基于模糊控制的多容水箱的智能水位控制毕业论文.doc

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1、郑州航空工业管理学院 毕 业 论 文（设 计） 2013 届 电气工程及其自动化 专业 班级题 目 基于模糊控制的多容水箱的智能水位控制 姓 名 学号 指导教师 职称 二一三 年 五 月 二十四 日目 录第一章 绪论11.1 课题研究背景11.2 国内外研究现状21.3 研究意义及目的4第二章 液位控制系统52.1 系统总体结构52.2 系统特点52.3 系统数学模型6第三章 PID控制算法113.1 基础知识113.2 PID控制的作用133.3 PID在本系统的应用14第四章 模糊控制算法164.1 理论的发展164.2 模糊控制系统与模糊控制器简介174.2.1 模糊控制系统174.2.

2、2 模糊控制器184.3 模糊控制的局限20第五章 模糊PID控制225.1 模糊PID介绍225.2 模糊PID控制器设计235.2.1 模糊PID控制器结构235.2.2 参数自整定245.2.3 模糊控制规则25第六章 控制系统仿真286.1 软件简介286.1.1 MATLAB286.1.2 SIMULINK仿真环境286.2 模糊控制器设计和仿真过程286.3 仿真结果简要分析31结束语32参考文献33第一章 绪论1.1 课题研究背景工业中的过程控制是指以温度、压力、流量、液位和成分等工艺参数作为被控变量的连续过程自动控制，它是自动化技术的一个重要的组成部分，涉及石油、化工、冶金、电

3、力、轻工、纺织、医药、建材、食品等工业部门。连续过程工业的发展对于我国国民经济意义重大。如今工业自动化越来越普及，如何确保在提高经济效益和社会效益的基础上，既达到预期的经济技术指标，又能改善劳动条件、保护生态环境，这将是过程控制技术所面临的巨大挑战。在工业生产不断快速发展的浪潮推动下，自动化控制水平也相应的得到了大幅度的提高。然而由于被控对象的复杂程度越来越高，自然而然许多传统的控制算法将不能满足复杂控制系统要求，因此能否提出既先进又可行的控制算法对于工业过程生产具有极大的推动作用。但是受到各种因素的影响，目前控制技术和学术研究成果很难与实际的工业生产应用技术相同步，有的甚至相差几十年。不仅如

4、此，往往越高深越先进的控制理论，对它的研究却仅局限于极少数的科研院所，脱离了工业生产这个应用基地。这样一来导致很多的理论算法一旦用于现场就会遇到各种各样的实际问题。当然，造成这种结果的原因是多方面的，可以明确的是，理论的研究脱离了实际背景的支持是制约其得以广泛应用的首要因素。因此，能否找到一种具有典型对象特性的实验装置至关重要。三容水箱液位控制系统作为一种物理模拟对象，模拟了工业现场多种复杂的控制系统。该实验装置融合了多种技术为一体，比如自动化仪表、通讯以及自动控制等。它还包含了多种被控参数，如液位、流量、压力、温度等。借助该装置不仅可以实现简单的参数辨识、单回路控制、串级控制、比值控制，还可

5、以实现复杂的滞后控制、解耦控制等。通过三容水箱对象的参数调试和引入部分干扰等形式的设计，可以构造出具有大滞后和参数可变等不同状态下的被控对象模型；并且可以在不同的反应时段任意加入不同类型的干扰来进行不同算法的控制特性研究。概括起来，三容水箱是一种典型的非线性、时延性对象，它具有很强的代表性，工业上许多被控对象的整体或局部都可以抽象成三容水箱的数学模型，因此在三容水箱数学模型建立的基础之上深入研究智能控制算法，并进行模拟仿真验证有着重要的意义。水箱液位控制是液位控制中的一个主要问题, 它主要有以下几个特点：(1)时滞性；(2)时变性；(3)非线性。这几个特点都严重影响PID控制的效果。常规PID

