智能PID算法在遠(yuǎn)程液位控制系統(tǒng)中的應(yīng)用(完整版)實(shí)用資料

智能PID算法在遠(yuǎn)程液位控制系統(tǒng)中的應(yīng)用（完整版）實(shí)用資料(可以直接使用，可編輯完整版實(shí)用資料，歡迎下載）

智能PID算法在遠(yuǎn)程液位控制系統(tǒng)中的應(yīng)用智能PID算法在遠(yuǎn)程液位控制系統(tǒng)中的應(yīng)用（完整版）實(shí)用資料(可以直接使用，可編輯完整版實(shí)用資料，歡迎下載）摘要：本文介紹了利用可編程序控制器（PLC）實(shí)現(xiàn)的遠(yuǎn)程液位自動(dòng)控制系統(tǒng)，詳細(xì)論述了智能PID算法的控制規(guī)則，給出了由PLC完成其控制策略的硬件配置和軟件實(shí)現(xiàn)方法。

Abstract：ThispaperpresentsaremotefluidlevelcontrolsystemonbaseofPLC.ThecontrolruleofintelligentPIDalgorithmisdiscussedindetail,andthehardwareconfigurationaswellasthesoftwarerealizationperformedbyPLCisproposed.關(guān)鍵詞：智能PID控制規(guī)則PLC遠(yuǎn)程液位控制Keywords：IntelligentPIDControlrulePLCRemotefluidlevelcontrol1、引言在工業(yè)過(guò)程控制系統(tǒng)中，目前采用最多的控制方式依然是PID控制。即使在美國(guó)、日本等工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家，PID控制的使用率仍達(dá)90%，可見(jiàn)PID控制在工業(yè)過(guò)程控制中占有異常重要的地位。PID控制技術(shù)經(jīng)歷了數(shù)十年的發(fā)展，從模擬PID控制發(fā)展到數(shù)字PID控制，技術(shù)不斷完善與成熟。尤其近十多年來(lái)，隨著微處理技術(shù)的發(fā)展，國(guó)內(nèi)外對(duì)智能控制的理論研究和應(yīng)用研究十分活躍，智能控制技術(shù)發(fā)展迅速，如專家控制、自適應(yīng)控制、模糊控制等，現(xiàn)已成為工業(yè)過(guò)程控制的重要組成部分。智能控制與常規(guī)PID控制相結(jié)合，形成所謂智能PID控制，這種新型的控制方式已引起人們的普遍關(guān)注和極大興趣，并已得到較為廣泛的應(yīng)用。本文介紹了一種應(yīng)用于遠(yuǎn)程液位控制的智能PID控制算法，它有不依賴于系統(tǒng)控制對(duì)象精確模型的特點(diǎn)，有較好的魯棒性。2、控制對(duì)象及特征某建材企業(yè)的生產(chǎn)用水以河水為水源，簡(jiǎn)單凈化后經(jīng)加壓泵站輸送到屋頂水池，然后由屋頂水池經(jīng)自然落差送往生產(chǎn)車間。加壓泵采用變頻控制。系統(tǒng)框圖如圖1所示。為保證水池的水位維持在設(shè)定的位置，使加壓泵輸送到水池的水量與車間的用水量相一致，達(dá)到節(jié)電節(jié)水的目的，就必須根據(jù)用水量的變化及時(shí)調(diào)節(jié)加壓泵的轉(zhuǎn)速（即出水量）。然而由于屋頂水池與加壓泵站的距離較遠(yuǎn)，從加壓泵站給水量的增減到屋頂水池水位的變化，需經(jīng)過(guò)長(zhǎng)距離的輸送管道，受管網(wǎng)壓力、流量的影響，系統(tǒng)慣性大，滯后時(shí)間長(zhǎng)，用常規(guī)的PID控制方式系統(tǒng)產(chǎn)生振蕩，水位大范圍波動(dòng)不定。針對(duì)上述特征，采用可編程控制器實(shí)現(xiàn)的智能PID控制方案較好地解決了這一問(wèn)題。3、常規(guī)的PID控制通常閉環(huán)控制系統(tǒng)由控制器、執(zhí)行部件、被控對(duì)象以及反饋檢測(cè)元件幾部分組成。原理框圖如圖2所示。在閉環(huán)控制系統(tǒng)中，控制器是系統(tǒng)的核心，其控制算法決定了系統(tǒng)的控制特性和控制效果?？刂破髯畛Ｓ玫目刂埔?guī)律是PID控制。PID控制器是一種線性控制器，它根據(jù)給定值r（t）與實(shí)際輸出值c（t）構(gòu)成控制偏差e（t）（e（t）=r（t）-c（t）），將偏差e（t）的比例（P）、積分（I）和微分（D）通過(guò)線性組合構(gòu)成控制量，對(duì)被控制對(duì)象進(jìn)行控制，故稱為PID控制器。4、智能PID控制算法4.1典型的二階系統(tǒng)分析典型的二階系統(tǒng)單位階躍響應(yīng)誤差曲線如圖3所示。在圖3中Ⅰ、Ⅲ、Ⅴ、Ⅶ……區(qū)域，誤差朝絕對(duì)值減小的方向變化，此時(shí)可實(shí)施較弱的控制作用或保持等待。在Ⅱ、Ⅳ、Ⅵ、Ⅷ……區(qū)域，誤差朝絕對(duì)值增大的方向變化，此時(shí)可根據(jù)誤差的大小分別實(shí)施較強(qiáng)的或一般的控制作用。對(duì)于典型二階系統(tǒng)階躍響應(yīng)過(guò)程分析如下。設(shè)e（k）表示離散化的當(dāng)前采樣時(shí)刻的誤差值，e（k-1）、e（k-2）分別表示前一個(gè)和前二個(gè)采樣時(shí)刻的誤差值，則有：△e（k）=e（k）-e（k-1）△e（k-1）=e（k-1）-e（k-2）（4—1）（1）當(dāng)|e（k）|≥emax時(shí)，說(shuō)明誤差的絕對(duì)值很大，此時(shí)不論誤差的變化趨勢(shì)如何，都應(yīng)考慮控制器按最大（或最?。┹敵?，以迅速調(diào)整誤差。即：u（k）=umax當(dāng)e（k）>0時(shí)u（k）=umin當(dāng)e（k）<0時(shí)（4—2）（2）當(dāng)e（k）·△e（k）>0時(shí)，說(shuō)明誤差在朝絕對(duì)值增大的方向變化，此時(shí)如果emid≤|e（k）|

u（k）=u（k-1）+k1·△u（k）（4—3）如果emin≤|e（k）|

u（k）=u（k-1）+△u（k）（4—4）（3）當(dāng)e（k）·△e（k）<0時(shí)，說(shuō)明誤差在朝絕對(duì)值減小的方向變化，此時(shí)如果emid≤|e（k）|

u（k）=u（k-1）+△u（k）（4—5）如果emin≤|e（k）|

u（k）=u（k-1）+k2·△u（k）（4—6）（4）當(dāng)|e（k）|

u（k）=u（k-1）

（4—7）以上式中：umax—控制器輸出最大值;umin—控制器輸出最小值;u（k-1）—第（k-1）次控制器輸出;△u（k）—Kp[e（k）-e（k-1）]+Ki·e（k）+Kd[e（k）-2e（k-1）+e（k-2）];k1—放大系數(shù)，k1>1;k2—抑制系數(shù)，0

