本科毕业设计论文
题目单容水箱液位模糊控制系统设计
专业名称
学生姓名
指导教师
毕业时间
任务书
一、题目
单容水箱液位模糊控制系统设计
二、指导思想和目的要求
通过毕业设计使学生对所学自动化专业知识和理论加深理解，掌握自动控制原理以及过程控制系统和仿真的基本方法。
要求毕业设计中：
1、建立系统的数学模型
2、设计单容水箱液位单回路反馈控制系统，采用PID控制并进行仿真以及参数整定。
3、设计单容水箱液位模糊控制系统。即设计一个两维模糊控制器，模糊控制器的设计为两个输入一个输出，模糊控制器的输出用来控制阀门的开度，调节水箱的液位。
4、模糊控制系统的理论设计计算以及仿真计算模糊控制规则可调整的液位控制系统的性能指标，进行参数整定。
5、比较水箱液位模糊控制和PID控制系统。
三、主要技术指标
1、液位保持在480-510mm
2、超调量≤5%
3、稳定时间＜200S
四、进度和要求
1、1-3周：收集查阅资料；
2、4-6周：完成总体方案设计和建模；
3、7-8周：完成系统分析和控制规律设计；
4、9-11周：完成仿真验证及修改；
5、12-13周：完成毕业设计论文.
五、主要参考书及参考资料
（1）金以慧，《过程控制》清华大学出版社，1993.4 （2）刘永信，陈志梅，《现代控制理论》北京大学出版社，2006.9 （3）薛定宇，陈阳泉，《系统仿真技术与应用》清华大学出版社，2004.4 （4）胡寿松主编《自动控制原理》北京科学出版社，2007.6 （5）陈阳泉主编《过程控制与SIMULINK应用》北京电子工业出版社2001.4 （6）郝整清，《模糊控制及其MATLAB仿真》北京交通大学出版社208.3 （7）苏徽，《模糊PID研究》西安《工业化仪表与自动化装置》杂志社2001.4
学生指导教师系主任
摘要
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,模糊控制器便是其中之一。模糊控制，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。
本文介绍了模糊控制在单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控制和模糊控制的基本原理, 然后利用 MATLAB 工具对控制对象进行了跟踪设定值,进行单容水箱液位模糊控制方面的仿真研究。模糊控制算法与常规 PID 算法相比具有鲁棒性强和动态性能好等特点,该控制方法对于单容水箱系统控制是有效的。
关键词： PID控制，模糊控制，simulink 仿真
Abstract
The liquid level control industrial control is one of the important problems , According to level control process in big lag, time-varying, Nonlinear character is tics ,In order to adapt to the control requirements of complex system , It was a wide variety of advanced intelligent controller, Fuzzy controller is one of them. Fuzzy control algorithm combined with PID control and fuzzy control method, can realize PID parameters of online adjustment, the control system of the fast response, the transition process time shortens greatly, overshoots reduce, oscillation less number, and has strong robustness and stability in fuzzy control play a very important role in.
This article describes the fuzzy control in Water Level Control System. First, the establishment of a level control system mathematical model describes the basic principles of fuzzy control and PID control, and then use MATLAB tools for control object tracking settings, single-tank water level simulation of fuzzy control. Fuzzy control algorithm and compared with the conventional PID algorithm robustness and dynamic performance and good features, the control method for single-tank water system controls are effective.
Keywords: PID control，tank fuzzy control，simulink simulation
目录
第一章绪论 (6)
1.1 选题背景、研究意义及文献综述摘要 (6)
1.1.1选题背景 (6)
1.1.2研究意义 (6)
1.2模糊控制在工业中的应用 (7)
1.3系统的控制算法种类 (8)
1.4 本论文的主要内容 (9)
第二章单容水箱液位系统组成及数学建模 (10)
2.1 单容水箱的组成 (10)
2.2 单容水箱液位的数学建模 (10)
第三章控制系统的设计 (12)
3.1 PID控制算法和模拟PID调节 (12)
3.2 PID控制规律 (14)
3.2.1数字PID控制算法 (15)
3.2.2控制器的P，I，D项选择 (16)
3.3模糊控制理论的起源与发展 (17)
3.4 模糊控制系统 (19)
3.4.1 模糊控制系统的组成 (19)
3.4.2 模糊控制器的组成 (21)
第四章单容水箱液位模糊控制系统的设计 (26)
4.1 输入、输出变量的论域和模糊化 (26)
4.2 量化因子和比例因子 (27)
4.3隶属函数的选择 (29)
4.4 模糊控制规则表 (30)
第五章单容水箱液位控制系统的仿真研究 (32)
5.1 MATLAB简介 (32)
5.1.1 MATLAB 基本功能 (32)
5.1.2逻辑工具箱 (33)
5.1.3 模糊逻辑的SIMULINK (33)
5.2 单容水箱液位的MATLAB仿真 (34)
5.3 模糊控制系统simulink仿真步骤 (35)