6、控制由于采用固定的参数，难以保证系统适应控制系统的参数变化和工作条件变化，液位始终有较大波动，得不到理想效果。模糊控制是建立在人工经验基础之上，无需知道控制对象的精确数学模型，是解决不确定性系统控制的一种有效途径,它采用语言变量来描述系统特征，并依据系统的动态信息和模糊控制规则进行推理以获得合适的控制量，具有对参数变化不敏感和鲁棒性强等特点，但单纯的模糊控制也存在精度不高、易产生极限振荡等问题。如果将模糊控制和PID控制两者结合起来，就能更好地适应控制系统的参数变化和工作条件的变化。采用参数自整定模糊PID控制系统对环境的适应能力强，在随机的环境中可以在线调整PID控制的参数，在被控对象存在扰

7、动情况下控制系统仍然保持良好的性能。1.2 国内外研究现状1）控制对象方面。目前国外很多大学和实验室广泛应用的三容水箱系统是德国Amira自动化公司研制的，但不足之处是该系统价格昂贵，受经济条件限制国内只有清华、浙大等少数几所高校引进了此设备。国内也有部分厂家研制生产三容水箱液位控制系统，像GWT系列水箱液位控制三容水箱对象系统实验装置等等。GWT实验装置是由固高科技有限公司协同香港城市大学联合研制开发而成，经过香港城市大学三年的实践检验，充分的证实了其潜在的教学、实验和研究价值。用户通过此装置既可以进行经典PID控制器设计和调试，又可以通过模糊逻辑控制器的设计和调试进行智能控制教学实验与研究

8、。另一套实验装置是由浙江天煌科技实业有限公司研制的，目前常用的型号主要有THJ-2,THJ-3和THJ-4；THJ-x系列液位控制装置即可以作为本科、专科、高职过程控制课程的实验装置，也可以为研究生及科研人员对复杂控制系统、先进控制系统的研究提供物理模拟对象和实验手段。但是，受经济条件、环境的因素的影响，真正能运用这些控制对象的仅仅是很小的一部分；这样以来使得国内基于三容水箱液位控制系统算法的研究和仿真在很大程度上受到了限制。2）控制算法方面。对于简单的单容、双容液位控制系统，通常选用常规的控制算法如单回路PID控制、串级PID控制、前馈控制、SMITH预估补偿控制、大林算法、解耦控制等等。但

9、是由于像SMITH预估补偿控制、大林算法以及解耦控制等方法对控制系统的数学模型依赖性较强，导致常规的控制方法很难在非线性大滞后的系统中取得较好的控制效果。因此针对三容水箱这种典型的非线性、大惯性以及延时性的控制系统，传统的控制算法已不能胜任，预测控制算法和智能控制理论等复杂的控制算法成为主要研究的控制策略。预测控制主要代表为动态矩阵控制、模型算法控制和广义预测控制，预测控制算法涉及的参数较多，如预测长度、控制时域长度、加权阵等，关于算法中的主要参数与闭环系统的稳定性、动静态特性和鲁棒性之间的定量解析表达式还难以得到，尤其是多变量系统的鲁棒性的分析和综合方面的研究还不够成熟。智能控制是针对被控系

10、统及其控制环境和任务不确定性而提出的，智能控制过程是含有复杂性、不确定性、模糊性且一般不存在已知算法的非传统数学公式化的过程，因此智能控制系统应当对环境和任务的变化具有快速应变能力，应能完成各种复杂多变的任务。目前，对智能控制的研究要集中在专家控制技术、模糊控制技术、神经网络控制技术、遗传算法等方面。模糊控制技术是建立在模糊集合论基础上的一种基于语言规则与模糊推理的控制理论，该技术依赖于行为规则库，其规则用自然语言表达，更接近于人的思维方法和推理习惯，便于现场操作人员的理解和使用。神经网络技术不像专家系统那样需要事先建立知识库，知识的获取只需足够的训练样本，能够模拟现实系统复杂的输入输出关系，

11、具有很强的非线性建模能力，由于它具有适应能力和学习能力，因此很适合用作智能控制的研究工具。神经网络控制和模糊控制分别单独在三容水箱液位系统中的应用较多，控制效果也比较明显。目前，控制算法的研究主要是在这些原有控制算法的基础上提出改进和完善。受众多因素的影响，虽然给三容水箱控制算法的研究造成一些不利，但是并没有阻碍国内学者对其深入的探讨和研究。华中科技大学的侯燕在三容水箱液位控制系统的研究这篇学位论文中以三容水箱液位控制系统为被控对象，研究了模糊控制算法，并通过仿真验证了其可靠性。不仅如此，还将三容水箱建模以及控制方法推广到现实的教学实验中，并取得了很好的效果。大连理工大学朱晶针对模糊控制算法比