emax、emid、emin為設(shè)定的誤差界限，其中emax>emid>emin。4.2智能PID控制規(guī)則智能PID控制是在常規(guī)PID控制的基礎(chǔ)上，根據(jù)專家及操作人員的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，針對(duì)具有大滯后、時(shí)變、非線性系統(tǒng)而提出的控制方法。其主要特點(diǎn)是按區(qū)段進(jìn)行不同算法的調(diào)節(jié)，它既有bang-bang控制的快速性，又有遲滯控制的穩(wěn)定性和抗干擾能力。根據(jù)上述的分析，總結(jié)出相應(yīng)的控制規(guī)則如下：規(guī)則1：如果|e（k）|≥emax則u（k）=umaxe（k）>0時(shí);或u（k）=umine（k）<0時(shí)規(guī)則2：如果emid≤|e（k）|

則u（k）=u（k-1）+k1·△u（k）e（k）·△e（k）≥0時(shí);或u（k）=u（k-1）+△u（k）e（k）·△e（k）<0時(shí)規(guī)則3：如果emin≤|e（k）|

則u（k）=u（k-1）+△u（k）e（k）·△e（k）≥0時(shí);或u（k）=u（k-1）+k2·△u（k）e（k）·△e（k）<0時(shí)規(guī)則4：如果|e（k-1）|

則u（k）=u（k-1）由上述四條規(guī)則可知，智能PID算法本質(zhì)上是非線性的，能較好克服常規(guī)PID的缺點(diǎn)。規(guī)則1、4條體現(xiàn)了系統(tǒng)的快速性與穩(wěn)定性，規(guī)則2、3條體現(xiàn)了PID變參數(shù)調(diào)節(jié)的自適應(yīng)性。5、采用PLC實(shí)現(xiàn)的智能控制策略5.1硬件配置可編程序控制器硬件配置采用三菱公司的FX2N-32MR主機(jī)和FX2NA/D及D/A輸入輸出模塊組成。水位設(shè)定值和水位實(shí)際采樣值經(jīng)過(guò)A/D模塊轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，PLC根據(jù)智能PID控制規(guī)則進(jìn)行運(yùn)算處理后，經(jīng)D/A模塊輸出模擬調(diào)節(jié)信號(hào)到變頻器，由變頻器調(diào)節(jié)水泵的轉(zhuǎn)速，即出水量，從而實(shí)現(xiàn)了水位的自動(dòng)控制。5.2軟件實(shí)現(xiàn)智能PID算法是在PLC中完成的。隨著微處理技術(shù)的不斷發(fā)展，PLC的運(yùn)算速度越來(lái)越快，功能也越來(lái)越強(qiáng)，用PLC進(jìn)行軟件編程和規(guī)則判別非常容易。實(shí)現(xiàn)文中的控制算法只要對(duì)相關(guān)的參數(shù)進(jìn)行四則運(yùn)算和參數(shù)比較即可。智能PID算法中emax、emid、emin等各參數(shù)的大小及采樣周期T的頻率在調(diào)試中具體確定。智能PID算法軟件框圖如圖4所示。6、結(jié)束語(yǔ)使用PLC作為數(shù)字調(diào)節(jié)器，將智能PID控制算法應(yīng)用于企業(yè)的生產(chǎn)用水的遠(yuǎn)距離的液位控制系統(tǒng)中，是對(duì)仿人智能控制算法的一種新的嘗試，為具有滯后環(huán)節(jié)的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供了有益的啟示。實(shí)踐證明，使用智能PID控制算法應(yīng)用于該系統(tǒng)后，系統(tǒng)的響應(yīng)快、超調(diào)小、水位穩(wěn)定并具有較高的控制精度、滿足了生產(chǎn)要求，取得了較好的控制效果。參考文獻(xiàn)1、陶永華尹怡欣葛蘆生.新型PID控制及其應(yīng)用.北京機(jī)械工業(yè)出版社.1998.92、廖常初.可編程序控制器的編程方法與工程應(yīng)用.重慶.重慶大學(xué)出版社.2001.23、高金源.自動(dòng)控制工程基礎(chǔ).北京.中央廣播電視大學(xué)出版社.1992.2碩士學(xué)位論文二0一0年十二月TheresearchofThreetankwatercontrolsystembasedonFuzzyNeuralNetworkPID關(guān)于論文使用授權(quán)的說(shuō)明本學(xué)位論文作者及指導(dǎo)教師完全了解保留并向國(guó)家有關(guān)部門或機(jī)構(gòu)送交論文的復(fù)印件和磁盤,允許論文被查閱和借閱,學(xué)?？梢詫W(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行檢索,可以采用影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存、匯編本學(xué)位論文。保密的學(xué)位論文在解密后應(yīng)遵守此協(xié)議學(xué)位論文作者簽名:____________導(dǎo)師簽名:_____________年月日年月日碩士學(xué)位論文作者姓名指導(dǎo)教師申請(qǐng)學(xué)位學(xué)科專業(yè)研究方向致謝本研究及學(xué)位論文是在我的導(dǎo)師親切關(guān)懷和悉心指導(dǎo)下完成的。他嚴(yán)肅的科學(xué)態(tài)度,嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)精神,精益求精的工作作風(fēng),深深地感染和激勵(lì)著我。從課題的選擇到論文的最終完成,宋老師都始終給予我細(xì)心的指導(dǎo)和不懈的支持。兩年多來(lái),宋老師不僅在學(xué)業(yè)上給我以精心指導(dǎo),同時(shí)還在思想上、生活上給我以無(wú)微不至的關(guān)懷,在此謹(jǐn)向宋老師致以誠(chéng)摯的謝意和崇高的敬意。在此,我還要感謝在一起愉快地度過(guò)研究生生活的李軍杰、陳龍虎、王曉宗等學(xué),以及所有關(guān)心我的老師、同學(xué)和朋友,正是由于大家的幫助和支持,我才能克服一個(gè)一個(gè)的困難和疑惑,直至本文的順利完成。能夠在研究生學(xué)習(xí)期間遇到這么多的良師益友,我感到自己是幸運(yùn)的。這段美好的生活經(jīng)歷將伴隨我的一生并成為我生命中最寶貴的財(cái)富。最后再次感謝支持我、幫助我、關(guān)心我的老師與同學(xué)!摘要液位是工業(yè)過(guò)程中重要的控制對(duì)象之一,液位控制品質(zhì)的好壞對(duì)工業(yè)生產(chǎn)有著重大的影響,因此對(duì)液位控制的研究具有非常重要的意義。隨著工業(yè)化程度的不斷提高,一方面控制精度的要求越來(lái)越高;另一方面被控對(duì)象模型亦越來(lái)越復(fù)雜化;使得傳統(tǒng)的PID控制已無(wú)法滿足控制要求。