压力模糊控制规则自调整设计
目录
摘要全文加332889463
关键词
Abstract
Keywords
前言
第1章压力广义对象的组成和数学模型的建立
1.1压力罐压力广义对象的组成部分介绍
1.1.1压力传感器与变送器
1.1.2变频器与提升泵
1.1.3压力罐设备介绍（实验室过程控制装置）
1.2压力广义对象阶跃响应时间特性曲线
1.2.1测试压力是实验装置手动开关位置设置
1.2.2测试操作步骤
1.2.3测试结果曲线及有关数据
1.2.4压力广义对象数学模型（传递函数）辨识
第2章控制器选择
2.1未加控制器时压力闭环控制系统质量指标分析计算
2.2控制器比较与选择
2.2.1常规PID控制器
2.2.2模糊控制器
(1)模糊PID控制器
(2)模糊控制规则可调整的模糊控制器
(3)选择模糊控制规则可调整的压力模糊控制系统的总体方框图
第3章模糊控制器设计
3.1单输入单输出模糊控制器框图
3.2二维输入一维输出模糊控制器框图
3.3三维输入一维输出模糊控制器框图
3.4二维输入一维输出模糊控制表建立
3.4.1人工控制压力
3.4.2压力偏差变化、压力偏差变化率及变频器变化的模糊化
3.4.3压力控制规则设计（压力模糊控制表的建立）
3.4.4压力模糊控制表的使用方法
3.4.5压力模糊控制表的调整方法
(1)带一个调整因子
(2)带两个调整因子
(3)带智能权函数
第4章用MATLAB/simulink仿真研究模糊控制表（控制规则）自调整的方法4.1二维输入一维输出模糊控制表的调整
4.1.1控制规则的解析描述
4.1.2带一个调整因子的模糊控制规则的压力控制系统的仿真
4.1.3带两个调整因子的模糊控制规则的压力控制系统的仿真
4.1.4带自调整函数的模糊控制规则的压力控制系统的仿真
4.2考虑系统中非线性特性影响的压力模糊控制系统仿真
4.2.1考虑系统死区特性影响
4.2.2考虑系统中饱和特性影响
4.3考虑压力广义对象结构参数
4.3.1压力广义对象结构变化（变为二阶惯性环节）
4.3.2广义对象（增益K改变为±5%K0，改变为±10%K0）
4.3.3广义对象（时间常数T改变为±5%T0，改变为±10%T0）
4.4常规PID压力控制系统仿真
4.4.1调整Kp、Ti、Td为最佳时仿真
4.4.2考虑系统中死区特性影响时仿真
4.4.3考虑系统中饱和特性影响时仿真
4.4.4当压力广义对象结构参数变化时仿真
第5掌压力模糊控制规则自调整控制系统的组态王软件编程5.1主程序流程图
5.2编程命令语言
结论
致谢
参考文献
毕业设计小结
摘要
本文对压力模糊控制规则自调整的设计做了比较详尽的论述，并结合MATLAB仿真软件对控制系统做了仿真,得到其响应曲线,并与PID控制方法进行比较，从而得出模糊控制器在压力自动控制中具有很高的应用价值。利用模糊控制原理，对变频调速变压供水系统进行了研究，介绍了模糊控制策略的设计思想，采用PLC 控制和变频调速技术使系统得以实现。实践证明系统实时性强，可靠性高，对于单泵站供水具有明显的推广应用价值。
关键词:模糊控制，控制规则自调整，仿真
Abstract
In this paper, the stress rule self-tuning fuzzy control design made a more detailed discussion,and combined with MATLAB simulation software for control system simulation, get the response curve,get the response curve, and compared with PID control method,thus concluded that the fuzzy controller has the very high application value in the automatic pressure https://www.doczj.com/doc/3f17647958.html,ing the fuzzy control principle,variable voltage variable frequency control water supply system was studied,the paper introduces the design of the fuzzy control strategy,PLC control and frequency control of motor speed technology to implement system.The practices prove the system real-time performance,High safely and reliability,for a single pumping station water supply has obvious application value.
