《水箱水位恒定的模糊PID控制(1)》由会员分享，可在线阅读，更多相关《水箱水位恒定的模糊PID控制(1)（17页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、 内蒙古大学本科毕业论文（设计）学校代码 10126 学号 00824032 分 类 号 TP273+.4 密级 本科毕业论文（设计）水箱水位的模糊PID控制与PID控制的比较分析学院、系 电子信息工程学院自动化系 专业名称 自动化 年 级 08 级 学生姓名 指导教师 2012年 05月30日摘要论文设计了一个参数自整定的模糊PID控制器来完成对单容水箱水位恒定的控制，并对其进行了SIMULINK仿真，与常规PID控制的仿真结果进行了对比与分析。它的原理是在PID算法的基础上，以误差e及误差的变化率ec作为输入，利用模糊规则进行模糊推理，在运行中不断检测e和ec，并以PID参数的修正值Kp、
2、Ki、Kd为输出，以满足不同时刻偏差和偏差变化率变化对PID参数整定的要求。最终得到PID控制器的三个参数， Kp= Kp+Kp ，Ki= Ki+Ki ，Kd= Kd+Kd，其中Kp,Ki,Kd为预整定值。仿真结果表明，参数自整定PID控制系统的动态性能得到高。关键词：水位控制，模糊PID，SIMULINK AbstractAuthor:Tutor: This paper designes a parameter self-setting fuzzy PID controller to keep the level of water tank as a constant , and analy
3、ses the SIMULINK, and compared with conventional PID controllers simulation results . Its principle is based on PID algorithm and it takes error e and error rate ec as inputs. Using the fuzzy rules for fuzzy reasoning, and constantly testing e and ec, then export PID parameters (Kp, Ki, Kd) to meet
4、error and error rates requirements at PID parameters. Finally achieved the PID controllers three parameters, Kp = Kp + Kp, Ki = Ki + Ki, Kd = Kd + Kd, Among them ,Kp, Ki, Kd is the initial value of PID controller.The simulation results show that the parameter self-setting PID control system dynamic
5、performance is improved.Key words: water level control, fuzzy PID, SIMULINK 目录第1章 绪论11.1 课题的研究背景及意义11.2 PID控制的特点11.3 模糊控制技术的特点及展望2第2章 被控对象的分析与建模4第3章 模糊控制理论63.1 模糊集合定义63.2 模糊语言63.3 模糊变量的隶属函数73.5 论域、量化因子、比例因子的选择73.5.1 论域及基本论域73.5.2 量化因子及比例因子8第4章 参数自整定模糊PID控制器的设计内容104.1参数自整定模糊PID控制原理104.2模糊控制器的结构设计及模糊变
6、量的论域设计104.2.1模糊控制器的结构设计104.2.2 模糊控制器模糊变量的论域设计114.3 模糊集选择及隶属函数设计124.4 模糊规则集的设定17第5章 单容水箱simulink模型的建立与仿真分析235.1系统给定水箱模块的仿真与分析235.2单容水箱的传递函数模型的实证分析25结论29致谢30参考文献31附录一32附录二33 内蒙古大学本科毕业论文（设计）第13页第1章 绪论1.1 课题的研究背景及意义模糊理论是在美国加州大学L.A.Zadeh教授于1965年创立的模糊集合理论的数学基础上发展起来的，主要包括模糊集合理论、模糊逻辑、模糊推理和模糊控制等方面内容。L.A.Zade
7、h教授在1965年首次提出表达事物模糊性的重要概念隶属函数。模糊控制理论的核心是利用模糊集合论，把人的控制策略的自然语言转化为计算机能够接受的算法语言所描述的算法。但它的控制输出却是确定的，它不仅能成功的实现控制，而且能模拟人的思维方式，对一些无法构成数学模型的对象进行控制。“模糊概念”更适合于人们的观察、思维、理解、与决策，这也更适合于客观现象和事物的模糊性。“模糊控制”的特色就是一种“语言型”的决策控制。模糊控制技术，已经成为智能控制技术的一个重要分支，它是一种高级算法策略和新颖的技术。自从1974年英国的马丹尼(E.H.Mandani)工程师首先根据模糊集合理论组成的模糊控制器用于蒸汽发
