模糊PID控制在液位控制中的应用

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模糊PID控制在液位控制中的应用

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。本文介绍了模糊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工具生成仿真曲线。

关键词:液位系统，液位控制，模糊PID控制，仿真

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The Application on Fuzzy PID Control for Water

Level Control System

Abstract

Water level control is an important problem in industry control.Aimed at the characteristics of long time lag, nonlinearity and variation with time in the process of level control, a vast range of advanced intelligent controllers are designed to meet the control demand of complex systems，——among which is fuzzy PID controller.Combining the advantages of PID control algorithm and fuzzy control,fuzzy PID control could realize online adjusting of PID parameters, so as to quicken the control system response speed, reduce the overshoot, shorten the transitional period, and decrease the oscillating time.The system has strong robustness and stability，and plays a leading role in fuzzy control.This thesis introduces the application of fuzzy PID control in double-tank water level system. It first builds a mathematical model of the water level control system, illustrating the rationale of PID control, fuzzy control and fuzzy PID.Then it uses a tool of MATLAB to have a simulating experiment of set-point tracking,disturbance rejection, and accommodating to the object's parameter variation. The results show that comparing with the normal PID algorithm, fuzzy PID control algorithm has characteristics such as strong robustness and good dynamic performance. This control method is effective to the doubletank water level system.

Keywordstem: Water Level Syter ,Water level control, fuzzy PID control, simulation

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目录

1 绪论 ................................................................. 1

1.1课题研究的背景与意义 ................................................ 1 1.1.1PID控制器的应用与发展 ............................................ 1 1.1.2模糊控制产生的背景与意义 ......................................... 2 1.2液位控制系统实验装置及其控制策略 .................................... 3 1.2.1水箱液位控制系统简介 ............................................. 3 1.2.2液位控制系统控制对象及控制策略 ................................... 5

2 液位控制系统结构及其建模 .......................................... 6

2.1水箱系统的结构 ...................................................... 6 2.2二阶对象的结构 ...................................................... 7 2.3双容水箱系统的建模 .................................................. 7

3 控制算法研究 ........................................................ 9

3.1 PID控制算法 ......................................................... 9 3.1.1模拟PID调节器 ................................................... 9 3.1.2数字PID控制算法 ................................................ 11 3.1.3 PID控制器的特点 ................................................ 13 3.2模糊控制算法 ....................................................... 14 3.2.1模糊控制的产生及发展 ............................................ 14 3.2.2模糊控制的特点 .................................................. 15 3.2.3模糊控制的基本概念 .............................................. 15 3.2.4模糊控制的基本理论 .............................................. 19

4 模糊PID算法的研究与仿真 ......................................... 24

4.1模糊PID控制 ....................................................... 24 4.1.1模糊PID控制器的基本理论 ........................................ 24 4.1.1.1输入输出变量模糊化接口设计 .................................... 24 4.1.1.2模糊推理算法设计 .............................................. 25 4.1.1.3模糊PID的清晰化 .............................................. 28 4.1.2模糊PID控制原理 ................................................ 28 4.1.3模糊PID控制算法 ................................................ 30 4.2模糊PID在液位控制中的仿真 ......................................... 30 5 总结 ................................................................. 32

致谢...................................................................................................................................................................................... 33

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1 绪论

1.1课题研究的背景与意义

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，进行智能控制教学实验与研究。 1.1.1PID控制器的应用与发展

在过去的几十年里，PID控制器在工业控制中得到了广泛应用。在控制理论和技术飞速发展的今天，工业过程控制中95%以上的控制回路都具有PID结构，并且许多高级控制都是以PID控制为基础的。我们今天所熟知的PID控制器产生并发展于1915-1940年期间。尽管自1940年以来，许多先进控制方法不断推出，但PID控制器以其 …… 此处隐藏：4223字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……