智能控制理論的提出對(duì)于工業(yè)控制理論的發(fā)展有著重要的意義,然而事實(shí)上受工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)很多條件限制這些先進(jìn)的理論很難在實(shí)際中運(yùn)用,于是尋找一個(gè)既簡(jiǎn)單又實(shí)用的被控對(duì)象來(lái)模擬現(xiàn)場(chǎng)尤為重要。三容水箱液位控制系統(tǒng)模擬了工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的多種典型的非線性時(shí)變多變量耦合系統(tǒng),具有時(shí)滯性、時(shí)變性、非線性的特點(diǎn)。借助該系統(tǒng)模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制等智能控制理論先后被應(yīng)用。文章首先介紹了三容水箱液位控制系統(tǒng)的研究背景及現(xiàn)狀,然后對(duì)三容水箱液位控制系統(tǒng)進(jìn)行建模。為了能找到適應(yīng)大慣性、非線性系統(tǒng)更好的算法,對(duì)傳統(tǒng)PID、模糊PID以及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID在三容水箱液位控制系統(tǒng)中的應(yīng)用進(jìn)行比較,分析了各自的優(yōu)缺點(diǎn),提出了基于模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的PID控制器。將基于模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的PID控制器運(yùn)用到三容水箱液位控制系統(tǒng)中,仿真結(jié)果表明該控制算法具有超調(diào)量小、穩(wěn)定性高的特點(diǎn),大大提高了系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)和靜態(tài)性能,顯示了其優(yōu)越性。關(guān)鍵詞:模糊控制;神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制;PID;三容水箱系統(tǒng);仿真AbstractLiquidlevelisoneofthemostimportantobjectsduringtheindustrialprocess,itaffectsalotwhetherthequalitycontrolisgoodornot,soitisimportantforustodoresearchonit.Withthedevelopmentoftheindustry,ontheonehand,thecontrolaccuracyismoreandmorerequired;ontheotherhand,thecontrolobjectsbecomemoreandmorecomplex;asaresult,thetraditionalcontroltheoryscannotsatisfied.Inordertoimprovetheperformanceofliquidlevel,plantsofadvancedintelligentcontroltheoryshaveappeared,justlikefuzzycontrol、Neuralnetworkandsoon.Itissignificanttoputforwardtheintelligentcontroltheorys,however,theycannotbeusedintopracticeforthattheyarelimitedbymanyconditionsintheindustry.Threetankwatercontrolsystemsimulatesplantsoftypical、nonlinearandtime-basedcouplingsystemintheindustry.Ithasmanycharactorsjustliketime-relaying、timevaryingandnonlinearity.TheFuzzycontrolandNeuralNetworkcontroltheoryhasbeenusedinthissystem.Atfirst,theresearchbackgroundandcurrentsituationofthethreetankwaterisintroduced,thenestablisheditsmodel.Inordertofindabettermethodtoadaptthenonlinearsystem,theapplicationoftraditionalPID、FuzzyPIDandNeuralnetworkPIDinthethreetankwaterisanalysedandcompared.Atlast,aPIDcontrollerbasedonFuzzyNeuralNetworkisproposedinthisarticle.Thesimulationresultsprovedthatitimprovesthedynamicpropertyandstaticperformanceofthesystemobviously,hassmallovershootandthestabilityisalsoenhancedgreatly,whichshowitssuperiority.KeyWords:Fuzzycontrol;NeuralNetworkcontrol;PID;threetankwatersystem;simulation目錄摘要...................................................................................................IAbstract.....................................................................................................II1緒論.