算 確定控制器參數(shù) 。 PID 參數(shù) 的 整定 PID 控制器的參數(shù)整定是控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心內(nèi)容。 Ti 太大， 則 對(duì)系統(tǒng) 動(dòng)態(tài) 性能的影響減小。若 Kp太小，又會(huì)使系統(tǒng)變 緩慢。 增量式與位置式控制算式在本質(zhì)上是一致的，只是它需使用有附加積分環(huán)節(jié)作用的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。為了避免這種情況的發(fā)生，因而產(chǎn)生了增量型 PID 算法。 為此，偏差 e 可以如下近似 ： ? ???t ki iTedtte0 0 )()( （ 311） T kekedttde )1()()( ??? （ 312） 式中， T 為采樣周期， k 為采樣序號(hào) ， n 為控制周期序號(hào)， e(n)為第 n 次控制周期的偏差 。它的結(jié)構(gòu)框圖如圖 32： 圖 32 PID 結(jié)構(gòu)框圖 其 中 輸出信號(hào)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(jié)合了前者的優(yōu)點(diǎn)，還通過(guò)加入微分作用，能夠很好的改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能，如減少系統(tǒng)的超調(diào)量， 加快響應(yīng)速度，減少調(diào)節(jié)時(shí)間。 比例積分（ PI）調(diào)節(jié) 具有比例積分 控制規(guī)律的控制稱為比例 積分微分控制，即 PI 控制， PI 控制的傳遞函數(shù)為： s TsKsTKKsG iPiPPc???????? ???? 11)( ? ?63? 其中， PK 為比例系數(shù)， iT 稱為積分時(shí)間常數(shù)，兩者都是可調(diào)的參數(shù)。 15 圖 31 比例調(diào)節(jié)器控制框圖 其特征方程式為： 0)()(1)( ??? shsgksd P ? ?23? 積分（ I）調(diào)節(jié) 具有積分控制規(guī)律的控制稱為積分控制，即 I 控制， I 控制的傳遞函數(shù)為： sksg IC ?)( ? ?33? 其中， Ik 稱為積分系數(shù)。 比例（ P） 控制只改變系統(tǒng)的增益而不影響相位，它 主要對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差和穩(wěn)定性產(chǎn)生影響 ，增大比例系數(shù) kp，使得系統(tǒng)的動(dòng)作靈敏，響應(yīng)速度加快，但會(huì)使振蕩次數(shù)增加，調(diào)節(jié)時(shí)間拉長(zhǎng)，甚至使系統(tǒng)趨向不穩(wěn)定。 PID控制具有以下的優(yōu)點(diǎn)： 1. 原理簡(jiǎn)單， PID控制是有 P、 I、 D三個(gè)環(huán)節(jié)的通過(guò)不同的組合而成，可以單獨(dú)的使用 P 控制，也可以同時(shí)進(jìn)行 PI 控制或 PID 控 制。 PID控制，實(shí)際中也有 PI和 PD控制。 基于模糊自適應(yīng) PID 算法的液位控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 14 3 PID 控制系統(tǒng) PID 控制概述 在 實(shí)際 的工程 中， 比例 、 積分 、 微分 控制 是在工業(yè)工程當(dāng)中應(yīng)用最多的調(diào)節(jié)器控制規(guī)律 ，簡(jiǎn)稱PID控制，又稱 PID調(diào) 節(jié)。根據(jù)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，用戶可以從輸入源、輸出方式、連續(xù)系統(tǒng)模型、數(shù)字運(yùn)算等模型庫(kù)中“拖入”各種模塊，按要求連接并修改各模塊的參數(shù)，即可完成系統(tǒng)模型的建立。 Simulink 是 MATLAB 的一個(gè) 重要 分支產(chǎn)品， 它的 主要 功能就是實(shí)現(xiàn)對(duì)工程的模型化以及對(duì)工程的 動(dòng)態(tài)仿真。 而且 MATLAB 語(yǔ)言 還具有很強(qiáng)的可移植性和極強(qiáng)的可擴(kuò)展性 ，這也 是 MATLAB 仿真軟件 之所以能夠 被廣泛的 深入到 各種的 科學(xué)研究 以 及 各種的工程計(jì)算當(dāng)中去 的 一個(gè)很 重要 的 原因。如圖 213 圖 213 實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)的建立 在完成實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)褲的創(chuàng)建之后，開始在運(yùn)行策略窗口里編寫腳本程序如圖 214： 基于模糊自適應(yīng) PID 算法的液位控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 12 圖 214 運(yùn)行策略窗口 最后進(jìn)行動(dòng)畫連接，對(duì)這些圖形對(duì)象進(jìn)行動(dòng)畫設(shè)計(jì)，真實(shí)的描述外界對(duì)象的狀態(tài)變化，達(dá)到過(guò)程實(shí) 時(shí)監(jiān)控的目的。 