蔡丽-基于模糊PID的水箱液位控制.pptVIP

基于模糊PID的水箱液位控制 一、概述 液位控制是工业控制中的一个重要问题，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。 二、设计的主要内容 本文介绍模糊PID控制在双容水箱的液位控制系统中的应用。首先建立了液位控制系统数学模型，介绍了PID控制、模糊控制以及模糊PID的基本原理，然后利用MATLAB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PID控制算法与常规PID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。 二阶对象的原理图 2.2 二阶对象的结构 关掉其它阀门,只打开连接阀门CV1和泄水阀门LV2,以进水阀门1的开度作为控制输入,水箱T2的液位作为系统输出,即可实现二阶惯性对象。通过调节进水阀门1和泄水阀门LV2的开度,考虑浮漂液位传感器的不敏感性和进水管的长度,可以模拟二阶系统中的纯滞后环节。 2.3 被控对象双容二阶水箱，其传递函数为： 三、模糊控制器的设计 本课题设计的模糊推理计算为两输入、三输出模糊控制器。以误差e及其误差变化率ec为输入，PID控制器参数调整量△Kp、△Ki 、△Kd为输出量。 PID参数模糊自整定是找出PID三个参数与e和ec之间的模糊关系,在运行中通过不断检测e和ec,根据模糊控制原理来对3个参数进行在线修改,以满足不同e和ec时对控制参数的不同要求,而使被控对象有良好的动、静态性能。 3.1 模糊控制器的设计过程 (1) 量化因子比例因子的确定 在本文设计中，以实验数据为依据确定误差e及其变化率ec的基本论域范围，通过确定量化因子，将其映射到模糊论域，并分为{NB，NM，NS，ZE，PS，PM，PB}七个语言值，为设计方便这里取量化因子为1 模糊控制器的输出变量的基本论域范围和比例因子的数值，为计算简便这里比例因子也取1 (2) 模糊语言变量隶属函数的确定 模糊语言值实际上是对应的Fuzzy子集,而语言值最终是通过隶属函数来描述的。根据控制系统特征,语言值的隶属函数(即语言值的语义规则)可以是连续函数的形式,有时也以离散量化等级形式出现。 (3) 解模糊 解模糊实际上就是一个从模糊控制作用空间到精确控制空间的映射，即解模糊判据，这里，输出量解模糊采用最大隶属度法。这种方法在输出模糊集合中选取隶属度最大的论域元素作为判决结果，如果在多个论域元素上同时出现隶属度最大值，则取他们的平均值作为判决结果。这种方法的有点是简单易行，其缺点是概括的信息量较少。 3.2 模糊PID控制算法 为使系统的响应速度及调节阀动作连续，输出平稳，在模糊规则的设计上将误差信号e及误差的变化量ec分别划分为{NB，NM，NS，ZE，PS，PM，PB}七个范围， e及误差的变化量ec 的论域为[-6 6]。Kp，Ki，Kd也划分为{NB，NM，NS，ZE，PS，PM，PB}七个范围,论域为[-6 6] 。输入和输出变量均采用三角形隶属函数曲线分布。这样，整个模糊系统就成为一个2输入3输出的系统。其系统结构如下图所示 Kp，Ki和Kd的模糊规则表 输入e、 ec和输出Kp、 Ki、 Kd的隶属度函数 3.3 模糊控制系统仿真 在MATLAB环境下，针对所建立的模型，首先确定既定液位高度10CM，误差在既定液位的15%以内，进行数字PID控制和模糊PID控制的仿真。 (1) Kp=6，Ki=0.2，Kd=0.8。使系统能投入稳定运行； (2)逐渐增大kp，直到系统出现等幅振荡，即临界振荡，记录此时临界增益k和临界振荡周期T； (3)按经验如下公式计算参数的整定值 控制器的Simulik仿真-响应性 红线数字PID仿真曲线 黄线模糊PID仿真曲线 由上图看出，模糊PID控制比相同参数的数字PID控制有几个特点:响应速度较快，超调量有很大减小，而且振荡减弱和数字PID控制算法相比有着明显的优越性。  控制器的Simulik仿真-抗干扰性 模糊PID与数字PID的抗干扰性仿真比较 红线数字PID抑制扰动曲线图 黄线模糊PID抑制扰动曲线图 减小水箱2的漏水阀门开度,从图可以看到，