双容水箱的模糊PID控制

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1、双容水箱液位模糊串级控制系统的设计与MATLAB仿真薛松柏11.宿迁学院机电工程系，09自动化1班，20090704140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。本文先对双容水箱进行数

2、学建模，将模糊控制和PID控制相结合，设计出了双容水箱液位模糊PID串级控制系统。然后参照经验选取了合适的模糊控制规则和隶属度函数，设计了模糊控制器，建立了模糊控制表，供在线模糊控制查询使用。最后应用MATLAB对双容水箱液位控制对象的常规PID串级控制系统和模糊PID串级控制系统进行了仿真比较，说明了模糊PID串级控制系统相对于常规PID串级控制系统，对于此设计具有明显的优越性。关键字：PID控制；模糊控制；模糊PID串级控制；MATLAB仿真0引言双容水箱液位控制系统，由于阀门的非线性、传输管道的纯滞后，用常规的PID控制不能取得满意的

3、控制效果，而且双容水箱理论上的数学模型是很难建立的，所以用常规的PID控制更难取得满意的控制效果。为此将模糊控制引入到双容水箱液位控制系统中来，根据人工控制的经验总结模糊控制的规律，用模糊控制和PID控制对双容水箱进行串级控制，可以取得满意的控制效果。本文设计了双容水箱液位的模糊PID串级控制，用模糊控制和PID控制组成的双容水箱液位串级控制系统通过控制双容水箱的下液位，改善其控制性能，并借助MATLAB进行仿真，比较常规PID串级控制和模糊PID串级控制的性能。1双容水箱液位系统的组成双容水箱串级液位控制系统结构图如图2.1所示。它由控制

4、器、电动调节阀、上水箱、下水箱和液位变送器等组成。电动调节阀用于调节上水箱的进水量大小，液位变送器用于检测上水箱和下水箱的液位。控制器的输出量用于控制调节阀的开度。图1.1串级控制系统图其串级控制系统方框图如图1.2所示图1.2双容水箱液位串级控制系统方框图串级控制系统是由两个或以上的控制器串联连接组成复杂控制系统。其中前面控制器的输出作为后面控制器的设定值，最后一个控制器的输出控制调节阀。在控制过程中，副回路起“粗调”作用，主回路起“细调”作用。串级控制系统增加了副回路，使系统的控制性能有了较大的提高，因为系统增加了包含二次扰动的副回路。

5、主要表现在:改善了被控过程的动态特性;能及时克服进入副回路的各种二次扰动;提高了系统的抗干扰能力;提高了系统的鲁棒性;具有一定的自适应能力。2液位模糊控制器的结构模糊控制器最基本的形式是一种称为“查询表”的模糊控制器，这种控制器将模糊控制规则最终转化为一个查询表又称控制表，存储在计算机中供在线查询使用。这种形式的模糊控制器具有结构简单，使用方便的特点，因此又称为简单模糊控制器。这种设计思想是其他形式模糊控制器的基础。图2.1液位模糊控制方框图如图2.1，SP是液位设定值，Hl是液位测量值，e=SP一Hl是液位变化，△e为液位变化率，u为控制

6、量，Ke——偏差量化因子，Kec——偏差变化率量化因子，Ku清晰化因子。该系统的设计和工作过程如下。2.1液位模糊控制器的设计本文是以模糊控制器作为主控制器的串级液位控制系统，现结合液位控制系统设计一个合理的二维模糊控制器。2.2量化因子的选择通过现场观察，测取误差及其变化率的大致范围，分别记为、分别称为误差及误差变化输入变量的基本论域，其中e和ec表示误差及其变化率大小精确量;确定调节阀的动作范围，记为，称为输出变量的基本论域，其中的U表示执行机构的动作范围大小的精确量。这些量可以先大致确定，根据实际可再作适当的调整。模糊控制器中的误差E

7、的模糊子集论域为:其中n称为将在范围内连续变化的误差离散化后分成的档数，它将构成论域E的元素，本文取。在实际的控制系统中，误差的变化一般不是论域E中的元素，在这种情况下，需要通过量化因子进行论域的转换。其中的量化因子Ke定义为：Ke=n/e一旦量化因子选择后，系统的任何误差都可以量化到E的论域之中。从上面的量化因子定义可见，一旦给定论域E，即选定了误差变量的基本论域的量化等级n之后，量化因子Ke的取值大小可使基本论域的大小发生不同程度的缩小或放大变化，即当Ke大时，基本论域缩小，而当Ke小时，基本论域放大，这时对应的误差控制灵敏度将降低。同

8、理，若选定的误差变化率的模糊子集的基本论域为：其对应的误差变化率的量化因子Kec定义为:Kec=n/ec其中的误差变化率的量化因子Kec与误差的量化因子Ke具有相同的特性。本文的