接著是實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)的建立，實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)是 MCGS工程的數(shù)據(jù)交換和數(shù)據(jù)處理中心。 9 圖 29 MCGS 組態(tài) 系統(tǒng)的構(gòu)成關(guān)系 由 MCGS 系統(tǒng)生成的用戶應(yīng)用系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)主要由 主控窗口、 用戶窗口 、 設(shè)備窗口、實(shí) 時(shí) 數(shù)據(jù) 庫(kù)和運(yùn)行策略五個(gè)部分構(gòu)成 [1]，如下圖 210 所示。 運(yùn)行環(huán)境 的含義：它 是一個(gè)獨(dú)立的運(yùn)行系統(tǒng)，它是以組態(tài)結(jié)果數(shù)據(jù)庫(kù)中用戶指定的方式進(jìn)行 處理，完成用戶組態(tài)設(shè)計(jì)的目標(biāo)和功能。 (6) 能夠支持各種用于現(xiàn)場(chǎng)采集、數(shù)據(jù)處理和控制的設(shè)備。 (2) 實(shí)時(shí)性很強(qiáng)，且并行處理系統(tǒng)的性能良好。 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(dòng)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(lái)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的采集與監(jiān)控，前端數(shù)據(jù)的處理與控制。 （ 2） 電動(dòng)調(diào)節(jié)閥 工作原理：電動(dòng)調(diào)節(jié)閥接受 0~10mA/4~20mA/ 0~5V/1~5V等控制信號(hào)，改變 調(diào)節(jié) 閥的開度，實(shí)現(xiàn)對(duì)壓力、溫度、流量、液位等參數(shù)的調(diào)節(jié)。 接線如圖 24 所示： 基于模糊自適應(yīng) PID 算法的液位控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 6 圖 24 液位傳感器 接線說(shuō)明：傳感器的端 子位于中繼箱內(nèi)，電纜線從中繼箱的引線口接入，直流電源 24V+接中繼箱內(nèi)正（ +），中繼箱內(nèi)負(fù)（ — ）接負(fù)載電阻，負(fù)載電阻接 24V，輸出 4~20mA 電流信號(hào)，通過(guò)負(fù)載電阻轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，兩線制接法。 對(duì)象 AE2021A型實(shí)驗(yàn)裝置 結(jié)構(gòu)圖 ， 如圖 23 所示： 5 圖 23AE2021A系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 其中實(shí)驗(yàn)裝置 中 包含一些檢測(cè)變送的元件和 執(zhí)行 的元件。 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(guò)程實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的介紹 AE2021A型過(guò)程控制實(shí)驗(yàn)裝置是根據(jù)工業(yè)自動(dòng)化及相關(guān)專業(yè)教學(xué)特點(diǎn)，吸取了國(guó)外同類裝置的優(yōu)點(diǎn) ，并與工業(yè)自動(dòng)化現(xiàn)場(chǎng)緊密聯(lián)系，采用了工業(yè)上廣泛使用并處于領(lǐng)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(jīng)過(guò)精心設(shè)計(jì) 而 推出的一套基于本科 學(xué)習(xí) ，著重于研究生教學(xué)的實(shí)驗(yàn)設(shè)備。 3 2 液位控制實(shí)現(xiàn)所需的硬件與軟件介紹 系統(tǒng)所需的硬件和軟件 構(gòu)造一個(gè)雙容水箱液位控制系統(tǒng)所需的硬件有： AE2021A型實(shí)驗(yàn)對(duì)象控制臺(tái)、壓力傳感器、電動(dòng)調(diào)節(jié)閥（執(zhí)行機(jī)構(gòu)）、遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集模塊 ICP701 ICP7024。 為此，本設(shè)計(jì)決定 研究 模糊 PID控制 在液位系統(tǒng)中的應(yīng)用 。因此 研究 非線性、時(shí) 滯對(duì)象的先進(jìn)控制策略， 對(duì) 提高系統(tǒng)的控制水平具有重大意義。 4 過(guò)程控制系統(tǒng)有規(guī)范化的過(guò)程檢測(cè)控制儀表組成 過(guò)程控制系統(tǒng)由過(guò)程檢測(cè)、變送和控制儀表、執(zhí)行裝置的組成，通過(guò)各種類型的儀表完成對(duì)過(guò)程變量的檢測(cè)、變送和控制，并經(jīng)執(zhí)行裝置作用于生產(chǎn)過(guò)程。同時(shí)大多數(shù)生產(chǎn)過(guò)程都具有非線性特性，因此弄清楚非線性的原因及非線性的實(shí)質(zhì)是極為重要的。生產(chǎn)過(guò)程中充斥著物理變化、化學(xué)反應(yīng)、生化反應(yīng)，還有物質(zhì)和能量的轉(zhuǎn)換盒傳遞，生產(chǎn)過(guò)程的復(fù)雜性決定了對(duì)它進(jìn)行控制的艱難程度。 過(guò)程控制的概述及發(fā)展