参考文献 (42)
致谢 (44)
毕业设计小结 (45)
第一章绪论
1.1 选题背景、研究意义及文献综述摘要
1.1.1选题背景
随着工业生产的飞速发展,人们对控制系统的控制精度,响应速度,系统稳定性与适应能力的要求越来越高。而实际工业生产过程中的被控对象往往具有非线性,时延的特点,应用常规的控制手段难以达到理想的控制效果,研究对非线性,时延对象的先进控制策略,提高系统的控制水平,具有重要的实际意义。
本文所提及的液位控制系统是一种可以模拟多种对象特性的实验装置。该装置是进行控制理论与控制工程教学,实验和研究的理想平台,可以方便的构成多阶系统对象,用户既可通过经典的 PID 控制器设计与调试,完成经典控制教学实验,也可通过模糊逻辑控制器的设计与调试,迸行智能控制教学实验与研究。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。
1.1.2研究意义
随着工业生产的飞速发展,人们对生产过程的自动化控制水平,工业产品和服务产品质量的要求也越来越高。每一个先进实用控制算法和监测算法的出现都对工业生产具有积极有效的推动作用。然而,当前的学术研究成果与实际生产应用技术水平并不是同步的,通常情况下实际生产中大规模应用的算法要比理论方
面的研究滞后几年,甚至有的时候这种滞后相差几十年。这是目前控制领域所面临的最大问题,究其根源主要在于理论研究尚缺乏实际背景的支持,一旦应用于现场就会遇到各种各样的实际问题,制约了其应用。
因而,在目前尚不具有在实验室中重现真实工业过程条件的今天,开发经济实用且具有典型对象特性的实验装置无疑是一条探索将理论成果快速转换为实际应用技术的捷径。多容器流程系统是具有纯滞后的非线性耦合系统,是过程控制中的一种典型的控制对象,在实际生产中有着非常广泛的应用背景。用经典控制方法和常规仪表控制这类过程时,常因系统的多输入多输出关系以及系统的内部关联而使系统构成十分复杂,会明显地降低控制系统的调节品质,在耦合严重的情况时会使各个系统均无法投入运行。液位控制系统是模拟多容器流程系统的多输入多输出,大迟延,非线性,耦合系统,它的液位控制算法的研究对实际的工程应用有着非常重要的意义。
工业生产过程控制中的被控对象往往是多输入多输出系统,回路之间存在着耦合的现象。即系统的某一个输入影响到系统的多个输出,或者系统的某一个输出受到多个系统输入的影响。有时对该多变量系统进行解耦能够获得满意的控制效果。液位控制系统实验装置模拟了工业现场多种典型的非线性时变多耦合系统,用常规的控制手段往往很难实现理想的控制效果,因此对其控制算法进行研究具有非常重要的实际意义。
1.2模糊控制在工业中的应用
自从1965年美国加利福尼亚大学的Zadeh教授创建模糊集理论和1974年英国的 E.H.Mamdani 成功地将模糊控制应用于锅炉和蒸汽机控制以来，模糊控制得以广泛发展并在现实中得以成功应用，其根源在于模糊逻辑本身提供了由专家构造语言信息并将其转化为控制策略的一种系统的推理方法，因而能够解决许多复杂而无法建立精确的数学模型系统的控制问题，是处理推理系统和控制系统中不精确和不确定性的一种有效方法。从广义上讲，模糊控制是基于模糊推理，模仿人的思维方式，对难以建立精确数学模型的对象实施的一种控制。它是模糊数学同控制理论相结合的产物，同时也构成了智能控制的重要组成部分。模糊控制的突出特点在于：
控制系统的设计不要求知道被控对象的精确数学模型，只需要提供现场操作人员的经验知识及操作数据控制系统的鲁棒性强，适应于解决常规控制难以解决的非线性、时变及滞后系统。
以语言变量代替常规的数学变量，易于构造形成专家的“知识”。
控制推理采用不精确推理“（approximate reasoning）”，推理过程模仿人的思维过程，因为介入了人类的经验，因而能够处理复杂甚至“病态”系统模糊控制在理论上突飞猛进的同时，已越来越多地成功地应用于现实世界中。然而相比于传统的控制方法，应用于实时控制中的模糊控制到底有什么优势许多学者在研究证明采用启发式规则的模糊控制器性能优于常规控制器性能时是否进行了平等的比较，也即是否用性能较好的模糊控制器与性能较差的 PI 控制器进行着比较，K.J.Astrom 表达了上述观点。
可以说每一种新的技术与方法在体现其优越性能的同时，也必定存在其局限性。应当承认，在对客观对象进行观察和认识时，模糊控制必竟不如人的认识全面深刻，因而若要达到真正仿人智能的效果，仍然需要其自身在工程应用中不断地朝着自适应、自组织、自学习方向发展。本文应用模糊控制对单容水箱液位对象进行控制并仿真。
1.3系统的控制算法种类
目前，针对过程控制所研究开发出来的控制算法很多，得到工程界认可的控制策略主要有以下几种：
（1）模糊控制算法。大量的事实证明，传统的 PID 控制算法对于绝大部分工业过程的被控对象(高达 90%)可取得较好的控制效果。采用模糊控制算法往往可以进一步提高控制质量。
（2）预测控制。预测控制是直接从工业过程控制中产生的一类基于模型的新型计算机控制算法。因为它采用多步预测、滚动优化和反馈校正等控制策略因而控制效果好、鲁棒性强，适用于控制不易建立精确数学模型且比较复杂的工业生产过程。
（3）自适应控制。在过程工业中，不少的过程是时变的，如采用参数与结构固定不变的控制器，则控制系统的性能会不断恶化，这时就需要采用自适应控制系
统来适应时变的过程。它是辨识与控制的结合。
（4）智能控制。随着科技的发展，对工业过程不仅要求控制的精确性，更加注重控制的鲁棒性、实时性、容错性以及控制参数的自适应和自学习能力。另外，被控工业过程日益复杂，过程严重的非线性和不确定性，使许多系统无法用数学模型精确描述。没有精确的数学模型作前提，传统控制系统的性能将大打折扣。而智能控制器的设计却不依赖过程的数学模型，因而对于复杂的工业过程往往可以取得很好的控制效果。本节主要针对 PID 和模糊（智能）控制算法进行研究，最后给出本文将要实现的控制算法。
1.4 本论文的主要内容
本论文研究的以单容水箱液位为研究对象，建立数学模型，设计单容水箱液位单回路反馈控制系统，采用PID控制并进行仿真以及参数整定。设计单容水箱液位模糊控制系统。即设计一个两维模糊控制器，模糊控制器的设计为两个输入一个输出，模糊控制器的输出用来控制阀门的开度，调节水箱的液位。最后对PID控制和模糊控制进行比较。
湖南工程学院 系统综合训练报告 目录 概述 二硬件介绍说明 (4)
2.1电动调节阀 (4) 2.2扩散硅压力液位变送器 (5) 2.2扩散硅压力液位变送器 (5) 2.4远程数据采集模块ICP-7017、ICP-7024面板 (5) 三.软件介绍说明 (7) 3.1工艺流程 (7) 3.2制作总体回路 (8) 3.2制作总体回路 (9) 四.调试结果与调试说明 (11) 4.1调试说明： (11) 4.2调试结果 (12) 五．实训心得12