Key words:fuzzy control,Self-tuning control rules,simulation
前言
美国西佛罗里达大学的詹姆斯教授曾举过一个鲜明的例子。假如你不幸在沙漠迷了路，而且几天没喝过水，这时你见到两瓶水，其中一瓶贴有标签：“纯净水概率是0.91”，另一瓶标着“纯净水的程度是0.91”。你选哪一瓶呢？相信会是后者。因为后者的水虽然不太干净，但肯定没毒，这里的0.91表现的是水的纯净程度而非“是不是纯净水”，而前者则表明有19％的可能不是纯净水。再比如“人到中年”，就是一个模糊事件，人们对“中年”的理解并不是精确的一个岁数。
从上边的例子，可以看到模糊逻辑不是二者逻辑——非此即彼的推理，它也不是传统意义的多值逻辑，而是在承认事物隶属真值中间过渡性的同时，还认为事物在形态和类属方面具有亦此亦彼性、模棱两可性——模糊性。正因如此，模糊计算可以处理不精确的模糊输入信息，可以有效降低感官灵敏度和精确度的要求，而且所需要存储空间少，能够抓住信息处理的主要矛盾，保证信息处理的实时性、多功能性和满意性。
美国加州大学L.A.Zadeh博士于1965年发表了关于模糊集的论文，首次提出了表达事物模糊性的重要概念——隶属函数。这篇论文把元素对集的隶属度从原来的非0即1推广到可以取区间【0，1】的任何值，这样用隶属度定量地描述论域中元素符合论域概念的程度，就实现了对普通集合的扩展，从而可以用隶属函数表示模糊集。模糊集理论构成了模糊计算系统的基础，人们在此基础上把人工智能中关于知识表示和推理的方法引入进来，或者说把模糊集理论用到知识工程中去就形成了模糊逻辑和模糊推理;为了克服这些模糊系统知识获取的不足及学习能力低下的缺点，又把神经计算加入到这些模糊系统中，形成了模糊神经系统。这些研究都成为人工智能研究的热点，因为它们表现出了许多领域专家才具有的能力。同时，这些模糊系统在计算形式上一般都以数值计算为主，也通常被人们归为软计算、智能计算的范畴。
模糊计算在应用上可是一点都不含糊，其应用范围非常广泛，它在家电产品中的应用已被人们所接受，例如，模糊洗衣机、模糊冰箱、模糊相机等。另外，在专家系统、智能控制等许多系统中，模糊计算也都大显身手。究其原因，就在于它的工作方式与人类的认知过程是极为相似的。在这里，笔者结合自己的研究实践，以一个建筑结构选型的专家系统为例，说明模糊推理系统是如何模仿领域专家的思维进行工作的，其中所用到的步骤、计算过程在其他模糊系统中也具有典型的代表性。
模糊计算方法以模糊集理论为基础，它有诸如模糊信息检索、模糊识别、模糊聚类等许多广泛的应用，而且由于其采用的方法也是人类大脑所采用的认知方法，因而在社会学方面也大有用武之地。人脑也正是采用模糊的手段，极大地压缩了信息的输入量、处理量、存储量，才得以满意地处理所面临的各种问题。
我们可以看到神经计算具有学习能力，同时也具有联想、记忆的功能，但是它的知识表达不是显性的，而是隐含在众多的神经联接强度中。而模糊计算正相反，它的学习能力较差，知识与经验的获取很多要靠人来完成，但它的知识表达明确，贴近自然。事实上，真正实用的系统常常把二者合而为一、互用所长、互补所短。无论是用模糊逻辑增强的ANN，还是用ANN增强的模糊逻辑系统，都可以使系统既具有开放的自学习、自适应能力，又具有令人满意的规则推理过程及结论。最近还有一种研究趋势，将几个BP神经网络组合在一起来实现模糊规则及推理过程。
可以预见，在未来，模糊计算还会有更大的发展，其应用也会越来越多，最终它将在高级智能系统中发挥不可或缺的作用。
第一章压力广义对象的组成和数学模型的建立
1.1压力罐压力广义对象的组成部分介绍
1.1.1压力传感器与变送器
压力传感器是工业实践中最为常用的一种传感器。一般普通压力传感器的输出为模拟信号，模拟信号是指信息参数在给定范围内表现为连续的信号。或在一段连续的时间间隔内，其代表信息的特征量可以在任意瞬间呈现为任意数值的信号。而我们通常使用的压力传感器主要是利用压电效应制造而成的，这样的传感器也称为压电传感器。
图1-1压力传感器
压力传感器是使用最为广泛的一种传感器。传统的压力传感器以机械结构型的器件为主，以弹性元件的形变指示压力，但这种结构尺寸大、质量轻，不能提供电学输出。随着半导体技术的发展，半导体压力传感器也应运而生。其特点是体积小、质量轻、准确度高、温度特性好。特别是随着MEMS技术的发展，半导体传感器向着微型化发展，而且其功耗小、可靠性高。
