模糊控制算法在水箱液位控制系统中的应用Word格式.docx
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仿真
Applicationoffuzzycontrolalgorithminthetankliquidlevelcontrolsystem
Abstract
Liquidlevelcontrolisanimportantprobleminindustrialcontrol,forlevelcontrolinbigdelay,time-varyingandnonlinearcharacteristic,inordertoadapttocomplexsystemcontrolrequirements,peopledevelopedawiderangeofadvancedintelligentcontroller,fuzzyPIDcontrollerisoneofthem.FuzzyPIDcontrolcombinedwithPIDcontrolalgorithmandtheadvantageoffuzzycontrolmethod,canrealizeadjustmentofPIDparametersonline,andmakethecontrolsystemresponsespeed,greatlyshortenthetransitiontime,overshootless,feweroscillations,hasstrongrobustnessandstability,andplaysanimportantroleinfuzzycontrol.ThispaperintroducesthefuzzyPIDcontrolintheapplicationofthedoubleletwatertankliquidlevelcontrolsystem.Liquidlevelcontrolsystemmathematicalmodelisestablishedfirst,andintroducesthePIDcontrol,fuzzycontrolandthebasicprincipleoffuzzyPID,anddesignresultgivenbyusingMATLABsoftware,thesimulationresultsverifythevalidityoftheproposeddesignmethod.
Keywords:
liquidlevelcontrol;
fuzzyPIDcontrol;
simulation
1绪论
1.1课题研究的背景与意义
随着工业生产的飞速发展,人们对控制系统的控制精度、响应速度、系统稳定性与适应能力的要求越来越高。
而实际工业生产过程中的被控对象往往具有非线性、时延的特点,应用常规的控制手段难以达到理想的控制效果,研究对非线性、时延对象的先进控制策略,提高系统的控制水平,具有重要的实际意义。
本文所提及的液位控制系统是一种可以模拟多种对象特性的实验装置。
该装置是进行控制理论与控制工程教学、实验和研究的理想平台,可以方便的构成多阶系统对象,用户既可通过经典的PID控制器设计与调试,完成经典控制教学实验,也可通过模糊逻辑控制器的设计与调试,进行智能控制教学实验与研究。
1.2模糊控制产生的背景与意义
随着现代科学技术的迅速发展,生产系统的规模越来越大,形成了复杂的大系统,导致了控制对象、控制器以及控制任务和目的的日益复杂化。
另一方面,人类对自动化的要求也更加广泛,传统的自动控制理论和方法显得已不能适应复杂系统的控制。
在许多系统中,复杂性不仅仅表现在很高的维数上,更多表现在:
(1)被控对象模型的不确定性;
(2)系统信息的模糊性;
(3)高度非线性;
(4)多层次、多目标的控制要求。
因此,建立一种更有力的控制理论和方法来解决上述提出的问题,就显得十分重要。
模糊控制是智能控制的一种典型和较早的形式,作为智能控制的一个分支,1974年英国的Mandani成功将其应用于锅炉和蒸汽机的控制,近几年来得到了飞速的发展。
模糊控制是模糊数学和控制理论相结合的产物,它利用了人的思维具有模糊性的特点,通过使用模糊数学中的隶属度函数、模糊关系、模糊推理等工具得到控制表格进行控制,它具有许多特点:
(1)不需要建立被控对象的数学模型;
(2)系统鲁棒性强;
(3)模糊控制方法易于掌握。
因此,它特别适用于那些难以获得过程的精确数学模型及具有时变、时滞非线性、大滞后的复杂工业控制系统,具有较强的鲁棒性和抗干扰能力。
现在模糊控制被越来越多地应用于工业过程、家用电器等复杂场合。
模糊控制系统的核心是模糊控制器,而模糊控制规则是设计模糊控制器的核心,它实际上决定了控制系统的性能及控制效果。
模糊控制也有缺陷:
(1)以前,模糊控制规则完全是凭操作者的经验或专家知识获取的,这并不能保证规则的最优或次最优,达到最佳控制的目的;
(2)规则的获取没有系统的步骤可以遵循;
(3)在控制过程中,外界突加干扰,参数大幅度变化,原来总结的经验和规则不够等因素,都会严重影响控制质量。
1.3液位控制系统研究的意义
随着工业生产的飞速发展,人们对生产过程的自动化控制水平、工业产品和服务产品质量的要求也越来越高。
每一个先进、实用控制算法和监测算法的出现都对工业生产具有积极有效的推动作用。