第1 章系统总体方案 在工业生产过程中，液位贮槽如进料罐、成品罐、中间缓冲器、水箱等设备应用十分普遍，为了保证生产正常进行，物料进出需均衡，以保证过程的物料平衡。因此，工艺要求贮槽内的液位需维持在给定值上下，或在某一小范围内变化，并保证物料不产生溢出。例如，锅炉系统汽包的液位控制，自流水生产系统过滤池、澄清池水位的控制等等。根据课题要求，设计一个单容水箱的液位过程控制系统，该系统能对一个单容水箱液位的进行恒高度控制。单容水箱是个比较简单的控制系统，因为在该设计中，只要控制一个液位的高度，初步设计采用水泵恒定抽水，改变电动调节阀的开度来控制水的流量从而控制水箱液位的高度。本设计选用压力传感器对液位高度进行测量，将测量的值与系统的给定值进行比较，来确定阀的开度。 1.1被控参数的选择 根据设计要求可知，水箱的液位要求保持在一恒定值。所以，可以直接选取水箱的液位作为被控参数。 1.2控制参数的选择 影响水箱液位有两个量，一是流入水箱的流量。二是流出水箱的流量。调节这两个流量的大小都可以改变液位高低，这样构成液位控制系统就有两种控制方案。 对两种控制方案进行比较，假如系统在停电或者失去控制作用时，第一种通过控制水箱的流入量的方案将出现的情况是：水箱的水将流干；第二种通过控制水箱的流出量的方案则会形成水长流或者水溢出的情况，因此，选择流入量作为控制参数更加合理。 1.3调节阀的选择 在工程中，当系统的控制作用消失时，如果调节阀没有关闭则会造成水的浪费甚至出现事故，因此，需要关闭调节阀。故选择电动气开式调节阀。
DCS实训报告双容水箱液位串级控制系统
一、实训目的 （1）、熟悉集散控制系统（DCS）的组成。 （2）、掌握MACS组态软件的使用方法。 （3）、培养灵活组态的能力。 （4）、掌握系统组态与装置调试的技能。 二、实训内容及要求 以THSA-1型生产过程自动化技术综合实训装置为工业对象。完成中水箱和下水箱串级液位控制系统的组态。 要求：设计液位串级控制系统，并用MACS组态软件完成组态。 包括：（1）、数据库组态。 （2）、设备组态。 （3）、算法组态。 （4）、画面组态。 （5）、在实验装置上进行系统调试。 三、工程分析 THSA-1型生产过程自动化技术综合实训装置中水箱和下水箱串级液位控制系统需要2个输入测量信号，1个输出控制信号。 因此,该系统包括： （1）、该系统有2个AI点LT1、LT2，1个AO点LV1。 （2）、该系统需要1个模拟量输入模块FM148用于采集中水箱液位信号LT1和下水箱液位信号LT2;1个模拟量输出模块
FM151用于控制电动控制阀的开度LV1。并且FM148的设备号为2号，FM151的设备号为3号。 （3）、LT1按2号设备的第1通道，LT2按2号设备的第2通道。LV1按3号设备的第1通道。 （4）、系统配备1个现场控制站10站，1台服务器兼操作员站。 四、实训步骤 1、工程的建立 （1）、打开：开始macsv组态软件数据库总控。（2）、选择工程/新建工程，新建工程并输入工程名；Demo。（3）、点击“确定”按钮，然后在空白处选择“demo”工程。工程信息如下图所示： （4）、选择“编辑>域组号组态”，选择组号为1，将刚创建的工程“demo”从“未分组的域”移到右边“改组所包含的域”里，点击“确认”按钮。然后，在数据库总控组态软件窗口会出现当前工程名、当前域号、该域分组号、系统总点数。 （5）、数据库组态。
实验上水箱液位定值控制系统 一. 实验目的 1．了解闭环控制系统的结构与组成。 2．了解单闭环液位控制系统调节器参数的整定。 3．观察阶跃扰动对系统动态性能的影响。 二. 实验设备 1. THJ-2型高级过程控制系统装置 2. 计算机、上位机MCGS组态软件、RS232-485转换器1只、串口线1根 三. 实验原理 单回路控制系统的结构/方框图: 它是由被控对象、执行器、调节器和测量变送器组成一个单闭环控制系统。系统的给定量是某一定值，要求系统的被控制量稳定至给定量。由于这种系统结构简单，性能较好，调试方便等优点，故在工业生产中已被广泛应用。 本实验系统的被控对象为上水箱，其液位高度作为系统的被控制量。系统的给定信号为一定值，它要求被控制量上水箱液位在稳定时等于给定值。由反馈控制的原理可知，应把上水箱的液位经传感检测作为反馈信号。其实验图如下：
过程：储水箱的水被抽出后经过电动调节阀调节进水量送给上水箱，经过LT1的测量变送使上水箱的液位反馈给LC1，LC1控制电动调节阀的开度进而控制入水流量，达到所需要的液位并保持稳定。 四．实验接线 其接线图为：图中LT2改接为LT1 五．实验内容及步骤 1．按图要求，完成系统的接线。 2．接通总电源和相关仪表的电源。 3．打开阀F1-1、F1-2、F1-6和F1-9，且把F1-9控制在适当的开度。 4．设置好系统的给定值后，用手动操作调节器的输出，使电动调节阀给上水箱打水，待其液位达到给定量所要求的值，且基本稳定不变时，把调节器切换为自动，使系统投入自动运行状态。 5．启动计算机，运行MCGS组态软件软件，并进行下列实验： 设定其智能调节仪的参考参数为：SV=8cm；P=20；I=40；D=0；CF=0；ADDR=1；Sn=33；diH=50;dil=0;上水箱出水阀开度：45%。运行MCGS组态软件软件，并进行实验当实验数据稳定的同时记录的实验曲线如下图：
三容水箱液位过程控制设计 专业：自动化 班级：2011级4班 组员：孙健 组员：姜悦2 组员：黄潇20115041 指导老师：陈刚 重庆大学自动化学院 2015年1月
目录 一、现代工业背景 (1) 二、问题的提出 (2) 三、模型的建立 (3) 3.1 单容水箱的数学模型 (3) 3.2 双容水箱的数学模型 (5) 3.3 三容水箱模型 (6) 四、算法的描述 (8) 4.1对原始模型的仿真 (8) 4.2添加P控制并对其仿真 (9) 4.3添加单回路控制并对其仿真 (10) 4.4添加PID控制和单回路控制并对其仿真 (11) 五、结果及分析 (14) 六、总结与体会 (15) 6.1 组长孙健的总结 (15) 6.2 组员姜悦的总结 (15) 6.3 组员黄潇的总结 (15) 七、参考文献 (17) 八、附录 (18)