(11.1課題研究背景(11.2三容水箱液位控制系統(tǒng)研究現(xiàn)狀(11.3三容水箱液位控制系統(tǒng)研究意義及研究方法(31.4課題研究?jī)?nèi)容及章節(jié)安排(42三容水箱液位控制系統(tǒng)建模(52.1THJ-4型高級(jí)過(guò)程控制實(shí)驗(yàn)平臺(tái)介紹(52.2基于物料平衡原理的三容水箱建模(73傳統(tǒng)PID控制在三容水箱液位控制系統(tǒng)中的應(yīng)用(133.1PID控制原理(133.2PID參數(shù)的整定(163.3傳統(tǒng)PID在三容水箱中的應(yīng)用及仿真(203.4本章小結(jié)(214模糊PID和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID在三容水箱液位控制系統(tǒng)中的應(yīng)用(224.1模糊PID在三容水箱中的應(yīng)用(224.2神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID在三容水箱中的應(yīng)用(314.3本章小結(jié)(375模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID在三容水箱液位控制系統(tǒng)中的應(yīng)用(395.1模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)研究背景及現(xiàn)狀(395.2模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID控制系統(tǒng)的構(gòu)造(415.3模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID在三容水箱中的應(yīng)用及仿真(505.4本章小結(jié)(51結(jié)論(52參考文獻(xiàn)(54附錄A三容水箱液位控制系統(tǒng)上位機(jī)組態(tài)監(jiān)控畫面(57作者簡(jiǎn)歷................................................................錯(cuò)誤!未定義書(shū)簽。學(xué)位論文原創(chuàng)性聲明..(59學(xué)位論文數(shù)據(jù)集...........................................................錯(cuò)誤!未定義書(shū)簽。1緒論1.1課題研究背景生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)控制簡(jiǎn)稱過(guò)程控制,它是自動(dòng)化技術(shù)一個(gè)重要的組成部分,通常是指電力、冶金、石油、化工、建材、核能等工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中連續(xù)的或按一定周期進(jìn)行的自動(dòng)控制?，F(xiàn)如今工業(yè)自動(dòng)化越來(lái)越普及,如何確保在提高經(jīng)濟(jì)效益和勞動(dòng)生產(chǎn)力的基礎(chǔ)上,既達(dá)到預(yù)期的經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo),又能改善勞動(dòng)條件、保護(hù)生態(tài)環(huán)境,這將是過(guò)程控制技術(shù)所面臨的巨大挑戰(zhàn)。伴隨著工業(yè)生產(chǎn)的快速發(fā)展,相應(yīng)的人們對(duì)生產(chǎn)過(guò)程的自動(dòng)化控制水平的要求也越來(lái)越高。每一個(gè)先進(jìn)的、可行的控制算法的提出都將對(duì)工業(yè)生產(chǎn)帶來(lái)巨大的推動(dòng)作用。然而,當(dāng)前的學(xué)術(shù)研究成果與實(shí)際的生產(chǎn)應(yīng)用技術(shù)水平并不是同步的,甚至相差幾十年[1]。在我們國(guó)家,越是高深的、先進(jìn)的控制理論,其研究越是局限在少數(shù)科研院所狹小圈子之內(nèi),這樣以來(lái)也逐漸遠(yuǎn)離了國(guó)民生產(chǎn)這個(gè)應(yīng)用基地。這樣一來(lái)導(dǎo)致很多的理論算法一旦用于現(xiàn)場(chǎng)就會(huì)遇到各種各樣的實(shí)際問(wèn)題。當(dāng)然了,造成這種結(jié)果的原因是多方面的;可以明確一點(diǎn)的是,理論的研究脫離了實(shí)際背景的支持是制約其得以廣泛應(yīng)用的首要因素。因此,能否找到一種具有典型對(duì)象特性的試驗(yàn)裝置至關(guān)重要。三容水箱液位控制系統(tǒng)是基于工業(yè)過(guò)程的物理模擬對(duì)象,是集自動(dòng)化儀表技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、通訊技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)為一體的多功能實(shí)驗(yàn)裝置[2]。該系統(tǒng)包括液位、流量、壓力、溫度等被控參數(shù),可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)參數(shù)辨識(shí)、單回路控制、串級(jí)控制、滯后控制、比值控制、解耦控制等多種控制形式。三容水箱是一種典型的非線性、時(shí)延性對(duì)象[2],工業(yè)上許多被控對(duì)象的整體或局部都可以抽象成三容水箱的數(shù)學(xué)模型,具有很強(qiáng)的代表性,因此對(duì)三容水箱數(shù)學(xué)模型的建立有著重要的意義。1.2三容水箱液位控制系統(tǒng)研究現(xiàn)狀1控制對(duì)象方面。目前國(guó)外很多大學(xué)和實(shí)驗(yàn)室廣泛應(yīng)用的三容水箱系統(tǒng)是德國(guó)Amira自動(dòng)化公司研制的,但不足之處是該系統(tǒng)價(jià)格昂貴,受經(jīng)濟(jì)條件限制國(guó)內(nèi)只有清華、浙大等少數(shù)幾所高校引進(jìn)了此設(shè)備。國(guó)內(nèi)也有部分廠家研制生產(chǎn)三容水箱液位控制系統(tǒng),像GWT系列水箱液位控制實(shí)驗(yàn)裝置和THJ-x型三容水箱對(duì)象系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)裝置等等。其中GWT實(shí)驗(yàn)裝置是由固高科技協(xié)同香港城市大學(xué)聯(lián)合研制開(kāi)發(fā)而成,經(jīng)過(guò)香港城市大學(xué)三年的實(shí)踐檢驗(yàn),充分的證實(shí)了其潛在的教學(xué)、通過(guò)模糊邏輯控制器的設(shè)計(jì)和調(diào)試進(jìn)行智能控制教學(xué)實(shí)驗(yàn)與研究。另一套實(shí)驗(yàn)裝置是由浙江天皇科技實(shí)業(yè)研制的,目前常用的型號(hào)主要有THJ-2,THJ-3和THJ-4;THJ-x系列液位控制裝置既可以作為本科、專科、高職過(guò)程控制課程的實(shí)驗(yàn)裝置,也可以為研究生及科研人員對(duì)復(fù)雜控制系統(tǒng)、先進(jìn)控制系統(tǒng)的研究提供物理模擬對(duì)象和實(shí)驗(yàn)手段[3]。