模糊PID控制在液位控制中的应用(7)

辽宁科技大学毕业设计（论文） 第28页

模糊关系R:

49R?R1?R2??R48?R49??R (4.2)

ii?1 偏差和偏差变化率分别为E和EC，计算出模糊关系R后根据基于合成规则推理方法可算出

?Kp?(E?EC)?R (4.3)

4.1.1.3模糊PID的清晰化

由以上模糊推理得到的结果是一个模糊集合，或者说是隶属函数，但在实际应用中，必须要用一个确定的值才能去控制被控过程。清晰化也就是解模糊的过程。在推理得到的模糊集合中，取一个最能代表这个模糊集合的单值的过程就称为解模糊判决。我们可以根据实际情况采用平均最大隶属度法进行解模糊判决，从而得到K，参数的Fuzzy调整控制表，通过在线控制表查询进行控制。

由E, EC及?Kp,?Ki，?Kd的模糊子集的隶属度，再根据各模糊子集的隶属度赋值表和各参数的模糊调整规则模型，运用模糊合成推理设计出PID参数模糊调整矩阵，这是整定系统模糊控制算法的核心。最后将其存入程序存储器中供查询。 Kp , Ki,Kd的参数调整算式如下:

?Kp?Kp0??Kp??Ki?Ki0??Ki?K?K??Kd0d?d (4.4)

式中Kp , Ki , Kd是PID控制器的参数，Kp0,Ki0,Kd0。是Kp,Ki,Kd的初始参数。在线运行过程中，通过微机测控系统不断地检测系统的输出响应值，并实时计算出偏差和偏差变化率，然后将它们模糊化得到E和EC，通过查询模糊调整矩阵即可得到

Kp,Ki,Kd三个参数的调整量?Kp,?Ki,?Kd,完成对控制器参数的调整。

4.1.2模糊PID控制原理

自适应模糊PID控制器以误差e和误差变化ec作为输入，可以满足不同时刻的e和ec对PID参数自整定的要求。利用模糊控规则在线对PID参数进行修改，便构成了自适应模糊PID控制器，其结构图如图4.2。

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图4.2自适应模糊控制器结构

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、静态性育琶。

从系统的稳定性、响应速度、超调量和稳态精度等各方面来考虑Kp,Ki,Kd的作用如下:

(1)比例系数Kp;的作用是加快系统的相应速度，提高系统的调节精度。Kp越大，系统的响应速度越快，系统的调节精度越高，但易产生超调，甚至会导致系统不稳定。

Kp取值过小，则会降低调节精度，使响应速度缓慢，从而延长调节时间，使系统静态、

动态特性变坏。

(2)积分作用系数Ki，的作用是消除系统的问题误差。Ki越大，系统的静态误差消除越快，但Ki过大，在响应过程的初期会产生积分饱和现象，从而引起响应过程的较大超调。若Ki过小，将使系统静态误差难以消除，影响系统的调节精度。

(3)微分作用系数Kd的作用是改善系统的动态特性，其作用主要是在响应过程中抑制偏差向任何方向的变化，对偏差变化进行提前预报。但Kd过大，使响应过程提前制动，从而延长调节时间，而且会降低系统的抗干扰性能。

PID参数的整定必须考虑到在不同时刻三个参数的作用以及相互之间的互联关系。 工业过程中，PID控制器参数整定的方法有很多，概括起来说有理论计算整定法和工程整定方法。而工程整定方法中，除了Ziegler-Nichols整定法，主要还有临界比例度法、衰减曲线法。这三种方法各有特点，其共同点都是通过试验然后按照工程经验公式对控制器参数进行整定。无论采用哪一种方法所得到的控制器参数，都需要在实际运行

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中进行最后调整与完善。在本系统PID控制器的设计中，对于PID控制器的参数，我们主要使用了Ziegler-Nichols整定方法，具体如下。

被控对象大多可近似用一阶惯性加纯滞后环节来表示，其传递函数为：

G(s)?Ke^(??s)Ts?1 (4.5)

对于典型PID控制器：

Gc(s)?Kp(1?1Tis?Tds)

(4.6)

有Ziegler-Nichols整定公式：

1.2T?K??pK??Gc(s)??Ti?2.2? (4.7)

?T?0.5??d? 在实际应用时，根据阶跃响应曲线，用辨识的方法辨识出K, T和?三个参数，从而计算Kp,Ti和Td。 4.1.3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“及误差的变化量ec分别划分为{NB,NM,NS,ZE,PS,PM,PB}七个范围，规则数为7x7=49条Kp,Ki,Kd也划分为{NB,NM,NS,ZE,PS,PM,PB}七个范围。这样，整个模糊系统就成为一个2输入3输出的系统。

4.2模糊PID在液位控制中的仿真

在MATLAB环境下，针对第二章中所建立的模型，首先确定既定液位高度12CM和6CM采用试凑法确定Kp=0. 00001, Ki=0. 00002, Kd=0. 000001。进行模糊PID控制的仿真，仿真结果图如下。

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图4.6模糊PID仿真曲线

由上图看出，模糊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。

PID控制算法在实际应用中有其局限性，为了克服局限性，人们研究了各种改进PID控制，但仍然不能满足日益复杂的控制任务要求。模糊控制方法的实质非线性带来的不便也限制了它在各种控制任务下的应用。两种控制方法各自有优点和局限性，因此，将其各自优点结合形成更好的智能控制方法是重要的研究方向。多少年来，许多学者致力于模糊控制器结构的研究，美国学者H.Ying、w.Siler和J.J.Buckley共同开创了“模糊控制器结构分析”这一新兴的研究方向属于模糊PID型的

[9,10]

[6,7,8]

。根据调查，现在广泛使用的模糊控制器大多

。模糊控制中模糊PID控制技术扮演了十分重要的角色，并且仍

将成为未来研究与应用的重要技术。

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5 总结

水箱液位控制系统是模拟现代工业生产过程中对液位等参数进行测量、控制，观察其变化特性，研究过程控制规律的实验装置，具有过程控制动态过程的一般特性:大惯性、大时滞、非线性，难以对其进行精确描述，这些特性和工业控制过程十分类似，因而成为研究控制理论的理想实验平台。

利用双容水箱液位控制系统，本文深入分析了液位控制系统工艺流程及其运行过程的静、动态特性，对常见的PID控制算法实施控制的原理进行了讨论与研究，在此基础上，应用MATLAB系统仿真工具对双容水箱液位控制系统进行了建模仿真，研究了系统的运行特性，对系统运行过程中的物理量进行了测量、控制，并且进行了相关分析。

从文中的仿真比较看出，模糊PID控制不依赖于信息的精确程度，当控制过程的输入输出存在潜在的扰动、动态特性的变化或其它不确定因素时都能达到较好的控制效果，并且具有响应速度快，超调量小等优点，因而也可以广泛地应用于复杂的工业过程控制中去。

但是，模糊PID控制器的实际设计和应用过程中 …… 此处隐藏：1748字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……