一、现代工业背景 世界上任何国家的经济发展,都伴随着人民生活水平的改善和城市化进程的不断加快。但是相应的淡水资源的需求和消耗也在不断增多。水,作为一种必不可少的资源，长期以来一直被认为是取之不尽、用之不竭的。在这种观点的驱使下，水环境的质量越来越恶劣、水资源短缺也越来越严重，这一切都加重了城市的负荷，带来一系列危及城市生存与发展的生态环境问题。污水也是造成环境污染的来源之一。这个污染源的出现引起了世界各国政府的关注，治理水污染环境的课题被列入世界环保组织的工作日程。 建设污水处理厂，消除水污染也是为人民造福的一项事业，政府一时又拿不出巨大的资金投入到治理项目的建设中去。为了使污染快速得到控制，向公民投放建设专项债券，给公民一定的高于银行存款利息的待遇，使公民的资金投入到基础设施建设，发挥这部分资金的作用，也能为政府解除一些资金筹措的忧虑，又体现了全民的环保意识。 现代污水处理技术，按处理程度划分，可分为一级、二级和三级处理。 一级处理，主要去除污水中呈悬浮状态的固体污染物质，物理处理法大部分只能完成一级处理的要求。经过一级处理的污水，BOD一般可去除30%左右，达不到排放标准。一级处理属于二级处理的预处理。 二级处理，主要去除污水中呈胶体和溶解状态的有机污染物质(BOD，COD物质)，去除率可达90%以上，使有机污染物达到排放标准。 三级处理，进一步处理难降解的有机物、氮和磷等能够导致水体富营养化的可溶性无机物等。主要方法有生物脱氮除磷法，混凝沉淀法，砂滤法，活性炭吸附法，离子交换法和电渗分析法等。 整个过程为通过粗格栅的原污水经过污水提升泵提升后，经过格栅或者砂滤器，之后进入沉砂池，经过砂水分离的污水进入初次沉淀池，以上为一级处理(即物理处理)，初沉池的出水进入生物处理设备，有活性污泥法和生物膜法，(其中活性污泥法的反应器有曝气池，氧化沟等，生物膜法包括生物滤池、生物转盘、生物接触氧化法和生物流化床)，生物处理设备的出水进入二次沉淀池，二沉池的出水经过消毒排放或者进入三级处理，一级处理结束到此为二级处理，三级处理包括生物脱氮除磷法，混凝沉淀法，砂滤法，活性炭吸附法，离子交换法和电渗析法。二沉池的污泥一部分回流至初次沉淀池或者生物处理设备，一部分进入污泥浓缩池，之后进入污泥消化池，经过脱水和干燥设备后，污泥被最后利用。 经济发展与水环境污染是成正比的，也就是说经济发展的速度越快，相应带来的水环境污染就越严重。人民生活离不开水，工农业生产发展更离不开水，排出来的无论是生活污水还是工业废水都会带来不同程度的污染。经济的发展是需要资金投入的，保护环境不受污染，同样也需要钱，当资金有限的时候，就需要将经济发展和保护环境这两项硬指标进行有机的协调，不能造成顾此失彼或厚此薄彼的局面。若顾经济发展失环境保护，就会产生环境严重受到污染，再投入相当的资金也不会治理到原来的清洁环境。国外的反面教训警示了我们，日本的伊势湾受到沿海石化生产废水的污染，使伊势湾的水产品受到严重的损失，产生了不能食用的后果，虽经多年的治理也难以恢复污染前的环境状况。这也充分证明了经济发展与环境保护的密切关系。
双容水箱液位流量串级控制系统设计 ◆设计题目 双容水箱液位流量串级控制系统设计 ◆设计任务 如图1所示的两个大容量水箱。要求水箱2水位稳定在一定高度，水流量经常波动，作为扰动量存在。试针对该双容水箱系统设计一个液位流量串级控制方案。 水箱1 水箱2 图1 系统示意图◆设计要求 1）已知主被控对象（水箱2水位）传递函数W1=1/(100s+1, 副被控对象（流量）传递函数W2=1/(10s+1。 2）假设液位传感器传递函数为Gm1=1/(0.1s+1，针对该水箱工作过程设计单回路PID 调节器，要求画出控制系统方框图及实施方案图，并给出PID 参数整定的方法与结果； 3）假设流量传感器传递函数为Gm2=1/(0.1s+1，针对该水箱工作过程设计液位/流量串级控制系统，要求画出控制系统方框图及实施方案图，并给出主、副控制器的结构、参数整定方法及结果； 4）在进口水管流量出现阶跃扰动的情况下，分别对单回路PID 控制与串级控制进行仿真试验结果比较，并说明原因。 ◆设计任务分析
一、系统建模 系统建模基本方法有机理法建模和测试法建模两种建模方法。 机理法建模就是根据生产过程中实际发生的变化机理，写出各种有关的平衡方程，从中获得所需的数学模型 测试法一般只用于建立输入—输出模型。它是根据工业过程的输入和输出的实测数据进行某种数学处理后得到的模型。它的特点是把研究的工业过程视为一个黑匣子，完全从外特性上测试和描述它的动态性质。 对于本设计而言，由于双容水箱的各个环节的数学模型已知，故采用机理法建模。 在该液位控制系统中，建模参数如下： 控制量：水流量Q ； 被控量：水箱2液位； 主被控对象（水箱2水位）传递函数W1=1/(100s+1, 副被控对象（流量）传递函数W2=1/(10s+1。 控制对象特性： Gm1（S ）=1/（0.1S+1）（水箱1传递函数）； Gm2（S ）=1/（0.1S+1）（水箱2传递函数）。 控制器：PID ； 执行器：流量控制阀门；
单容水箱液位控制系统辨识 一、单容水箱液位控制系统原理 单容水箱液位控制系统是一个单回路反馈控制系统，它的控制任务是使水箱液位等于给定值所要求的高度；并减小或消除来自系统内部或外部扰动的影响。单回路控制系统由于结构简单、投资省、操作方便、且能满足一般生产过程的要求，故它在过程控制中得到广泛地应用。图1-1为单容水箱液位控制系统方块图。 当一个单回路系统设计安装就绪之后，控制质量的好坏与控制器参数的选择有着很大的关系。合适的控制参数，可以带来满意的控制效果。反之，控制器参数选择得不合适，则会导致控制质量变坏，甚至会使系统不能正常工作。因此，当一个单回路系统组成以后，如何整定好控制器的参数是一个很重要的实际问题。一个控制系统设计好以后，系统的投运和参数整定是十分重要的工作。图1-2是单容液位控制系统结构图。 图1-1 单容水箱液位控制系统的方块图系统由原来的手动操作切换到自动操作时，必须为无扰动，这就要求调节器的输出量能及时地跟踪手动的输出值，并且在切换时应使测量值与给定
值无偏差存在。图1-2 是单容水箱液位控制系统结构图。 一般言之，具有比例（P ）调节器的系统是一个有差系统，比例度δ的大小不仅会影响到余差的大小，而且也与系统的动态性能密切相关。比例积分（PI ）调节器，由于积分的作用，不仅能实现系统无余差，而且只要参数δ，Ti 选择合理，也能使系统具有良好的动态性能。 图1-2 单容液位控制系统结构图 比例积分微分（PID ）调节器是在PI 调节器的基础上再引入微分D 的作用，从而使系统既无余差存在，又能改善系统的动态性能（快速性、稳定性等）。在单位阶跃作用下，P 、PI 、PID 调节系统的阶跃响应分别如图1-3中的曲线①、②、③所示。 图1-3 P 、PI 和PID 调节的阶跃响应曲线 二、单容水箱液位控制系统建模 t(s) T( c) . 1 e ss 2 3 1
内蒙古科技大学 控制系统仿真课程设计说明书 题目：双容水箱液位控制系统 仿真 学生姓名：任志江 学号：1067112104 专业：测控技术与仪器 班级：测控 10-1班 指导教师：梁丽
摘要 随着工业生产的飞速发展，人们对生产过程的自动化控制水平、工业产品和服务产品质量的要求也越来高。每一个先进、实用控制算法和监测算法的出现都对工业生产具有积极有效的推动作用。然而，当前的学术研究成果与实际生产应用技术水平并不是同步的，通常情况下实际生产中大规模应用的算法要比理论方面的研究滞后几年，甚至有的时候这种滞后相差几十年。这是目前控制领域所面临的最大问题，究其根源主要在于理论研究尚缺乏实际背景的支持，一旦应用于现场就会遇到各种各样的实际问题，制约了其应用。本设计设计的课题是双容水箱的PID液位控制系统的仿真。在设计中，主要针对双容水箱进行了研究和仿真。本文的主要内容包括：对水箱的特性确定与实验曲线分析，通过实验法建立了液位控制系统的水箱数学模型，设计出了控制系统，针对所选液位控制系统选择合适的PID算法。用MATLAB/Simulink建立液位控制系统，调节器采用PID控制系统。通过仿真参数整定及各个参数的控制性能，对所得到的仿真曲线进行分析，总结了参数变化对系统性能的影响。 关键词：MATLAB；PID控制；液位系统仿真