8、动机的控制以后，在其发展历程的30多年中，模糊控制技术得到了广泛而快速的发展。现在，模糊控制已广泛地应用于冶金与化工过程控制、工业自动化、家用电器智能化、仪器仪表自动化、计算机及电子技术应用等领域。尤其在交通路口控制、机器人、机械手控制、航天飞行控制、汽车控制、电梯控制、核反应堆及家用电器控制等方面，表现其很强的应用价值。并且目前已有了专用的模糊芯片和模糊计算机的产品，可供选用。我国对模糊控制器开始研究是在1979年，并且已经在模糊控制器的定义、性能、算法、鲁棒性、电路实现方法、稳定性、规则自调整等方面取得了大量的成果。著名科学家钱学森指出，模糊数学理论及其应用，关系到我国二十一世纪的国力和命
9、运。1.2 PID控制的特点PID控制的优点与缺点： (1)PID控制具有适应性强的特点，适应各种控制对象，参数的整定是PID控制的一个关键问题；(2) PID控制只要参数整定合适，对大多数被控对象可以实现无差控制，稳态性能好，但动态特性不太理想；(3)PID控制不具有自适应控制能力，对于时变、非线性系统控制效果不佳。当系统参数发生变化时，控制性能会产生较大的变化，控制特性可能变坏，严重时可能导致系统的不稳定。虽然PID控制具有一些不理想的方面，但由于其具有十分明显的优点，在工业过程控制领域一直占据了主导地位，而且全世界的控制技术研究和应用人员对PID控制进行了大量的研究，努力改善PID控制的
10、性能。围绕PID控制，并与多种其它控制技术结合，形成了多种PID控制技术，以下是一些PID控制技术的发展和研究方向：（1）专家PID控制：专家控制(Expert Control )的实质是基于受控对象和控制规律的各种知识，并以智能的方式利用这些知识来设计控制器。利用专家经验来设计PID参数便构成专家PID控制；（2）模糊PID控制：模糊控制技术与PID控制结合构成模糊PID控制；（3）神经PID控制：运用神经网络技术对PID控制参数进行整定，构成神经PID控制；（4）遗传PID控制：用遗传算法对PID控制参数进行整定和优化，构成遗传PID控制；（5）灰色PID控制：灰色系统理论与PID控制结合
11、进行系统控制构成PID控制。以上多种PID控制方法，是PID控制与现代控制技术的结合，主要是在PID参数动态整定上进行了大量研究，在保持PID控制基本原理的基础上，改善了PID控制的性能，在工业过程控制领域继续占据着主导地位。1.3 模糊控制技术的特点及展望模糊控制理论，特别是应用方面在20世纪80年代末90年代初取得了突飞猛进的发展，能被人们广泛接受，是因为它有以下一些优点：（1）模糊控制器的设计不依赖于被控对象的精确数学模型模糊控制是以人对被控对象的操作经验为依据而设计控制器的，故无须知道被控对象的内部结构及其数学模型，这对于传统控制无法实现自动化的复杂系统进行自动控制非常有利（2）模糊控
12、制易于被操作人员接受作为模糊控制核心的控制规则使用自然语言表述的，很容易被操作人员接受，便于进行人机对话。（3）便于用计算机软件实现（4）鲁棒性和适应性好通过专家经验设计的模糊规则，可以对复杂被控对象进行有效地控制，进过实际调试后其鲁棒性和适应性都容易达到要求。 模糊控制是一种反映人类智慧的智能控制方法由于它的适应性和易于普及，使它成为智能控制领域最活跃、最重要和最实用的分支之一。尤其是他作为传统控制的补充和改进方法，常与传统控制相结合被应用于个整复杂系统的自动化中。目前已经在工业控制及其他领域，诸如炼钢、化工、人文系统、经济系统中，特别是家用电气自动化领域中解决了传统控制方法无法或者难以解决
13、的实际问题，取得了令人瞩目的成效。第2章 被控对象的分析与建模如图2-1所示，该控制系统控制的是一个单容水箱： 图2-1单容水箱单容水箱的横截面积为A，进水的体积流量和出水的体积流量分别是和，输出为液位h，要对单容水箱进行系统化的分析，需要建立该被控对象的动态模型：忽略水箱的蒸发量，则由物料平衡方程有： , (1)又根据流体运动方程可知： ， (2)式中k是跟管道阻力有关的系数。将式（2）带入式（1）中可得 ， (3)这就是水箱液位的动态数学模型，他是一个非线性微分方程，液位从空水箱到满水箱变化时，都满足此方程。复杂非线性微分方程的分析较困难，如果液位始终在其稳态值附近很小的范围内变化，则可对上式进行线性化。假设在稳态工况下进水和出水的体积流量分别是和，则满足 ， (4) 以增量的形式表示个变量偏离稳态值的程度 , (5)将式（4）和式（5）带入式（1）可得 (6)对于液位和流出量之间的非线性特性，在工作点附近进行线性化。线性化的方法是将非线性项进行泰勒级数展开。因此对于式（2）进行泰勒级数展开，并取线性部分可得
