双容水箱实验报告(采用PID+模糊控制)。doc

基于fuzzy---pid控制器的双容水箱液位控制系统仿真

目 录

摘 要--------------------------------------------------------------- 2

第一章．PID控制原理、优越性，对系统性能的改善 ---------------------- 3

第二章．被控对象的分析与建模---------------------------------------- 5

第三章．PID参数整定方法概述 ---------------------------------------- 7

3.1 PID控制器中比例、积分和微分项对系统性能影响分析 ------------ 7

3.1.1 比例作用----------------------------------------------- 7 3.1.2 积分作用----------------------------------------------- 8 3.1.3 微分作用----------------------------------------------- 8 3.2 PID参数的整定方法------------------------------------------- 9 3.3 临界比例度法 ---------------------------------------------- 11 3.4 PID参数的确定--------------------------------------------- 14

第四章．控制结构--------------------------------------------------- 15 4.1 利用根轨迹校正系统 ----------------------------------------- 15 4.2 利用伯德图校正系统 ----------------------------------------- 17 4.3 调整系统控制量的模糊PID控制方法 --------------------------- 19

4.3.1模糊控制部分 ------------------------------------------ 19 4.3.2 PID控制部分 ------------------------------------------ 22

第五章．控制器的设计----------------------------------------------- 23

第六章.仿真结果与分析---------------------------------------------- 24

第七章.实训小结---------------------------------------------------- 26

参考文献----------------------------------------------------------- 27

基于fuzzy---pid控制器的双容水箱液位控制系统仿真

摘 要：

针对双容水箱大滞后系统，采用PID方法去控制。首先对PID控制中各参数的作用进行分析，采用根轨迹校正、伯德图校正的方法，对系统进行校正。最后采用调整系统控制量的模糊PID控制的方法，对该二阶系统进行控制。同时，在MATLAB下，利用Fuzzy工具箱和Simulink仿真工具，对系统的稳定性、反应速度等各指标进行分析。

关键字：双容水箱，大滞后系统，模糊控制，PID，二阶系统 ，MATLAB ，Simulink

基于fuzzy---pid控制器的双容水箱液位控制系统仿真

第一章．PID控制原理、优越性，对系统性能的改善

当今的自动控制技术绝大多数部分是基于反馈。反馈理论包括三个基本要素：测量、比较和执行。测量关心的是变量，并与期望值相比较，以此偏差来纠正和调节控制系统的响应。反馈理论及其在自动控制的应用的关键是：作出正确的测量与比较后，如何将偏差用于系统的纠正和调节。

在过去的几十年里，PID控制，即比例-积分-微分控制在工业控制中得到了广泛的应用。虽然各种先进控制方法不断涌现，但PID控制器由于结构简单，在实际应用中较易于整定，且具有不需精确的系统模型等优势，因而在工业过程控制中仍有着非常广泛的应用。而且许多高级的控制技术也都是以PID控制为基础的。

下面是典型的PID控制系统结构图：

图1-1

其中PID控制器由比例单元（P）、积分单元（I）和微分单元（D）组成。 （1）比例（P）调节作用

是按比例反应系统的偏差，系统一旦出现了偏差，比例调节立即产生调节作用用以减少偏差。比例作用大，可以加快调节，减少误差，但是过大的比例，使系统的稳定性下降，甚至造成系统的不稳定。 （2）积分（I）调节作用

是使系统消除稳态误差，提高无差度。因为有误差，积分调节就进行，直至无差，积分调节停止，积分调节输出一常值。积分作用的强弱取决与积分时间常数Ti，Ti越小，积分作用就越强。反之Ti大则积分作用弱，加入积分调节可使系统稳定性下降，动态响应变慢。积分作用常与另两种调节规律结合，组成PI调节器或PID调节器。 （3）微分（D）调节作用

微分作用反映系统偏差信号的变化率，具有预见性，能预见偏差变化的趋势，因此能产生超前的控制作用，在偏差还没有形成之前，已被微分调节作用消除。因此，可以改善系统的动态性能。在微分时间选择合适情况下，可以减少超调，减少调节时间。微分作用对噪声干扰有放大作用，因此过强的加微分调节，对系

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统抗干扰不利。此外，微分反应的是变化率，而当输入没有变化时，微分作用输出为零。微分作用不能单独使用，需要与另外两种调节规律相结合，组成PD或PID控制器。

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第二章．被控对象的分析与建模

该系统控制的是有纯延迟环节的二阶双容水箱，示意图如下：

双容水箱结构图

图2-1

其中A1A2分别为水箱的底面积，q1q2q3为水流量，R1R2为阀门1、2的阻力，称为液阻或流阻，经线性化处理，有： q 有：

hR2

。则根据物料平衡对水箱1

q1 q2 A1

q2

拉式变换得：

d h1dt

h1R2

Q1(S) Q2(S) A1S H1(S)

Q2(S)

H1(S)R2

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对水箱2：

q2 q3 A2 q3 拉式变换得：

Q2(S) Q3(S) A2S H2(S) Q3(S)

则对象的传递函数为： W0(S)

其中T1 A1R2为水箱1的时间常数，T2 A2R3水箱2的时间常数，K为双容对象的放大系数。若系统还具有纯延迟，则传递函数的表达式为：

W0(S)

H2(S) Q1(S)

K

(T1S 1)(T2S 1)

e

0S

d h2dt

h2R3

H2(S)R2

H2(S) Q1(S)

R3

(A1R2S 1)(A2R3S 1)

K

(T1S 1)(T2S 1)

其中

延迟时间常数。

在参考各种资料和数据的基础上，可设定该双容水箱的传递函数为：

G0(S)

1

6400S

2

160S 1

e

10S

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第三章．PID参数整定方法概述

3.1 PID控制器中比例、积分和微分项对系统性能影响分析

在MATLAB中建立对象的传递函数模型G0(S)

1

6400S

2

160S 1

e

10S

，在命令行中输入：

sys=tf(2,[6400 160 1],'inputdelay',10);sysx=pade(sys,1);

3.1.1 比例作用

分析在不同比例系数下，系统的阶跃响应图，输入命令： P=[0.1 0.5 1 5 10]; figure,hold on for i=1:length(P)

G=feedback(P(i)*sys,1); step(G) end

得到图形如下：

图3-1

图中分别绘出了K为0.1，0.5，1，5，10时的阶跃响应图，可知当K增大时系统的稳态误差不断减小，响应时间加 …… 此处隐藏：3120字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……