目录 第一章控制系统仿真概述 (2) 1.1 控制系统计算机仿真 (2) 1.2 控制系统的MATLAB计算与仿真 (2) 第二章 PID控制简介及其整定方法 (6) 2.1 PID控制简介 (6) 2.1.1 PID控制原理 (6) 2.1.2 PID控制算法 (7) 2.2 PID 调节的各个环节及其调节过程 (8) 2.2.1 比例控制与其调节过程 (8) 2.2.2 比例积分调节 (9) 2.2.3 比例积分微分调节 (10) 2.3 PID控制的特点 (10) 2.4 PID参数整定方法 (11) 第三章双容水箱液位控制系统设计 (12) 3.1双容水箱结构 (12) 3.2系统分析 (12) 3.3双容水箱液位控制系统设计 (15) 3.3.1双容水箱液位控制系统的simulink仿真图 (15) 3.3.2双容水箱液位控制系统的simulink仿真波形 (16) 第四章课程设计总结 (17)
本科毕业论文(设计) 题目：基于组态王6.5的串级PID液位控制系统设计学院：自动化工程学院 专业：自动化 姓名： ### 指导教师： ### 2011年 6 月 5 日
Cascade level PID control system based on Kingview 6.5
摘要 开发经济实用的教学实验装置、开拓理论联系实际的实验容，对提高课程教学实验水平，具有重要的实际意义。 就高校学生的实验课程来讲，由于双容水箱液位控制系统本身具有的复杂性和对实时性的高要求，使得在该系统上实现基于不同控制策略的实验容，需要全面掌握自动控制理论及相关知识。 本文通过对当前国外液位控制系统现状的研究，选取了PID控制、串级PID控制等策略对实验系统进行实时控制；通过对实验系统结构的研究，建立了单容水箱和双容水箱实验系统的数学模型，并对系统的参数进行了辨识；利用工业控制软件组态王6.5，并可通用于ADAM模块及板卡等的实现方案，通过多种控制模块在该实验装置上实验实现，验证了实验系统具有良好的扩展性和开放性。 关键词：双容水箱液位控制系统串级PID控制算法组态王6.5 智能调节仪 Abstract It is significant to develop applied experiment device and experiment content which combines theory and practice to improve experimental level of teaching. Based on the current situation of domestic and international level control system, selected the PID control, cascade PID control strategies such as
单容液位定值控制系统 一、实验目的 1．了解单容液位定值控制系统的结构与组成。 2．掌握单容液位定值控制系统调节器参数的整定和投运方法。 3．研究调节器相关参数的变化对系统静、动态性能的影响。 4．了解P、PI、PD和PID四种调节器分别对液位控制的作用。 5．掌握同一控制系统采用不同控制方案的实现过程。 二、实验设备 THPCAT-2型现场总线过程控制对象系统实验装置、AT-1智能仪表挂件一个、RS485/232转换器一个、RS485通讯线一根、计算机一台、万用表一个、软管若干。 三、实验原理 图3-6 中水箱单容液位定值控制系统 (a)结构图 (b)方框图 本实验系统结构图和方框图如图3-6所示。被控量为上小水箱（也可采用上大水箱或下水箱）的液位高度，实验要求中水箱的液位稳定在给定值。将压力传感器LT1检测到的上小水箱液位信号作为反馈信号，在与给定量比较后的差值通过调节器控制电动调节阀的开度，以达到控制水箱液位的目的。为了实现系统在阶跃给定和阶跃扰动作用下的无静差控制，系统的调节器应为PI或PID控制。 四、实验内容与步骤 本实验选择上小水箱作为被测对象（也可选择上大水箱或下水箱）。以上小水箱为例叙述实验步骤如下： 1. 实验之前先将储水箱中贮足水量，然后将阀门F1-1、F1-3、F1-4、F1-6全开，将上小水箱出水阀门F1-10开至适当开度（30%～80%），其余阀门均关闭。 2. 管路连接：将工频泵出水口和支路1进水口连接起来；将支路1出水口和上小水箱
进水口连接起来；将上小水箱出水口和储水箱进水口连接起来。 3. 采用智能仪表控制： 1）将“AT-1智能调节仪控制”挂件挂到网孔板上，并将挂件的通讯线插头通过RS485通讯线与RS485/232转换器连接到计算机串口1。 2）强电连线：单相I电源L、N端对应接到AT-1挂件电源输入L、N端。 3）弱电连线：上小水箱液位LT1的1-5V+、-端对应接到智能调节仪I的1-5V电压输入1、2端；智能调节I输出7、5对应接到电动调节阀控控制输入+ 、-端。 4）管路、阀门、接线检查无误后接通总电源开关，打开24V电源开关、电动调节阀开关、单相I开关。 5）检查智能调节仪基本参数设置：ctrl=1, dip=1,Sn=33, DIL=0，DIH=50，OPL=0,OPH=100,run=0。 6）打开上位机MCGS组态环境，打开“THPCAT-2智能仪表控制系统”工程，然后进入MCGS运行环境，在主菜单中点击“实验六、单容水箱液位定值控制实验”，进入“实验六”的监控界面。 7）先将仪表设置为手动状态，将磁力泵开关打到“手动”位置，磁力驱动泵上电打水，适当增加或减小仪表输出值，使水箱液位平衡在设定值。 8）按本章第一节中的经验法或动态特性参数法整定调节器参数，选择PI控制规律，并按整定后的PI参数进行调节器参数设置。 9）待液位稳定于给定值后，将调节器切换到“自动”控制状态，待液位平衡后，通过以下几种方式加干扰： a.突增（或突减）仪表设定值的大小，使其有一个正（或负）阶跃增量的变化；（此法推荐，后面两种仅供参考）。 b.将电动调节阀的旁路F1-5（同电磁阀）开至适当开度，将电磁阀开关打至“手动”位置。 c.适当改变上小水箱出水阀F1-10开度（改变负载）。 以上几种干扰均要求扰动量为控制量的5％～15％，干扰过大可能造成水箱中水溢出或系统不稳定。加入干扰后，水箱的液位便离开原平衡状态，经过一段调节时间后，水箱液位稳定至新的设定值（采用后面两种干扰方法仍稳定在原设定值），记录此时的智能仪表的设定值、输出值和仪表参数，液位的响应过程曲线将如图3-7所示。 图3-7 单容水箱液位的阶跃响应曲线 10)分别适量改变调节仪的P及I参数，重复步骤9，用计算机记录不同参数时系统的阶跃响应曲线。
双容水箱液位控制系统 郭晨雨