图1-2压力变送器
压力变送器是一种接受压力变量,经传感转换后,将压力变化量按一定比例转换为标准输出信号的仪表。变送器的输出信号传输到中控室进行压力指示、记录或控制。当压力直接作用在测量膜片的表面，使膜片产生微小的形变，测量膜片上的高精度电路将这个微小的形变变换成为与压力成正比的高度线性、与激励电压也成正比的电压信号，然后采用专用芯片将这个电压信号转换为工业标准的4-2OmA电流信号或者1-5V电压信号。由于测量膜片采用标准话集成电路，内部包含线性及温度补偿电路，所以可以做到高精度和高稳定性，变送电路采用专用的两线制芯片，可以保证输出两线制4-2OmA电流信号，方便现场接线。
1.1.2变频器与提升泵
图1-3变频器
变频器（Variable-frequency Drive，VFD）是应用变频技术与微电子技术，通过改变电机工作电源频率方式来控制交流电动机的电力控制设备。变频器主要由整流（交流变直流）、滤波、逆变（直流变交流）、制动单元、驱动单元、检测单元微处理单元等组成。变频器靠内部IGBT的开断来调整输出电源的电压和频率，根据电机的实际需要来提供其所需要的电源电压，进而达到节能、调速的目的，另外，变频器还有很多的保护功能，如过流、过压、过载保护等等。随着工业自
动化程度的不断提高，变频器也得到了非常广泛的应用。
图1-4提升泵
根据提升泵的工作原理和结构的不同，提升泵可分为缠绕式提升泵和摩擦式提升泵两大类。缠绕式提升泵根据其滚筒上的缠绳多少又分为单绳缠绕式提升泵和多绳缠绕式提升泵。单绳缠绕式提升泵根据滚筒的个数和结构有单滚筒、双滚筒和可分离滚筒三种型式。多绳缠绕式提升泵是一种新式提升泵，与单绳缠绕式提升机不同的是，几根提升钢丝绳同时缠绕在一个分段的滚筒上。
摩擦式提升机根据其摩擦绳的多少可分为多绳摩擦式提升泵、单绳摩擦式提升机和内装式提升机几种类型。提升设备的布置方式有塔式和落地式两类。
提升泵的工作原理：将两根钢丝绳的一端以相反的方向分别缠绕并固定在提升泵的两个滚筒上：另一端绕过井架上的天轮分别与两个提升容器连接。这样，通过电动机改变滚筒的转动方向，可将提升钢丝绳分别在两个滚筒上缠绕和松放，以达到提升或下放容器，完成提升任务的目的。
提升泵是一种圆柱形滚筒提升机，根据滚筒的数目不同，可分为双滚筒和单滚筒两种。双滚筒提升泵的两个滚筒在与轴的连接方式上有所不同：其中一个滚筒通过楔键或热装与主轴固接在一起，称为固定滚筒（死滚筒）；另一个滚筒滑装在主轴上，通过离合器与主轴连接，称为游动滚筒（活滚筒）。
单滚筒提升泵只有单个滚筒，一般只用于单钩提升。如果单滚筒提升机作双钩提升，则要在一个滚筒上固定两根缠绕方向相反的提升钢丝绳。提升机运行时，一根钢丝绳向滚筒上缠绕，同时，另一撤钢丝绳自滚筒上松放。其优点是，滚筒容绳表面得到了充分的利用，从而使得提升机的体积和重力较小；缺点是，用作
双钩提升时，两个容器分别在井口和井底水平的位置不易调整。
1.1.3压力罐设备介绍（实验室过程控制装置）
图1-5压力罐
压力罐是利用罐内空气的可压缩性来调节和贮存水量并使之保持所需压力的，所以又叫气压给水设备，其作用相当于水塔和高位水池。由于它的供水压力是借罐内压缩空气维持的，因此，罐体的安装高度可以不受限制。但其调节水量小，压力衰减快，机泵启动频繁，运行费用高，不适宜用水量大和要求压力稳定的用户。
压力罐一般安装在配水泵与管网之间。水泵启动后，即向管网供水，多余的水则贮存至罐内，并使罐内水位上升，罐内空气受到压缩，压力随之增高。当罐内压力达到所规定的上限压力值时，由管道与罐顶部相连通的电接点压力表的指标接通上限触点，发出信号，切断电源，停泵。用户继续用水，罐内压缩空气将罐内的水压入管网，水位下降，罐内空气压力也随之下降。当降至所要求的下限压力值时，电接点压力表的指标即接通下限触点，继电器动作，电机与电源接通、水泵重新启动工作。正常情况下，水泵可在无人控制的情况下工作，并可根据用水量的变化，自行调整水泵开停次数与工作时间，保证向管网连续供水。
