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1、内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文） 题 目：智能液位控制系统仿真研究I智能液位控制系统仿真研究摘要随着工业的发展,液位控制在各种过程控制中的应用越来越广泛,为保证生产过程的安全,效益等对液位控制的精确要求,传统PID控制和模糊控制在液位控制中都有应用。根据不同情况下对液位控制的要求,选择最适合的控制方法,本文以单容、双容水箱的液位控制模型为研究对象,将传统的PID控制和模糊控制进行比较,观察到传统PID控制措施简便,但超调量大,趋于稳定状态所需时间长;模糊控制超调量小,趋于稳定状态所需时间短,但设置模糊控制规则所需时间长,模糊控制鲁棒性强。 本文介绍了PI控制和模糊控制在单容水箱、双容水
2、箱液位控制系统中的应用。首先介绍了P,I,D控制、模糊控制以及模糊控制的基本原理,建立了双容水箱液位控制系统数学模型,然后利用MATLAB/Simulink工具对控制对象进行了跟踪设定值、适应对象参数变化和抗扰动特性方面的仿真研究。仿真结果表明模糊控制算法与常规算法相比具有鲁棒性强和动态性能好等特点,该控制方法对于双容水箱系统控制是有效的。关键词：单容水箱系统；双容水箱系统；P,I,D控制；模糊控制；仿真。Intelligent Control System of Level Simulation StudyAbstractWith industrial development,level c
3、ontrol in a variety of process applications control more and more widely.In order to ensure the safety of the production process, effectiveness of the precision of liquid level control requirements,traditional PID control and fuzzy control in the liquid level control applications in both.cases accor
4、ding to different requirements of level control,choosing the most appropriate control method,In this paper,a one-tanker、Two-tanker water tank level control model is Study,traditional PID control and fuzzy control to compare observed that the tradition of simple PID control measures is Simple,However
5、,overshoot is large, The time required for stabilizing the state is long; Fuzzy control of amount of overshoot is small,The time required for stabilizing the state is short,However,fuzzy control rule require for a long time, fuzzy control Robustness is strong.This essay introduces the application on
6、 fuzzy control and PI control in one-tank and two-tank water level system.Firstly,P,I,D control,fuzzy control and the basic principles of fuzzy control and PID control are introduced and the mathmetic model of two-tank water level control system is setup.And then the control system is setup based on
7、 MATLAB/Simulink.After that,capabilities of following set-Point,restraining disturbs and fitting changes on Process model are studied by simulation in order to show their characteristic and applicability.The results of simulation show that the fuzzy PID controller has improved dynamic and static per