然而,当前的学术研究成果与实际生产应用技术水平并不是同步的,通常情况下实际生产中大规模应用的算法要比理论方面的研究滞后几年,甚至有的时候这种滞后相差几十年。
这是目前控制领域所面临的最大问题,究其根源主要在于理论研究尚缺乏实际背景的支持,一旦应用于现场就会遇到各种各样的实际问题,制约了其应用。
因而,在目前尚不具有在实验室中重现真实工业过程条件的今天,开发经济实用且具有典型对象特性的实验装置无疑是一条探索将理论成果快速转换为实际应用技术的捷径。
多容器流程系统是具有纯滞后的非线性耦合系统,是过程控制中的一种典型的控制对象,在实际生产中有着非常广泛的应用背景。
工业生产过程控制中的被控对象往往是多输入多输出系统,回路之间存在着耦合的现象。
即系统的某一个输入影响到系统的多个输出,或者系统的某一个输出受到多个系统输入的影响。
有时对该多变量系统进行解耦能够获得满意的控制效果。
液位控制系统实验装置模拟了工业现场多种典型的非线性时变多耦合系统,用常规的控制手段往往很难实现理想的控制效果,因此对其控制算法进行研究具有非常重要的实际意义。
1.4本论文研究的主要内容
本论文主要包括四个内容:
一是绪论主要介绍了模糊控制产生的背景与意义,液位控制系统的研究的意义等。
二是综述了液位控制系统的构成与建模。
三是模糊控制算法的介绍。
四是传统PID控制器与模糊PID控制器的设计,并通过仿真结果把模糊PID控制器与传统PID控制器进行比较得出结论。
总之,作者在对液位控制系统建模与控制的深入学习和研究,阅读了大量的论文和报告后,提出了一些体会和想法,并通过仿真加以验证,同时获得了有益的实验结果,研究这一课题不仅具有较大的理论意义而且对实际工程应用也会产生深远的影响。
2液位控制系统的分析与建模
2.1引言
水箱液位控制系统实验装置是基于工业过程的物理模拟对象,它是集自动化仪表技术、计算机技术、通讯技术、自动控制技术为一体的多功能实验装置。
根据自动化及其它相关专业教学的特点,吸收了国内外同类实验装置的特点和长处后,经过精心设计,多次实验和反复论证,推出了这一套全新的实验装置。
该系统包括流量、液位、压力等参数,可实现系统参数辨识、单回路控制、串级控制、反馈控制、比值控制、解藕控制等多种控制形式。
图2.1给出了某一个水箱液位控制系统的结构示意图。
由图,该系统的水箱主体由蓄水容器、检测组件和动力驱动三大部分构成。
水箱1,2,3和储水箱是用来蓄水的容器;
检测液位可以采用压力传感器或者浮漂加滑动变阻器两种方案来实现液位高度数字量的采集,采用电动调节阀用来进行控制回路流量的调节。
整个系统通过不锈管道连接起来,储水箱为三个水箱提供水源,通道阀门开启时,水可以被分别送至三个水箱。
三个水箱底部均有两个出水管道,其中装有手动阀的管道是控制系统的一部分,也可以手动调节阀门开度用来做漏水干扰的控制实验;
另外一个直通管道则是在水箱液位达到最大值时经由它流至储水箱,以防止水箱里的水溢出水箱。
除了上述的控制对象组件,另外还有一个智能仪表综合控制台和一台计算机,这三个部分才构成了完整的液位控制系统实验装置。
仪表综合控制台作为系统的电气部分,主要由三部分组成:
电源控制屏面板、仪表面板和I/O信号接面板。
该控制台通过插头与对象系统连接,结合实验装置水箱主体中应用到的不同组件对象,实验操作员可以自行连线组成不同的控制系统,从而实现几十种过程控制系统的实验。
计算机用于采集控制台中的电流、电压信号,使用MCGS组态软件系统构造和生成上位机监控系统,并且与系统控制对象中的电动调节阀配套使用,组成最佳调节回路。
利用水箱液位系统实验装置中各个组件的不同组合情况,可以构成多种不同功能的实验系统。
例如,开启与水箱1连接的电动调节阀以及其底部管道的手动阀,关闭水箱2、水箱3通道的所有阀门,关闭水箱1、水箱2和水箱3间的连接阀,这时就可以做单容水箱特性的实验。
基于此,也可以打开与水箱2的连接阀和水箱2的出水阀,关闭水箱1出水阀,这样,就构成了双容水箱特性实验。
本文主要研究双容水箱系统相关特性,根据本课题研究内容,需要打开储水箱与水箱1、水箱2连通的管道阀门,关闭与水箱2与水箱3连通的阀门,同时关闭水箱1和水箱3底部的出水阀,打开水箱2底部出水阀。
具体参看图2.1所示的水箱结构示意图。
其中,三个水箱截面积为A,水箱2出水孔截面积为An,h1,h2和h3分别为水箱1(T1)、水箱2(T2)和水箱3(T3)的液位,hmax是最高液位。
图2.1水箱液位系统结构示意图
实验系统的检测装置:
采用浮漂和滑动变阻器实现对水箱液位的采集和D/A转换。
实验系统的执行机构:
电动调节阀:
采用智能型电动调节阀,用来进行控制回路流量的调节。
电动调节阀型号为:
QSVP-16K。
具有精度高、技术先进、体积小、重量轻、推动力大、功能强、控制单元与电动执行机构一体化、可靠性高、操作方便等优点,控制信号为4-20mADC或1-5VDC,输出4-20mADC的阀位信号,使用和校正非常方便。
2.2液位控制系统控制对象及控制策略
工业生产过程中的液位控制必须具有可靠的稳定性才能保证生产的正常,水箱系统控制的难点集中在对水箱的液位高度h的控制上。
传统PID调节已经不适合像液位控制系统这样的非线性、时变、多变量耦合的复杂
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- 模糊 控制 算法 水箱 控制系统 中的 应用