压力罐有补气式和隔膜式两种类型。补气式压力罐中空气与水直接接触，经过一段时间后，空气因漏失和溶解于水而减少，使调节水量逐渐减少。水泵启动渐趋领繁，因此需定期补气。补气方法有空气压缩机补气、水射器补气和定期泄空补气等。隔膜式压力罐气水分开，水在橡胶（塑料）囊内部，外部与罐体之间的间隙预充惰性气体，一般可充氮气。这种压力罐没有气溶与水的损失问题，可一次充气，长期使用，不必设置空气压缩机。因此，节省了投资，简化了系统，扩大了使用范围。
1.2压力广义对象阶跃响应时间特性曲线
1.2.1测试压力是实验装置手动开关位置设置
接通密封罐的进水和出水管道上的手动开关F01,F02,F10,F08，关闭手动开关F03,F04,F09,F11。
图1-6压力广义对象测试线路图
1.2.2测试操作步骤
操作：
第一种情况：①接通密封罐的进水和出水管道上的手动开关F01,F02,F10,F08，关闭手动开关F03,F04,F09,F11。
②放水的电动调节阀开度为50%。
③接通计算机电源，启动组态软件KingView，进入压力曲线显示图形画面。
④打开设备电源，将设备手动开关接通，启动变频器输出设定频率为20HZ，提升泵电动机转动抽水进入压力罐，使P增加，达到最终平衡状态。
⑤改变提升泵频率为30HZ，记录压力变化趋势曲线，并对其特性进行分析。
1.2.3测试结果曲线及有关数据
图1-7全文加332889463
图1-8
图1-9
第一次达到稳态值：29； 第二次达到稳态值：48； 两次稳态值之差为：48-29=19；
T1对应的值为：19×0.4+29=7.6+29=36.6； T2对应的值为：19×0.8+29=15.2+29=44.2； T1值为：0.25s ； T2值为：0.86s ；
1.2.4压力广义对象数学模型（传递函数）辨识
=2
1
t t 0.291<0.326； T==+12.221t t =+12.286.025.00.523
K==-5
2948 3.8kPa/Hz
所以1
523.08
.31)(+=+=s Ts K s G
第2章控制器选择
2.1未加控制器时压力闭环控制系统质量指标分析计算
由上知未校正开环传递函数：1
523.08
.3)(+=s s G o ，则
未校正闭环传递函数：φ0（s ）=
1
109.0792
.08.4523.08.3)
(1)(+=+=
+s s s Go s Go
2081.08
.311
11=+=+=
p ss k e Ts=3×T=3×0.109=0.327 σ%=0
2.2控制器比较与选择
2.2.1常规PID 控制器
图2-1基本模拟控制反馈回路
被控量的值由传感器或变送器来检测，这个值与给定值进行比较，得到偏差，模拟调节器依一定控制规律使操作变量变化，以使偏差趋近于零，其输出通过执行器作用于过程。控制规律用对应的模拟硬件来实现，控制规律的修改需要更换模拟硬件。 PID 控制简介
PID 控制中的积分作用可以减少稳态误差, 但另一方面也容易导致积分饱和, 使系统的超调量增大。
微分作用可提高系统的响应速度, 但其对高频干扰特别敏感, 甚至会导致系统失稳。
所以, 正确计算控制器的参数, 有效合理地实现 PID 控制器的设计,对于PID 控制器在过程控制中的广泛应用具有重要的理论和现实意义。
在PID 控制系统中, PID 控制器分别对误差信号e （t ）进行比例、积分与微分运算, 其结果的加权和构成系统的控制信号u （t ），送给对象模型加以控制。
PID 控制器的数学描述为
其传递函数可表示为:
从根本上讲, 设计PID 控制器也就是确定其比例系数Kp 、积分系数T i 和微分系数T d , 这三个系数取值的不同, 决定了比例、积分和微分作用的强弱。控制系统的整定就是在控制系统的结构已经确定、控制仪表和控制对象等处在正常状态的情况下, 适当选择控制器的参数使控制仪表的特性和控制对象的特性相配合, 从而使控制系统的运行达到最佳状态, 取得最好的控制效果。下面介绍基于MATLAB 的 Ziegler-Nichols 算法PID 控制器设计。
一、模拟PID 控制系统组成
图2-2 模拟PID 控制系统原理框图
二、模拟PID
调节器的微分方程和传输函数 PID 调节器是一种线性调节器，它将给定值r(t)与实际输出值c(t)的偏差的比例(P)、积分(I)、微分(D)通过线性组合构成控制量，对控制对象进行控制。
1、PID 调节器的微分方程
??
