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1、液位系统PID控制及仿真摘要三容水箱是使用较为广泛的、具有很大代表性的工业数学模型之一，具有很重要的研究意义。液位控制是工业控制中最常用的方法之一，由于液体本身的摩擦等因素的影响，使得控制对象具有一定的滞后性，具有非线性的特点。PID控制是最常用的控制算法之一，由于其工况范围广而且其功能简单。考虑到三荣水箱的代表意义，这里选择将其作为研究对象，使用MATLAB作为研究工具对其进行PID和模糊PID控制的建模以及仿真，并且将两者的仿真结果进行对比分析。关键词：传统PID；模糊PID；三容水箱；MATLAB仿真；PID Control and Simulation of Liquid Level
2、SystemABSTRACTThree-tank water tank is one of the most extensive used and representative industrial mathematical models, which has very important research significance. Liquid level control is one out of a multitude useful used means in industrial check on. Due to the influence of factors such as th
3、e friction of the liquid itself, the control object has certain hysteresis and nonlinear characteristics. PID control is one of the most wide-ranging applied control algorithms and its wide operating range and simple function. In this paper, the modeling and simulation of representative three-tank P
4、ID and fuzzy PID control are deeply studied and discussed by using MATLAB simulation software, and the traditional PID control and fuzzy PID control are compared and summarized.Key words：Traditional PID; Fuzzy PID; Three-capacity water tank；Matlab simulation;目录一、论述61.1研究背景与意义61.2文献综述61.3研究现状81.4写作思路
5、9二、液位系统的控制与建模102.1 PID控制原理102.2 三容水箱的设计要求112.3水箱的数学模型11三、各算法研究及原理133.1 比例控制算法133.2 积分控制算法143.3 微分控制算法163.4 PID控制算法参数整定173.5 模糊PID简介18四、PID控制算法研究及仿真194.1 PID控制算法选择194.2 PID控制器设计19五、模糊PID控制算法研究及仿真225.1模糊PID控制算法模型225.2 模糊控制器原理225.3模糊PID控制规则235.4 建模与仿真235.5仿真结果分析24参考文献26致谢28一、论述1.1研究背景与意义在自动化控制系统中，液位控制是
6、过程控制中的一个不可缺少的方法，此项控制方式在各种不同的生产中都能够起到重要的作用；对于工程师来说，深刻的理解在水箱系统中液位控制的原理能够极大的提高其专业素养。在这个系统之中，直接实施控制的构件是电机，控制方式是阀门。因为流体本身所具有的一些特征以及相关构件在运动过程带来的摩擦等不良影响，再加上液位变化的速度相对来说比较缓慢，导致的直接结果是液位变化的过程失去了理想状态下的线性特征，所以若能够保证此控制装置具备足够的可依赖性，便能够极大的提高整个系统的性能。三容水箱模型具有代表意义，对其进行深入的研究能够给实际生产带来足够的借鉴。由于传统PID控制方法简单方便、可控性强而被广泛应用于自动化控
7、制过程，特别是在这种能够能够以数模的方式来表示的自动化控制过程，具备极高匹配度。不过若要使用传统的PID方式的话，那么首先要设计一个数学模型，但是因为此系统具备的一些特征，比方说非线性特征，时间滞后的特征等等，导致建立的数学模型难以达到足够的精确程度，同时考虑到其参数设定为固定的数值，忽略了各种外界环境变化的影响，造成的结果则是难以达到令人满意的控制效果。模糊控制方式具备的优点是其拥有相当强的鲁棒性，但是在控制的时候能难以达到足够的精确性，若是能够将两种控制方式的优点结合起来，将传统的控制方式中对PID控制器的三个参数的整定过程的控制方式换成模糊控制的方式，其他部分不变的话，那么便能够使得传统
8、方式的控制性能得到进一步的完善。本文使用Simulink工具箱对液位系统的进行仿真，讨论并比较传统PID以及模糊PID算法对三容系统的影响及优缺点。1.2文献综述1、陈立峰（2008）介绍了PID控制器：比例，积分和微分。 PID控制是最常用的控制算法之一，由于其工况范围广而且其功能简单，允许工程师用一个直观简单的方式操作，因此PID在工业中尤其是自动控制中得到广泛应用。2、林屹和叶小岭(2010)也对模糊自校正PID液位串级控制系统进行研究，这两位学者认为PID策略在所有的控制策略中是最简单的一种，在设定控制参量的时候有很多种不同的选择，在这个过程中，我们应该考虑到影响控制性能的各种因素，比