但是,受經(jīng)濟(jì)條件、環(huán)境等因素的影響,真正能運(yùn)用這些控制對(duì)象的僅僅是很小一部分;這樣以來(lái)使得國(guó)內(nèi)基于三容水箱液位控制系統(tǒng)算法的研究和仿真在很大程度上受到了限制。2控制算法方面。對(duì)于簡(jiǎn)單的一階二階液位控制系統(tǒng),通常選用常規(guī)的控制算法如單回路PID控制、串級(jí)PID控制、前饋控制、SIMTH預(yù)估補(bǔ)償控制、大林算法、解耦控制等等。但是由于像SMITH預(yù)估補(bǔ)償控制、大林算法以及解耦控制等方法對(duì)控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型依賴性較強(qiáng),導(dǎo)致常規(guī)的控制方法很難在非線性大滯后的系統(tǒng)中取得較好的控制效果。因此針對(duì)三容水箱這種典型的非線性、大慣性以及延時(shí)性的控制系統(tǒng),傳統(tǒng)的控制算法已不能勝任,預(yù)測(cè)控制算法和智能控制理論等復(fù)雜的控制算法成為主要研究的控制策略。預(yù)測(cè)控制主要代表為動(dòng)態(tài)矩陣控制、模型算法控制和廣義預(yù)測(cè)控制,預(yù)測(cè)控制算法涉及的參數(shù)較多,如預(yù)測(cè)長(zhǎng)度、控制時(shí)域長(zhǎng)度、加權(quán)陣等,關(guān)于算法中的主要參數(shù)與閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)定性、動(dòng)靜態(tài)特性和魯棒性之間的定量解析表達(dá)式還難以得到,尤其是多變量系統(tǒng)的魯棒性的分析和綜合方面的研究還不夠成熟[4]。智能控制是針對(duì)被控系統(tǒng)及其控制環(huán)境和任務(wù)不確定性而提出的,智能控制過(guò)程是含有復(fù)雜性、不確定性、模糊性且一般不存在已知算法的非傳統(tǒng)數(shù)學(xué)公式化的過(guò)程,因此智能控制系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)對(duì)環(huán)境和任務(wù)的變化具有快速應(yīng)變能力,應(yīng)能完成各種復(fù)雜多變的任務(wù)。目前,對(duì)智能控制的研究主要集中在專家控制技術(shù)、模糊控制技術(shù)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)、遺傳算法等方面。模糊控制技術(shù)是建立在模糊集合論基礎(chǔ)上的一種基于語(yǔ)言規(guī)則與模糊推理的控制理論,該技術(shù)依賴于行為規(guī)則庫(kù),其規(guī)則用自然語(yǔ)言表達(dá),更接近于人的思維方法和推理習(xí)慣,便于現(xiàn)場(chǎng)操作人員的理解和使用。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)不像專家系統(tǒng)那樣需要事先建立知識(shí)庫(kù),知識(shí)的獲取只需足夠的訓(xùn)練樣本,能夠模擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)復(fù)雜的輸入輸出關(guān)系,具有很強(qiáng)的非線性建模能力,由于它具有適應(yīng)能力和學(xué)習(xí)能力,因此很適合用作智能控制的研究工具。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制和模糊控制分別單獨(dú)在三容水箱液位系統(tǒng)中的應(yīng)用較多,控制效果也比較明顯。目前,控制算法的研究主要是在這些原有控制算法的基礎(chǔ)上提出改進(jìn)和完善[2]。受眾多因素的影響,雖然給三容水箱控制算法的研究造成一些不利,但是并沒(méi)有阻礙國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)其深入的探討和研究。華中科技大學(xué)的侯燕在三容水箱液位控制系統(tǒng)的研究這篇學(xué)位論文中以三容水箱液位控制系統(tǒng)為被控對(duì)象,研究了模糊控制算法,并通過(guò)仿真驗(yàn)證了其可靠性。不僅如此,還將三容水箱建模以及控制方法推廣到現(xiàn)實(shí)的教學(xué)實(shí)驗(yàn)中,并取得了很好的效果。大連理工大學(xué)朱晶針對(duì)模糊控制算法比例因子和量化因子選擇困難的特點(diǎn),提出了采用蟻群算法對(duì)其優(yōu)化,仿真結(jié)果表明了其有效性,使得模糊控制的運(yùn)用得到了大幅度的提升?；诖藰?gòu)造了模糊PID控制器,并運(yùn)用到三容水箱液位控制系統(tǒng)中,取得了良好的效果。合肥工業(yè)大學(xué)盧娟提出了將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制理論與PID相結(jié)合的算法,充分利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的自學(xué)習(xí)、精度高的優(yōu)點(diǎn),提高了三容水箱液位控制的魯棒性。1.3三容水箱液位控制系統(tǒng)研究意義及研究方法三容水箱液位控制系統(tǒng)模擬了復(fù)雜的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng),對(duì)其研究有著重要的意義:1為先進(jìn)控制理論的驗(yàn)證提供了實(shí)物支撐。以往每當(dāng)推導(dǎo)出一種新的理論,在理論上具有很強(qiáng)的說(shuō)服力,但是這種先進(jìn)的理論一旦用到現(xiàn)場(chǎng)總出現(xiàn)很多不可預(yù)料的問(wèn)題,甚至很可能造成嚴(yán)重的后果。三容水箱系統(tǒng)可以模擬一階、二階甚至三階系統(tǒng),根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)被控對(duì)象的實(shí)際狀況對(duì)三容水箱系統(tǒng)建模,然后將先進(jìn)的控制理論運(yùn)用到該模型中,達(dá)到模擬現(xiàn)場(chǎng)的效果。這樣以來(lái)既能驗(yàn)證理論的可靠性,也可以根據(jù)模擬的狀況及時(shí)改進(jìn)控制理論。2為工業(yè)生產(chǎn)效益最大化提供有利的價(jià)值。我們已經(jīng)知道,三容水箱液位控制系統(tǒng)是一個(gè)具有大慣性、非線性的復(fù)雜系統(tǒng),傳統(tǒng)的控制理論已經(jīng)不能對(duì)其有效的控制。借助三容水箱液位控制系統(tǒng)來(lái)模擬現(xiàn)場(chǎng)復(fù)雜的控制系統(tǒng),預(yù)測(cè)控制和智能控制等先進(jìn)的控制理論可以進(jìn)行驗(yàn)證。