12、例因子和量化因子选择困难的特点，提出了采用蚁群算法对其优化，仿真结果表明了其有效性，使得模糊控制的运用得到了大幅度的提升。基于此构造了模糊PID控制器，并运用到三容水箱液位控制系统中，取得了良好的效果。合肥工业大学卢娟提出了将神经网络控制理论与PID相结合的算法，充分利用神经网络的自学习、精度高的优点，提高了三容水箱液位控制的鲁棒性。1.3 研究意义及目的从工程应用角度讲，三容水箱实验系统具有很强的代表性和工业背景，通过各阀门的开关可组成不同阶次的系统对象及简单和复杂的控制回路，模拟故障的随机发生等，这些实验对象的存在为系统辨识、控制理论及故障诊断等的研究提供了典型的被控对象，尤其是为智能控制

13、理论的研究提供较好的验证平台，它的设计研制可及时解决无法为理论研究提供实际背景支持的难题。因而，本课题所研究的三容水箱实验系统是将理论成果快速转换为实际应用技术的重要途径，将理论研究应用于实际生产中，提高生产效率和产品质量等，为工业生产的发展起到巨大的推动作用，具有重要的理论意义和工程应用价值。从教学角度讲，三容水箱实验系统的开发为工程控制理论的学习研究提供了良好的实验前提条件，开发经济实用并能真实复现工业过程的实验系统能够帮助学生将所学知识应用到实践中，对所学知识得到感性和理性认识，在此基础上可自主进行创新设计；同时，开发基于虚拟仪器技术的三容水箱实验系统，是对实验室资源的合理应用和共享的重

14、要举措，它提供了一个系统而开放的教学、科研平台，对控制理论的实验教学具有重要的意义。第二章 液位控制系统2.1 系统总体结构三容水箱实验系统的控制结构如图2.1所示，其组成的各个部分简单介绍如下：图2.1 三容水箱实验系统的控制结构图(1)控制器，由计算机软件实现，主要实现各种控制算法，如增量式PID控制算法、模糊PID控制算法等；(2)执行机构，包括水泵、比例电磁流量阀及其控制器、溢流阀等。比例电磁阀负责向实验台的玻璃容器注水，通过控制比例阀的输入电压可改变其出口流量，进而达到控制容器内液位高度的目的；溢流阀起到保证整个系统压力恒定作用。(3)被控对象为三容水箱，被控量为三个圆柱型玻璃容器内

15、的液位高度hl、h2、h3。(4)测量元件，为三个应变式压力传感器，用来测量各容器内的液位高度值。(5)AD、DA接口，通过数据采集卡的AD转换功能将把传感器采集的模拟电压信号转换成计算机可识别的数字信号，同时通过此数据采集卡的DA转换功能，将设定的数字电压信号转换成相应的模拟电压信号传送给比例电磁阀，从而调节进水流量，执行各种控制算法。2.2 系统特点三容水箱系统是有较强代表性和工业背景的对象，具有非常重要的研究意义和价值，主要是因为它具有如下特点：(1)通过改变各个阀门的关闭或打开状态可构成灵活多变的对象，如一阶对象、二阶对象或双入多出系统对象等。(2)三容水箱系统是典型的非线性、时延对象，所以可对其进行非线性系统的辨识和控制等的相关研究。(3)三容水箱系统可构造单回路控制系统、串级控制系统、复杂过程控制系统等，从而对各种控制系统的研究提供可靠对象。(4)由于对三容水箱系统的控制主要通过计算机来完成，所以，可由计算机编程实现各种控制算法来对水箱系统进行控制，为控制算法的研究提供了良好的试验平台。(5)可以在控制过程中随时改变泄水阀门的状态，从而模拟故障的发生，这也为故障诊断的研究提供了研究对象和试验