目录 摘要 --------------------------------------------------------------------------- 错误!未定义书签。 一．PID控制原理、优越性，对系统性能的改善----------------- 错误!未定义书签。二．被控对象的分析与建模--------------------------------------------- 错误!未定义书签。 三．PID参数整定方法概述---------------------------------------------- 错误!未定义书签。 PID控制器中比例、积分和微分项对系统性能影响分析错误!未定义书签。 比例作用 --------------------------------------------------------- 错误!未定义书签。 积分作用 --------------------------------------------------------- 错误!未定义书签。 微分作用 --------------------------------------------------------- 错误!未定义书签。 PID参数的整定方法 ------------------------------------------------ 错误!未定义书签。 临界比例度法 ------------------------------------------------------- 错误!未定义书签。 PID参数的确定 ----------------------------------------------------- 错误!未定义书签。 四．控制结构 ---------------------------------------------------------------- 错误!未定义书签。 利用根轨迹校正系统 ----------------------------------------------- 错误!未定义书签。 利用伯德图校正系统 ----------------------------------------------- 错误!未定义书签。 调整系统控制量的模糊PID控制方法------------------------- 错误!未定义书签。 模糊控制部分----------------------------------------------------- 错误!未定义书签。 PID控制部分 ---------------------------------------------------- 错误!未定义书签。五．控制器的设计---------------------------------------------------------- 错误!未定义书签。 六.仿真结果与分析--------------------------------------------------------- 错误!未定义书签。 七.结束语---------------------------------------------------------------------- 错误!未定义书签。参考文献 ---------------------------------------------------------------------- 错误!未定义书签。
题目：双容水箱液位流量串级控制系统设计1.设计任务 如图1所示的两个大容量水箱。要求水箱2水位稳定在一定高度，水流量经常波动，作为扰动量存在。试针对该双容水箱系统设计一个液位流量串级控制方案。 水箱2 图1 系统示意图 2.设计要求 1）已知主被控对象（水箱2水位）传递函数W1=1/(100s+1), 副被控对象（流量）传递函数W2=1/(10s+1)。 2）假设液位传感器传递函数为Gm1=1/(0.1s+1)，针对该水箱工作过程设计单回路PID调节器，要求画出控制系统方框图及实施方案图，并给出PID参数整定的方法与结果； 3）假设流量传感器传递函数为Gm2=1/(0.1s+1)，针对该水箱工作过程设计液位/流量串级控制系统，要求画出控制系统方框图及实施方案图，并给出主、副控制器的结构、参数整定方法及结果； 4）在进口水管流量出现阶跃扰动的情况下，分别对单回路PID控制与串级控制进行仿真试验结果比较，并说明原因。 3. 设计任务分析 （1）液位控制系统是以改变进水大小作为控制手段，目的是控制下水箱液位处于一个稳定值。 （2）单回路控制系统：对于此系统，若采用单回路控制系统控制液位，以液 位主控制信号反馈到控制器PID，直接去控制进水阀门开度，在无扰动情况下可以采用，但对于有扰动情况，由于控制过程的延迟，会导致控制不及时，造成超调量变大，稳定性下降，控制系统很难获得满意效果
（3）串级控制系统采用两套回路，其中内回路起粗调作用，外回路用来完成细调作用。对液位控制系统，内回路以流量作为前导信号控制进水阀开度，在有扰动情况下可以提早反应消除扰动引起的波动，从而使主控对象不受干扰，另外内回路的给定值受外回路控制器的影响，根据改变更改给定值，从而保证负荷扰动时，仍能使系统满足要求 1 ()T s G 2()T s G --主副控制器的传递函数 ()u s G --控制阀的传递函数 ()z s G --执行器的传递函数 1 2()()m m s s G G --主副变送器传递函数 01 ()s G 02()s G --主副对象的传递函数 4．单回路PID 控制的设计 （1）无干扰下的单回路PID 仿真方框图
XXXX大学 电子信息工程学院 专业硕士学位研究生综合实验报告 实验名称：双容水箱液位定值控制系统专业：控制工程 姓名： XXX 学号：XXXXXX 指导教师： XXX 完成时间：XXXXX
实验名称：双容水箱液位定值控制系统 实验目的： 1．通过实验进一步了解双容水箱液位的特性。 2．掌握双容水箱液位控制系统调节器参数的整定与投运方法。 3．研究调节器相关参数的改变对系统动态性能的影响。 4．研究P、PI、PD和PID四种调节器分别对液位系统的控制作用。 5．掌握双容液位定值控制系统采用不同控制方案的实现过程。 实验仪器设备： 1．实验对象及控制屏、SA-11挂件一个、SA-13挂件一个、SA-14挂件一个、计算机一台（DCS需两台计算机）、万用表一个； 2．SA-12挂件一个、RS485/232转换器一个、通讯线一根； 3．SA-21挂件一个、SA-22挂件一个、SA-23挂件一个； 4．SA-31挂件一个、SA-32挂件一个、SA-33挂件一个、主控单元一个、数据交换器两个，网线四根； 5．SA-41挂件一个、CP5611专用网卡及网线； 6．SA-42挂件一个、PC/PPI通讯电缆一根。 实验原理： 本实验以中水箱与下水箱串联作为被控对象，下水箱的液位高度为系统的被控制量。要求下水箱液位稳定至给定量，将压力传感器LT2检测到的中水箱液位信号作为反馈信号，在与给定量比较后的差值通过调节器控制电动调节阀的开度，以达到控制下水箱液位的目的。为了实现系统在阶跃给定和阶跃扰动作用下的无静差控制，系统的调节器应为PI或PID控制。调节器的参数整定可采用本章第一节所述任意一种整定方法。本实验系统结构图和方框图如图所示。