這樣一來(lái)使得對(duì)三容水箱系統(tǒng)的控制水平有所提高,工業(yè)生產(chǎn)也有傳統(tǒng)的控制提升到新型控制,勢(shì)必提高了工業(yè)生產(chǎn)的效率和質(zhì)量,進(jìn)而為國(guó)民生產(chǎn)帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)效益。3為提升國(guó)內(nèi)控制理論水平創(chuàng)造了有利條件。國(guó)內(nèi)對(duì)控制理論的研究雖然已經(jīng)取得很大的進(jìn)步,但是相對(duì)于國(guó)外還是有差距的。起步晚是一個(gè)因素,但是最主要的還是缺乏研究控制理論的條件。現(xiàn)如今被控對(duì)象越來(lái)越復(fù)雜,對(duì)控制理論的要求越來(lái)越高,僅僅有理論深度是不行的,還需要理論與實(shí)際相結(jié)合。前面說(shuō)到先進(jìn)控制理論直接運(yùn)用到工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)會(huì)出現(xiàn)很多問(wèn)題,因此研制一套可以模擬現(xiàn)場(chǎng)的裝置尤為重要。三容水箱液位控制系統(tǒng)的研制可以說(shuō)具有劃時(shí)代的意義,它的出現(xiàn)為國(guó)內(nèi)對(duì)控制理論的研究提供有利條件,相信會(huì)大大提升國(guó)內(nèi)控制理論水平。進(jìn)入21世紀(jì),智能控制進(jìn)入新的歷史階段,控制學(xué)科所面臨的控制對(duì)象的復(fù)雜性、控制環(huán)境的復(fù)雜性和控制目標(biāo)的復(fù)雜性日益突出,其控制問(wèn)題往往不能通過(guò)簡(jiǎn)單的PID控制方式來(lái)解決[5]。三容水箱液位控制系統(tǒng)具有很大的慣性質(zhì)量,包含著許多非線性因素,加之控制系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性變化大且不穩(wěn)定,這就需要應(yīng)用更先進(jìn)更現(xiàn)代的控制技術(shù)。通過(guò)閱讀大量的文獻(xiàn),目前模糊PID、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID控制器已經(jīng)運(yùn)用到三容水箱液位控制系統(tǒng)中,雖然取得較好的效果,但還是由于各自算法的不足導(dǎo)致最終的結(jié)果不是很理想。通過(guò)對(duì)以上兩種控制器分別分析后提出大膽設(shè)想,將模糊控制和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制相結(jié)合構(gòu)造基于模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID的控制器,待建立三容水箱模型后先通過(guò)MATLAB對(duì)其仿真,最后借助THJ-4型高級(jí)過(guò)程控制實(shí)驗(yàn)平臺(tái)對(duì)該新型控制器進(jìn)行驗(yàn)證。1.4課題研究?jī)?nèi)容及章節(jié)安排本課題基于THJ-4型高級(jí)過(guò)程控制實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。它是由實(shí)驗(yàn)控制對(duì)象、實(shí)驗(yàn)控制臺(tái)和上位監(jiān)控PC機(jī)三部分組成。該裝置結(jié)合了當(dāng)今工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)過(guò)程控制的實(shí)際情況,是一套集自動(dòng)化儀表技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、通訊技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)和現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)為一體的多功能實(shí)驗(yàn)設(shè)備。該系統(tǒng)包括流量、溫度、壓力、液位等參數(shù),可實(shí)現(xiàn)參數(shù)辨識(shí),單回路控制,串級(jí)控制,前饋-反饋控制,滯后控制,比值控制,解耦控制等多種控制形式。為研究復(fù)雜控制系統(tǒng)、先進(jìn)控制系統(tǒng)提供了一個(gè)物理模擬對(duì)象和實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。第一章緒論,本章主要介紹了三容水箱液位控制系統(tǒng)的研究背景、現(xiàn)狀及意義,并提出了對(duì)該系統(tǒng)的研究方法;第二章主要介紹了三容水箱液位控制系統(tǒng),根據(jù)物料平衡原理對(duì)THJ-4型高級(jí)過(guò)程控制實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的三容水箱進(jìn)行數(shù)學(xué)建模;第三章分析研究傳統(tǒng)PID控制器原理及PID參數(shù)整定,將傳統(tǒng)PID控制器運(yùn)用到三容水箱液位控制系統(tǒng)中,通過(guò)仿真和實(shí)驗(yàn)觀察結(jié)果;第四章介紹了基于模糊控制與基于神經(jīng)網(wǎng)路的PID控制器,并應(yīng)用到三容水箱液位控制系統(tǒng)中,通過(guò)仿真觀察結(jié)果;第五章根據(jù)以上分析總結(jié)出模糊PID和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID的優(yōu)缺點(diǎn),將二者結(jié)合構(gòu)造出基于模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制的PID控制器,并借助MATLAB對(duì)其進(jìn)行仿真。最后對(duì)全文進(jìn)行總結(jié),對(duì)以后的研究方向提出展望。2三容水箱液位控制系統(tǒng)建模2.1THJ-4型高級(jí)過(guò)程控制實(shí)驗(yàn)平臺(tái)介紹本課題的研究是基于THJ-4型高級(jí)過(guò)程控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)裝置,它是基于工業(yè)過(guò)程的物理模擬對(duì)象,該平臺(tái)集自動(dòng)化儀表技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、通訊技術(shù)以及自動(dòng)控制技術(shù)為一體。