9、方说噪音影响，鲁棒性，或者计算要满足的条件等等。3、郭阳宽和王正林(2009)提出采用传统PID控制器时需要同时调整P、I、D三个参数，而采用单参数的PID控制器时，只需调节一个参数即可达到预期的性能目标，而且有较好的控制性。4、Kambiz Arab Tehrani和 Augustin Mpanda(2015)指出在工业生产中，控制一些具有连续性的参数的时候，比方说温度或者流量等等，通常使用的控制方式是闭环的，PID控制器没有必要对整个系统进行精准控制，只要具备足够的灵活性即可，而且在选择控制方式的时候，也能够根据不同的控制目标对PID进行一定的改进，比方说Pl，PD等，完全能够满足实际生产
10、中的灵活性要求。5、IndranilPanal(2011)也对PID做了研究，他认为最优PID、模糊PID的绝对误差和输出的网络能控制系统响应速度。调谐尝试使用两个随机算法，即一个更高的顺序和时间延迟系统。遗传算法（GA）和粒子群优化（PSO）的两个变体和闭环性能进行了比较。1.3研究现状在大数据环境下，我们也需要不断的完善目前的自动控制理论。随着人们的不断研究，不断有新的控制算法被提出，但是目前来看，PID以及其进化版仍旧是广为人们所应用的一种控制算法。一些新的算法虽然拥有很强的控制性能，但往往只能局限于某些细分领域，而且实现的过程较为复杂，导致了其难以发展壮大。有数据表明，在现代工业体系中
11、，进行自动化控制还面临着诸多难以解决的障碍，比方说大滞后、非线性等等，这些问题想来除非是再来一次技术革命，才能够被彻底解决。目前来看，一些新提出的控制理论缺乏实践的检验，还需要在实际过程进行不断的优化，优化的一大目的就是加强控制系统的鲁棒性。美国一家名为FoxBoRo的企业推出了两种新型控制器，第一种是在传统的PID控制器之中增添了专家系统，使其能够对根据指定好的规则来调整控制器的参量；第二种控制器中调整PID参量主要是通过继电反馈的作用机理。此外，还有一种新型的控制器使用的是智能控制系统，是基于改进型神经网络，具有更多样性。模糊PID控制技术也正在飞速发展，如今模糊自适应PID技术已经在各行
12、各业被广泛研究与应用了。例如最新研究出的BP神经网络PID控制、RBF网络整定PID参数控制等具有很强的操作性和容错性，能够处理复杂的线性及非线性关系。总之，PID控制技术现在已进入飞速发展，同时有待我们更加深入地研究，对传统PID控制进行研究和改进，结合创新思想、专家经验知识、直觉推理逻辑等各种系统和方法，进一步提高控制系统性能。1.4写作思路三容水箱是液位系统中具有研究意义的工业数学模型之一，在各行业广泛应用，也具有积极的指引作用。下面使用将结合三容水箱的特点建立数学模型，然后使用仿真软件来模拟传统的PID以及模糊PID两种控制策略，分析其中的规律。本文的写作思路总结如下：1、利用参考文献
13、对液位系统，三容水箱的结构、数学模型和运行特点等进行学习和研究，总结规律。2、研究介绍各种算法的原理和特点，例如P、PI、PID以及模糊PID。3、利用MATLAB仿真建立三容传统PID控制的仿真数学模型，并对水箱进行参数整定，通过图形研究分析是否满足系统的性能参数。4、加入模糊PID进行研究，对模糊控制器原理、算法规则进行研究，通过图形研究分析是否满足系统的性能参数。5、比较传统PID、模糊PID算法的特点及优缺点。二、液位系统的研究与建模2.1 PID控制原理这种控制方式是建立在数模之上的，对控制系统所能够建立的数模拥有的精确性越高，则这种控制方式便越使用，其中P的英文是proportio
14、n，表示比例的意思，I的英文是Integration,表示积分的意思，D的英文是differential，表示微分的意思，若能够精准的获取这三个参数，便能够良好的控制效果。计算机控制系统、数字计算机等技术飞速发展，逐渐代替了过去所使用的模拟器件，直接在计算机上便能够模拟PID策略在实际工程中的应用；在实际工程中，数字PID技术仍然被人们所广泛应用，在传统的工科行业中，比方说机械、土木、化工等行业的规模化生产过程中都能看到PID的身影。根据给定值rint与实际输出值yout(t)构成控PID控制偏差，如公式2.1errort=rint-yout(t)（2.1）图2. 1 PID 控制系统原理PI
15、D控制器各个校正环节的作用如表2.1：表2.1校正作用校正环节作用比例环节P成比例地反映控制系统的偏差信号error(t)，偏差一旦产生，控制器立即产生控制作用，以减少偏差。积分环节I主要用于消除静差，提高系统的无差度。积分作用的强弱取决于积分时间常数T1，T1越大，积分作用越弱，反之则越强。微分环节D反映偏差信号的变化趋势，能在偏差信号变得太大之前，在系统中引入一个有效的早期修正信号，从而加快系统的动作速度，减少调节时间。2.2 三容水箱的设计要求现设置液位控制系统中下水箱内液位高度为设定值，其它无特定要求，只需要用上、中水箱来控制下水箱即可。在整个控制系统中，所要控制的是三荣水箱中的液面高度，这里是通过控制的流量来达到控制液位的目的的，流量包括流入量和流出量，若要升高液位，则要控制流入量大于流出量，如要降低液位，则要控制流出量小于流入量。2.3建立水箱模型图2.2所示，三容水箱液位控制模型由水箱、阻力板构成。图 2. 2 三容水箱液位对象模型推导如下：对水箱1： （2.2） （2.3）拉斯变换可得：