自动控制课程设计 课程名称：双容水箱液位串级控制 学院：机电与汽车工程学院 专业：电气工程与自动化 学号： 631224060430 姓名：颜馨 指导老师：李斌、张霞 2014/12/30
0摘要 (2) 1引言 (2) 2对象分析和液位控制系统的建立 (2) 2.1水箱模型分析 (2) 2.2阶跃响应曲线法建立模型 (3) 2.3控制系统选择 (3) 2.3.1控制系统性能指标【2】 (3) 2.3.2方案设计 (4) 2.4串级控制系统设计 (4) 2.4.1被控参数的选择 (4) 2.4.2控制参数的选择 (5) 2.4.3主副回路设计 (5) 2.4.4控制器的选择 (5) 3 PID控制算法 (6) 3.1 PID算法 (6) 3.2 PID控制器各校正环节的作用 (6) 4 系统仿真 (7) 4.1.1系统结构图及阶跃响应曲线 (7) 4.2.1 PID初步调整 (10) 4.2.2 PID不同参数响应曲线 (12) 4.3.1 系统阶跃响应输出曲线 (17) 5加有干扰信号的系统参数调整 (20) 6心得体会 (22) 7参考文献 (22)
液位控制是工业生产乃至日常生活中常见的控制，比如锅炉液位，水箱液位等。针对水箱液位控制系统，建立水箱模型并设计PID控制规律，利用Matlab 仿真，整定PID参数，得出仿真曲线，得到整定参数，控制效果很好，实现了水箱液位的控制。 关键词：串级液位控制；PID算法；Matlab；Simulink 1引言 面液位控制可用于生产生活的各方面。如锅炉液位的控制，如果液位过低，可能造成干烧，容易发生事故；炼油过程中精馏塔液位的控制，关系到产品的质量，是保障生产效果和安全的重要问题。因而，液位的控制具有重要的现实意义和广泛的应用前景。本文针对双容水箱，以下水箱液位为主控制对象，上水箱为副控制对象。选择进水阀门为执行机构，基于Matlab建模仿真，采用PID控制算法，整定PID参数，得出合理控制参数。 2对象分析和液位控制系统的建立 2.1水箱模型分析 现以下水箱液位为主调节参数，上水箱液位为副调节参数，构成传统液位串级控制系统，其结构原理图如图1所示。 图1 双容水箱液位控制示意图
单容水箱液位控制系统辨识 一、单容水箱液位控制系统原理 单容水箱液位控制系统是一个单回路反馈控制系统，它的控制任务是使 水箱液位等于给定值所要求的高度；并减小或消除来自系统内部或外部扰动 的影响。单回路控制系统由于结构简单、投资省、操作方便、且能满足一般 生产过程的要求，故它在过程控制中得到广泛地应用。图 1-1为单容水箱液 位控制系统方块图。 当一个单回路系统设计安装就绪之后，控制质量的好坏与控制器参数的 选择有着很大的关系。合适的控制参数，可以带来满意的控制效果。反之， 控制器参数选择得不合适，则会导致控制质量变坏，甚至会使系统不能正常 工作。因此，当一个单回路系统组成以后，如何整定好控制器的参数是一个 很重要的实际问题。一个控制系统设计好以后，系统的投运和参数整定是十 分重要的工作。图1-2是单容液位控制系统结构图 GK-07 图i-i 单容水箱液位控制系统的方块图 系统由原来的手动操作切换到自动操作时，必须为无扰动，这就要求调 节器的输出量能及时地跟踪手动的输出值，并且在切换时应使测量值与给定 值无偏差存在。图1-2是单容水箱液位控制系统结构图。 一般言之，具有比例（P ）调节器的系统是一个有差系统，比例度3的大 小不仅会影响到余差的大小，而且也与系统的动态性能密切相关。比例积分 电帖泵2 04 上水箱
（PI）调节器，由于积分的作用，不仅能实现系统无余差，而且只要参数3, Ti选择合理，也能使系统具有良好的动态性能。 图1-2单容液位控制系统结构图 比例积分微分（PID）调节器是在PI调节器的基础上再引入微分D的作用，从而使系统既无余差存在，又能改善系统的动态性能（快速性、稳定性等）。在单位阶跃作用下，P、PI、PID调节系统的阶跃响应分别如图1-3中 二、单容水箱液位控制系统建模 2.1液位控制的实现 液位控制的实现除模拟PID调节器外，可以采用计算机PID算法控制。首先由差压传感器检测出水箱水位；水位实际值通过单片机进行A/D转换,
双容水箱液位串级控制系统课程设计 1. 设计题目 双容水箱液位串级控制系统设计 2. 设计任务 图1所示双容水箱液位系统，由水泵1、2分别通过支路1、2向上水箱注水，在支路一中设置调节阀，为保持下水箱液位恒定，支路二则通过变频器对下水箱液位施加干扰。试设计串级控制系统以维持下水箱液位的恒定。 1 图1 双容水箱液位控制系统示意图 3. 设计要求 1） 已知上下水箱的传递函数分别为： 111()2()()51p H s G s U s s ?==?+，22221()()1()()()201 p H s H s G s Q s H s s ??===??+。 要求画出双容水箱液位系统方框图，并分别对系统在有、无干扰作用下的动态过程进行仿真（假设干扰为在系统单位阶跃给定下投运10s 后施加的均值为0、方差为0.01的白噪声）； 2） 针对双容水箱液位系统设计单回路控制，要求画出控制系统方框图，并分别对控制系统在有、无干扰作用下的动态过程进行仿真，其中PID 参数的整定要求写出整定的依据（选择何种整定方法，P 、I 、D 各参数整定的依据如何），对仿真结果进行评述； 3） 针对该受扰的液位系统设计串级控制方案，要求画出控制系统方框图及实施方案图，对控制系统的动态过程进行仿真，并对仿真结果进行评述。 4.设计任务分析
系统建模基本方法有机理法建模和测试法建模两种，机理法建模主要用于生产过程的机理已经被人们充分掌握，并且可以比较确切的加以数学描述的情况；测试法建模是根据工业过程的实际情况对其输入输出进行某些数学处理得到，测试法建模一般较机理法建模简单，特别是在一些高阶的工业生产对象。对于本设计而言，由于双容水箱的数学模型已知，故采用机理建模法。 在该液位控制系统中，建模参数如下： 控制量：水流量Q ； 被控量：下水箱液位； 控制对象特性： 111() 2()()51 p H s G s U s s ?==?+（上水箱传递函数）； 22221()()1()()()201p H s H s G s Q s H s s ??= ==??+（下水箱传递函数）。 控制器：PID ； 执行器：控制阀； 干扰信号：在系统单位阶跃给定下运行10s 后，施加均值为0、方差为0.01的白噪声 为保持下水箱液位的稳定，设计中采用闭环系统，将下水箱液位信号经水位检测器送至控制器（PID ），控制器将实际水位与设定值相比较，产生输出信号作用于执行器（控制阀），从而改变流量调节水位。当对象是单水箱时，通过不断调整PID 参数，单闭环控制系统理论上可以达到比较好的效果，系统也将有较好的抗干扰能力。该设计对象属于双水箱系统，整个对象控制通道相对较长，如果采用单闭环控制系统，当上水箱有干扰时，此干扰经过控制通路传递到下水箱，会有很大的延迟，进而使控制器响应滞后，影响控制效果，在实际生产中，如果干扰频繁出现，无论如何调整PID 参数，都将无法得到满意的效果。考虑到串级控制可以使某些主要干扰提前被发现，及早控制，在内环引入负反馈，检测上水箱液位，将液位信号送至副控制器，然后直接作用于控制阀，以此得到较好的控制效果。 设计中，首先进行单回路闭环系统的建模，系统框图如下： 可发现，在无干扰情况下，整定主控制器的PID 参数，整定好参数后，分别改变P 、I 、D 参数，观察各参数的变化对系统性能的影响；然后加入干扰（白噪声），比较有无干扰两