?
??
?++
=?
t
D
I P dt t de T dt t e T t e K t u 0
)()(1
)()( 式中 )()()(t c t r t e -= 2、PID 调节器的传输函数 ??
????++==
S T S T K S E S U S D D I P 11)()()( 三、PID 调节器各校正环节的作用
1、比例环节：即时成比例地反应控制系统的偏差信号e(t)，偏差一旦产生，调节器立即产生控制作用以减小偏差。
2、积分环节：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TI ，TI 越大，积分作用越弱，反之则越强。
3、微分环节：能反应偏差信号的变化趋势(变化速率)，并能在偏差信号
的值变得太大之前，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，减小调节时间。
2.2.2模糊控制器
（1）模糊PID控制器
1.控制器结构：
图2-3
2.模糊化
由PID各个参数对系统的影响得到：
(a)当误差|e|较大时，说明误差的绝对值较大，不论误差的变化趋势如何，都应该考虑控制器的Kp取较大值，以提高响应的快速性；而为防止因为|ec|瞬时过大，kd应该取较小的值；为控制超调，ki也应该取值很小。
(b)当误差|e|在中等大小时，为保证系统的相应速度并控制超调，应减小Kp，Ki值应增大，Kd应适中。
(c)当误差|e|较小时，为保证系统具有良好的稳态特性，应加大Kp、Ki的取值，同时为避免产生振荡，Kd的取值应该和|ec|联系起来。
模糊PID控制根据系统运行的不同状态，考虑Kp、Ki、Kd三者的关联，根据工程经验设计模糊整定这三个参数，选择输入语言变量为误差e和偏差变化率ec，语言变量值取{NB，NM，NS，0，PS，PM，PB}七个模糊值；选择输出语言变量为△Kp，△Ki，△Kd语言变量值也取{NB，NM，NS，0，PS，PM，PB}七个模糊值，建立△Kp，△Ki，△Kd的模糊规则表如下表1、表2、表3
（2）模糊控制规则可调整的模糊控制器
参数可调整的模糊PID控制器系统主要由参数可调整的PlD控制器和模糊控制器两部分构成，模糊控制器以控制系统的误差和误差的变化率为输入，采用模糊推理的方法实现对PID控制器的三个参数即比例系数KD、积分时间常数TI和微分时间常数Td的在线自动整定；参数可调整PID控制器通过模糊控制的结果实现对控制系统的PID控制，其结构如图l所示。
图2-4
（3）选择模糊控制规则可调整的压力模糊控制系统的总体方框图
图2-5
第3章模糊控制器设计
3.1单输入单输出模糊控制器框图
一维模糊控制器如图所示，一维模糊控制器的输入变量往往选择为受控量和输入给定的偏差量E。由于仅仅采用偏差值，很难反映过程的动态特性品质，因此，所能获得的系统动态性能是不能令人满意的。这种一维模糊控制器往往被用于一阶被控对象。
3.2二维输入一维输出模糊控制器框图
二维模糊控制器如图所示，二维模糊控制器的两个输入变量基本上都选用受控变量和输入给定的偏差E和偏差变化EC，由于它们能够较严格地反映受控过程中输出变量的动态特性，因此，在控制效果上要比一维控制器好得多，也是目