它是天皇教儀企業(yè)根據(jù)自動(dòng)化及其他相關(guān)專業(yè)教學(xué)特點(diǎn),在吸收了國(guó)內(nèi)外同類實(shí)驗(yàn)裝置的特點(diǎn)和長(zhǎng)處后精心設(shè)計(jì)的多功能實(shí)驗(yàn)裝置。該系統(tǒng)包含了流量、溫度、液位、壓力等熱工參數(shù),可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)參數(shù)辨識(shí)、單回路控制、串級(jí)控制、前饋—反饋控制、比值控制、解耦控制等多種控制形式。該裝置還可以根據(jù)用戶需求設(shè)計(jì)成DDC、DCS、PLC、FCS等多種控制系統(tǒng)。不僅如此,依靠該系統(tǒng)既可以作為本科、專科、高職過(guò)程控制課程的實(shí)驗(yàn)裝置,也可以為研究生及科研人員對(duì)復(fù)雜控制系統(tǒng)和先進(jìn)控制理論的研究提供物理模擬對(duì)象和實(shí)驗(yàn)手段[3]。(1系統(tǒng)組成THJ-4型高級(jí)過(guò)程控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)裝置是由被控對(duì)象和控制儀表兩部分組成。該實(shí)驗(yàn)裝置有兩路動(dòng)力支路,一路由380V交流磁力驅(qū)動(dòng)泵、電動(dòng)調(diào)節(jié)閥、流量計(jì)及手動(dòng)調(diào)節(jié)閥組成;另一路由變頻器、220V變頻磁力驅(qū)動(dòng)泵、流量計(jì)及手動(dòng)調(diào)節(jié)閥組成。被控對(duì)象主要包括水箱和模擬鍋爐兩大部分。水箱又包括上水箱、中水箱、下水箱以及儲(chǔ)水箱四部分。上、中、下水箱采用堅(jiān)實(shí)耐用且透明度高的淡藍(lán)色圓筒形有機(jī)玻璃制作而成,使得觀察和記錄液位變化更一目了然。上、中水箱的直徑為25厘米,高度為20厘米;下水箱的直徑為35厘米,高度為20厘米。上、中、下水箱既能組合成一階、二階、三階液位單回路開(kāi)環(huán)實(shí)驗(yàn),也能實(shí)現(xiàn)雙閉環(huán)、三閉環(huán)液位串級(jí)控制等實(shí)驗(yàn),完全滿足各種實(shí)驗(yàn)的需求。模擬鍋爐主要是用來(lái)進(jìn)行溫度實(shí)驗(yàn),可完成溫度的串級(jí)控制、前饋—反饋控制、解耦控制等實(shí)驗(yàn)?？偟膩?lái)說(shuō)該控制對(duì)象部分的設(shè)計(jì)非常巧妙合理,整個(gè)系統(tǒng)的管道采用敷塑的不銹鋼管,所有水閥采用優(yōu)質(zhì)的球閥,徹底避免水箱系統(tǒng)生銹的可能性,有效提高了實(shí)驗(yàn)裝置的使用年限。控制儀表部分由三部分組成:1、電源控制屏面板:充分考慮人身安全保護(hù),帶有漏電保護(hù)空氣開(kāi)關(guān)、電壓型漏電保護(hù)器、電流型漏電保護(hù)器。2、儀表面板:一塊變頻調(diào)速器面板、三塊AI/818A智能調(diào)節(jié)儀面板、一塊AI/708A智能位式調(diào)節(jié)儀、解耦裝置面板,比值器/前饋-反饋裝置面板。3、I/O信號(hào)接口面板:該面板的作用主要是將傳感器檢測(cè)及執(zhí)行器控制信號(hào)同面板上自鎖緊插孔相連,再通過(guò)航空插頭同對(duì)象系統(tǒng)連接,便于學(xué)生自行連線組成不同的控制系統(tǒng),進(jìn)行幾十種過(guò)程控制系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)。系統(tǒng)整體框圖2.1所示。(2系統(tǒng)特點(diǎn)1、被控參數(shù)全面,涵蓋了連續(xù)性工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中的液位、壓力、流量及溫度等典型參數(shù)。2、本裝置由被控對(duì)象、智能儀表總和控制臺(tái)、計(jì)算機(jī)三部分組成,系統(tǒng)結(jié)構(gòu)布局合理,造型美觀大方。3、真實(shí)性、直觀性、綜合性強(qiáng),控制對(duì)象組件全部來(lái)源于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)。4、具有廣泛的可擴(kuò)展性和后續(xù)開(kāi)發(fā)功能,所有I/O信號(hào)全部采用國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)IEC信號(hào),可通過(guò)信號(hào)接口電纜與任何后續(xù)智能化控制平臺(tái)連接。5、執(zhí)行器中既有電動(dòng)調(diào)節(jié)閥儀表類執(zhí)行機(jī)構(gòu),又有變頻器、可控硅移向調(diào)壓裝置、接觸器位式控制裝置等。6、能進(jìn)行單變量到多變量控制系統(tǒng)及復(fù)雜過(guò)程控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)。7、各種控制算法和調(diào)節(jié)規(guī)律在開(kāi)放的實(shí)驗(yàn)軟件平臺(tái)上都可以實(shí)現(xiàn)。8、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及圖表在MCGS軟件系統(tǒng)中很容易存儲(chǔ)及調(diào)用,以實(shí)驗(yàn)者進(jìn)行試驗(yàn)后的比較和分析。9、采用強(qiáng)弱電插座及相應(yīng)的導(dǎo)線,提高實(shí)驗(yàn)的安全性和可靠性。(3系統(tǒng)軟件MCGS是一套基于Windows平臺(tái)的,用于快速構(gòu)造和生成上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的組態(tài)軟件系統(tǒng)。具有操作簡(jiǎn)單、可視性好、可維護(hù)性強(qiáng)、高性能、高可靠性等突出特點(diǎn)。與國(guó)外同類產(chǎn)品相比,MCGS5.1組態(tài)軟件具有以下優(yōu)勢(shì):1全中文、可視化、面向窗口的組態(tài)開(kāi)發(fā)界面,強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理功能,能夠?qū)I(yè)現(xiàn)場(chǎng)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)以各種方式進(jìn)行統(tǒng)計(jì)處理。2方便的報(bào)警設(shè)置、豐富的報(bào)警類型、報(bào)警存貯與應(yīng)答、實(shí)時(shí)打印報(bào)警報(bào)表以及靈活的報(bào)警處理函數(shù)。