自动控制原理课程设计报告
单容水箱液位控制系统的PID算法 摘要随着科技的进步，人们对生产的控制精度要求越来越高，水箱液位系统是过程控制中一种典型的控制对象，提高液位控制系统的性能十分重要。本文针对理想的单容水箱液位系统，将包括单容水箱、电动机等在内的部分分别建立数学模型，并加入常规PID对系统性能进行调节。但由于实际单容水箱液位系统具有时滞性和非线性，实际生产中若要对其建立精确的数学模型比较困难。因此，将模糊控制的方法引用到对单容水箱液位系统的PID控制中，通过Simulink仿真验证了算法的有效性。结果表明，和常规PID控制相比，模糊PID控制具有良好的动静态品质。 关键词单容水箱液位; PID控制; MA TLAB; Simulink; 模糊控制. PID control method in water level systemof single-tank ABSTRACT With the development of technology, the control precision is more and more important. And thewater level system of single-tankis a typical control target in process control. The article mainly deals with the water level system of single-tank. It establishes mathematics model for every part of the system, and uses the traditional PID to improve the function . But in actual industry，it’s hard to establishes precise mathematics model. So, it introduces fuzzy PID control in this system. The result suggests that fuzzy PID control is more suitable than the traditional one. KEY WORDS the water level of single-tank; PID control; MA TLAB ; Simulink; fuzzy control. 在工业过程控制中，被控量通常有：液位、压力、流量和温度。其中，液位控制是工业中常见的过程控制，广泛运用于水塔、锅炉、高层建筑水箱等受压容器的液位测量，是工业自动化的一个重要的组成部分。因此，对它进行研究有很高的价值。 单容水箱是一个自衡系统，自衡调节过程比较缓慢，液位很难达到预期值。加入闭环调整后，系统的性能有所改善。但是，实际过程中往往要求要求水箱系统超调小、响应快、稳态误差小。并且要求水箱在一定扰动下，即出水阀门打开后，液位能够平稳、快速、准确地恢复到一个恒定值。因此，在水箱液位控制过程中引入PID调节。 常规PID适用于数学模型容易确定的系统。理想模型下，引入PID调节后，系统的动态和静态性能改善。但是实际中，液位控制具有滞后、非线性、时变性、数学模型难以准确建立等特点。常规的PID控制采用固定的参数，难以保证控制适应系统的参数变化和工作条件变化。而模糊控制具有对参数变化不敏感和鲁棒性强等特点，但控制精度不太理想。如果将模糊控制和常规的PID控制结合，用模糊控制理论来整定PID控制器的比例、积分、微分系数，就能更好地适应控制系统的参数变化和工作条件的变化。 本文主要对单容水箱闭环系统建立模型，分析其闭环系统、引入常规PID控制及引入模糊PID控制后的系统性能，并用MATLAB进行仿真。 1 单容水箱液位控制系统模型 1.1原理图 1.2系统闭环结构框图 负载阀 调节阀 电机浮子 减速器 电位器 图1单容水箱液位闭环控制系统
双容水箱液位模糊控制 一、实验目的 熟悉双容液位控制系统的组成原理。 通过实验进一步掌握模糊控制原理及模糊控制规则的生成。了解量化因子和比例因子对控 制效果的影响。 掌握解模糊方法及实现。 二、实验设备 实验对双象为TKGK-1双容液位系统 TKGK-1 型实验装置：GK-06、GK-07-2 万用表一只 计算机系统 三、实验原理 图1双容水箱液位模糊控制系统方框图 图1为双容水箱液位控制系统。控制 的目的是使下水箱的液位等于给定值，并能克服来 自系统内部和外部扰动的影响。双容水箱液位系统 如图2,该被控对象具有非线性和时滞性，建立精确的 数学模型比较困难；模糊控制不 仅可以避开复杂的数学模型，通常还能得到比较好性 能指标。模糊控制器的结构图如图3。 模糊控制器的输入为误差和误差变化率：误差e=r- y，误差变化率ec=de/dt ,其
糊语言集合，然后由E和EC模糊语言的的子集和模糊控制规则R （模糊关系矩阵）根据合成推理规则进行模糊决策，这样就可以得到模糊控制向量U,最后再把模糊量解模糊转换为精确量u ,再经D/A转换为模拟量去控制 执行机构动作。 图3模糊控制器组成原理图 模糊量化：根据精确量实际变化范围[a,b],合理选择模糊变量的论域为[-n,n],通过量化因 子k=&-企，将其转换成若干等级的离散论域，如七个等级为｛负大，负中，负小，零，正小，正中，正大｝，简写为｛NB,NM,NS,O,PS,PM,PB｝确定模糊子集的隶属函数曲线。一般常采用三角形、梯形和正态分布等几种曲线。然后由隶属函数曲线得出模糊变量E、EG U的赋值表。 根据经验，E模糊子集的隶数度函数取正态分布曲线，则赋值表见表 模糊控制规则：模糊控制规则是操作经验和专家知识的总结，是进行模糊推理的依据。在设 计模糊控制规则时，必须考虑控制规则的完备性、交叉性和一致性。既保证对于任意给定的 输入，均有相应的控制规则起作用；控制器的输出值总是由数条控制规则来决定；控制规则 中不存在相互矛盾的规则。在总结专家经验和过程知识的基础上，可以得到如表二的控制规 则表： 模糊推理：模糊推理是模糊控制器的核心，模糊控制系统目前常采用的有：CRI推理的查表法、CRI推理的解析法、Mamdani直接推理法、后件函数法等。本实验可采用Mamdani直接推理法。Mamdani推理法是先求出模糊关系R,再根据输入求出控制量，把 控制量清晰化，可得控制查询表.