基于fuzzy_pid控制器的双容水箱液位控制系统仿真设计说明书

基于fuzzy-pid控制器的双容水箱液位控制系统仿

真设计说明书

第一章 前言

1.1 设计背景

双容水箱为工业过程控制中常见的液位控制对象，它通过调节调节阀的开度，使上下水箱的输入、输出水流量相等，以便液位保持不变。在水箱系统中，上、下位水箱的水量变化存在延时，而外界的干扰又会导致增益、延时的变化。针对液位控制过程中存在大滞后、时变、非线性的特点，为适应复杂系统的控制要求，人们研制了种类繁多的先进的智能控制器，模糊PID控制器便是其中之一，模糊PID控制结合了PID控制算法和模糊控制方法的优点，可以在线实现PID参数的调整，使控制系统的响应速度快，过渡过程时间大大缩短，超调量减少，振荡次数少，具有较强的鲁棒性和稳定性，在模糊控制中扮演着十分重要的角色

1.2 设计意义

PID控制是生产过程中最普遍使用的控制方法，在冶金、机械、化工等行业获得广泛应用。随着工业生产和现代化科学技术的迅速发展，各个领域对自动控制系统控制性能的要求越来越高。实际的工业生产过程中往往具有非线性、时变性等不确定的干扰，常规PID控制器经常出现参数整定不良、控制性能欠佳且适应性较差等缺点。

模糊控制可以把人类语言表述的控制策略，通过模糊集合和模糊逻辑推理转化成数字或数字函数，再用计算机去实现既定的控制。常规的模糊控制缺少积分环节，加之模糊控制器特有的量化过程，模糊控制是存在静态误差的，而通过给模糊控制器并联积分器成功地消除了静态误差。

智能控制与常规PID控制相结合，形成了智能PID控制，这种新型控制器已引起人们的普遍关注和极大兴趣，并已得到较为广泛的应用。模糊PID控制可以

根据系统的运行状态在线整定PID控制器参数，使系统的运行性能有很大的提升。

本设计建立了串联双容水箱液位控制系统的数学模型，应用Matlab软件对PID算法、模糊PID算法进行了仿真。

第二章 被控对象的分析与建模

该系统控制的是有纯延迟环节的二阶双容水箱，示意图如下图2.1：

其中A1A2分别为水箱的底面积，q1q2q3为水流量，R1R2为阀门1、2的阻力，称为液阻或流阻，经线性化处理，有：?q??h。则根据物料平衡对水箱1有： R2记录 LT 104 FV101 定值 Qi Qo h 图2.1 双容水箱结构图

?q1??q2?A1d?h1 dt?q2?拉式变换得：

?h1 R2?Q1(S)??Q2(S)?A1S?H1(S)

?Q2(S)?对水箱2：

?H1(S) R2?q2??q3?A2?q3?d?h2 dt?h2 R3拉式变换得：

?Q2(S)??Q3(S)?A2S?H2(S) ?Q3(S)?

则对象的传递函数为： W0(S)?R3?H2(S)K??

?Q1(S)(A1R2S?1)(A2R3S?1)(T1S?1)(T2S?1)?H2(S) R2其中T1?A1R2为水箱1的时间常数，T2?A2R3水箱2的时间常数，K为双容对象的放大系数。若系统还具有纯延迟，则传递函数的表达式为：

W0(S)??H2(S)K? e??0S

?Q1(S)(T1S?1)(T2S?1)其中

?0为延迟时间常数。

第三章 设计理论及仿真过程

3.1设计理论及分析方法

3.1.1 PID控制器

PID控制是最早发展起来的控制策略之一，因为它所涉及的设计算法和控制结构都很简单，且十分适用于工程应用背景，此外PID控制方案并不要求精确的受控对象的数学模型，且采用PID控制效果一般是比较令人满意的，所以PID控制器是一种应用比较广泛的控制器。

工业生产过程中，对于生产装置的温度、压力、流量、液位等工艺变量常常要求维持在一定的数值上，或按一定的规律变化，以满足生产工艺的要求。PID控制器是根据PID控制原理对整个控制系统进行偏差调节，从而使被控变量的实际值与工艺要求的预定值一致。

模拟PID控制器的原理图3.1如图所示：

图3.1模拟PID控制器原理图

r(t)为系统给定值，c(t)为实际输出，u(t)为控制量。

PID控制器是一种线性控制器，经过离散化处理的数字PID公式为：

u(k)?kpe(k)?ki?e(j)?kd[e(k)?e(k?1)]

j?0k式中：kp为比例系数；ki为积分系数；kd为微分系数。

比例调节作用：按比例反应系统的偏差，系统一旦出现了偏差，比例调节立即产生调节作用用以减少偏差。比例作用大，可以加快调节，减少误差，但是过大的比例，使系统的稳定性下降，甚至造成系统的不稳定。

积分调节作用：使系统消除稳态误差，提高无差度。因为有误差，积分调节就进行，直至无差，积分调节停止，积分调节输出一常值。积分作用的强弱取决与积分时间常数Ti，Ti越小，积分作用就越强。反之Ti大则积分作用弱，加入积分调节可使系统稳定性下降，动态响应变慢。积分作用常与另两种调节规律结合，组成PI调节器或PID调节器。

微分调节作用：反映系统偏差信号的变化率，具有预见性，能预见偏差变化的趋势，因此能产生超前的控制作用，在偏差还没有形成之前，已被微分调节作