8、formance of control system and has obtained good control quality. That is to say,this control method is effeetiveon systems such as two-tank water system.Keywords:one-tank water；two-tank water；PID Control；Fuzzy Control；Simulation。目录摘要IAbstractII第一章 引言11.1问题的提出及研究意义11.1.1 PID控制器的应用与发展11.1.2 模糊控制产生的背景
9、与意义21.1.3 水箱控制系统研究的意义31.2控制算法研究的意义和现状41.3本文的主要工作5第二章 液位控制方法概述62.1水箱控制系统简介62.2单容液位控制系统72.3过程建模方法82.3.1机理演绎法82.3.2实验辨识法92.3.3混合法92.4单容液位控制系统传递函数建模92.5双容液位控制系统102.6双容液位控制系统传递函数建模11第三章 控制算法理论基础143.1 PID控制算法概述143.1.1 PID控制原理143.1.2 PID运算电路方框图153.1.3 PID控制器的特点163.2模糊控制算法163.2.1 模糊控制的产生及发展173.2.2 模糊控制的特点19
10、3.2.3模糊控制在应用中的基本思想203.2.4模糊控制的基本原理213.2.5模糊控制系统的组成213.3模糊控制器的设计223.3.1 模糊控制器的设计方法223.3.2 模糊控制器的结构设计233.3.3模糊控制规则设计243.3.4 精确量的模糊化263.3.5 模糊推理283.3.6 模糊量去模糊化283.3.7 模糊查询表的建立30第四章液位控制系统仿真研究334.1仿真环境的介绍334.2 系统仿真354.2.1单容液位比例控制系统仿真354.2.2单容液位比例积分控制系统仿真354.2.3双容液位比例控制系统仿真374.2.4双容液位比例积分控制系统仿真384.2.5双容模糊
11、控制39第五章 液位控制系统仿真结果分析445.1过程控制系统的性能指标445.2单容液位控制系统仿真结果分析465.3调节规律的选择495.4调节器参数的整定495.4.1工程整定法495.4.2 经验法50参考文献51致 谢53第一章 引言1.1问题的提出及研究意义 自动控制理论的形成和发展经历了经典控制理论、现代控制理论和智能控制理论三个阶段。其中,经典控制理论和现代控制理论是建立在精确的数学模型的基础之上的,而智能控制理论适合用来解决系统模型和环境本身均不确定的问题。1987年智能控制正式成为一门独立的学科,它是人工智能、运筹学和自动控制理论等多学科相结合的交叉学科。模糊控制是模仿人的
12、控制过程,其中包含了人的控制经验和知识。因而从这个意义上说,模糊控制也是一种智能控制。模糊控制方法既可以用于简单的控制对象,也可以用于复杂的过程。1.1.1 PID控制器的应用与发展在过去的几十年里,控制器在工业控制中得到了广泛应用。在控制理论和技术飞速发展的今天,工业过程控制中95%以上的控制回路都具有PID结构,并且许多高级控制都是以PID控制为基础的。我们今天所熟知的控制器产生并发展于1915-1940年期间。尽管自1940年以来,许多先进控制方法不断推出,但PID控制器以其结构简单,对模型误差具有鲁棒性及易于操作等优点,仍被广泛应用于冶金、化工、电力、轻工和机械等工业过程控制中。PID
13、控制器作为最早实用化的控制器已有70多年历史,它的算法简单易懂、使用中参数容易整定,也正是由于这些优点,PID控制器现在仍然是应用最广泛的工业控制器。PID的发展过程,很大程度上是它的参数整定方法和参数自适应方法的研究过程。最早的参数工程整定方法是在1942年由Ziegler和Niehols提出的简称为Z-N的整定公式,尽管时间已经过去半个世纪了,但至今还在工业控制中普遍应用。1953年Cohen和Coon继承和发展了Z-N公式,同时也提出了一种考虑被控过程时滞大小的Cohen-Coon整定公式。自Ziegler和Nichols提出参数整定方法起,有许多技术已经被用于PID控制器的手动和自动整
14、定。按照发展阶段划分,可分为常规PID参数整定方法及智能PID参数整定方法：按照被控对象个数来划分,可分为单变量PID参数整定方法及多变量PID参数整定方法,前者包括现有大多数整定方法,后者是最近研究的热点及难点：按控制量的组合形式来划分,可分为线性PID参数整定方法及非线性PID参数整定方法,前者用于经典PID调节器,后者用于由非线性跟踪-微分器和非线性组合方式生成的非线性PID控制器。从目前PID参数整定方法的研究和应用现状来看,以下几个方面将是今后一段时间内研究和实践的重点：(1) 对于单入单出被控对象,需要研究针对不稳定对象或被控过程存在较大干扰情况下的参数整定方法,使其在初始化、抗干
15、扰和鲁棒性能方面进一步增强,使用最少量的过程信息及较简单的操作就能较好地完成整定。(2) 对于多入多出被控对象,需要研究针对具有显著耦合的多变量过程的多变量PID参数整定方法,进一步完善分散继电反馈方法,尽可能减少所需先验信息量,使其易于在线整定。(3) 智能控制技术有待进一步研究,将自适应、自整定和增益计划设定有机结合,使其具有自诊断功能：结合专家经验知识、直觉推理逻辑等专家系统思想和方法对原有PID控制器设计思想及整定方法进行改进:将预测控制、模糊控制和PID控制相结合,进一步提高控制系统性能。这些都是智能控制发展的极有前途的方向。1.1.2 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