3完善的安全機(jī)制,允許用戶自由設(shè)定菜單、按鈕及退出系統(tǒng)的操作權(quán)限。MCGS5.1還提供了工程密碼、鎖定軟件狗、工程運(yùn)行期限等功能。4強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)功能,支持TCP/IP、Moden、485/232,以及無(wú)線網(wǎng)絡(luò)和無(wú)線電臺(tái)等多種網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)。5良好的可擴(kuò)充性,可通過(guò)OPC、DDE、ODBC、ActiveX等機(jī)制,方便地?cái)U(kuò)展MCGS5.1組態(tài)軟件的功能,并與其他組態(tài)軟件、MIS系統(tǒng)或自行開(kāi)發(fā)的軟件進(jìn)行連接。圖2.1系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)總貌圖2.2基于物料平衡原理的三容水箱建模數(shù)學(xué)模型是研究數(shù)量變化規(guī)律的一門綜合性很強(qiáng)的學(xué)科[6],是應(yīng)用數(shù)學(xué)知識(shí)去研究事物以及事物之間的數(shù)量變化規(guī)律;或者反過(guò)來(lái),將現(xiàn)實(shí)客觀中存在的問(wèn)題,經(jīng)過(guò)分析整理建立起實(shí)際問(wèn)題的內(nèi)在的或事物與事物之間的數(shù)量變化的數(shù)學(xué)表達(dá)式,經(jīng)過(guò)求解數(shù)學(xué)表達(dá)式,尋求他們的數(shù)量變化規(guī)律,用以解析某些現(xiàn)象,或者預(yù)測(cè)它未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)并能動(dòng)地利用它和改造它。根據(jù)被控對(duì)象的特性和控制要求配合上過(guò)程檢測(cè)和控制儀表構(gòu)成了過(guò)程控制系統(tǒng),被控對(duì)象的特性在過(guò)程控制系統(tǒng)中占有重要的地位,因此了解被控對(duì)象的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)特性及控制要求才能實(shí)施控制方案的定制、儀表的選型及系統(tǒng)參數(shù)的整定。三容水箱液位控制系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)圖如圖2.2所示:上水箱的入水量iQ由電動(dòng)調(diào)節(jié)閥控制:上、中、下三個(gè)水箱的出水量1Q、2Q、3Q通過(guò)改變負(fù)載閥的開(kāi)度來(lái)改變;系統(tǒng)的被控制量是下水箱液位高度3h。被控對(duì)象數(shù)學(xué)模型的建立通常用下列兩種方法:一種是分析法,即根據(jù)過(guò)程的機(jī)理,物料或能量平衡關(guān)系求得其數(shù)學(xué)模型;另一種是用實(shí)驗(yàn)的方法確定。本文主要介紹被控對(duì)象對(duì)典型輸入信號(hào)的響應(yīng)來(lái)確定它的數(shù)學(xué)模型。由圖2.2可知,該系統(tǒng)最終的被控制量為水箱的液位3h,手動(dòng)閥F1-6、F1-9、F1-10、F1-11的開(kāi)度都為定值,iQ為流入水箱的流量,1Q、2Q、3Q分別為上、中、下水箱中流出的流量。為了讓三容水箱能滿足自平衡能力,三只水箱的放水閥間的開(kāi)度必須滿足如下關(guān)系:19110111FFF--->>(2.1這樣當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行于穩(wěn)態(tài)時(shí),三個(gè)水箱液位高度間關(guān)系必然會(huì)滿足下列的不等式:123hhh>>(2.2即滿足上述的不等式關(guān)系后,,系統(tǒng)在穩(wěn)態(tài)時(shí)才會(huì)出現(xiàn)流量的平衡關(guān)系:3100QQQQi===(2.3相反的若閥門的開(kāi)度把握不好,就很難達(dá)到自平衡。例如下水箱的流出量為4Q,流入量為3Q,如果閥門F1-11的開(kāi)度太大同時(shí)F1-9和F1-10開(kāi)度太小,勢(shì)必流出量4Q要遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)流入量3Q,這樣一來(lái)很難達(dá)到自平衡狀態(tài)。當(dāng)閥門的開(kāi)度滿足(1的情況下,流入量和流出量相等的情況下很容易就達(dá)到自平衡狀態(tài),水位也就保持不變;這時(shí)如果突然增大電動(dòng)調(diào)節(jié)閥的開(kāi)度,隨著流入水量的增多,水的靜壓力增大則流出量也增多,如果閥門開(kāi)度不變的話,最終達(dá)到平衡狀態(tài)時(shí)的液位有所偏高。根據(jù)物料平衡關(guān)系,三容水箱液位控制系統(tǒng)在動(dòng)態(tài)時(shí)可得如下公式:(2.4式中1V為上水箱的貯水容積,dtdV1為上水箱水貯存量的變化率,它與上水箱液位1h的關(guān)系為11dhAdV=,即dtdhAdtdV111=(2.5式中1A為上水箱的底面積。把式(2.5代入式(2.4得dtdhAQQi111=-,即(1111QQAdtdhi-=(2.6同理可以推出中水箱和下水箱動(dòng)態(tài)時(shí)的公式:(12122QQAdtdh-=(2.7(13233QQAdtdh-=(2.8基于111sRhQ=,222sRhQ=,333sRhQ=,1sR、2sR、3sR分別為閥門19F-、110F-和111F-的液阻,通過(guò)前面三容水箱裝置的介紹計(jì)算出上水箱和中水箱的截面積221049.0mAA==,下水箱的截面積為23096.0mA=,則上面的式子可改寫為(4.20(1111111sisiRhQRhQAdtdh-=-=(2.9dtdVQQi11=-(4.20(=-=(2.10(4.10sssRhRhRhRhAdtdh-=-=(2.11對(duì)式子(2.10進(jìn)行微分(4.2022112ssRhRhh'-'="(2.12把式子(2.9帶入式子(2.12中可得????????'-?-="2211124.20(22211ssRhhRh+'=(2.14將式子(2.14帶入式子(2.13可得????????'-?-'-="22122224.10(33322ssRhhRh+'=(2.164.10(33322ssRhhRh'+"='(2.174.10(3''3'''32''2ssRhhRh+=(2.18將式子(2.16、(2.17、(2.18帶入式子(2.15可得]4.1014.104.10(4.20(4.20[4.204.10(3'3''3133'33'3''323''3'''32sssssissRhhRRhhRhhRQRhhR--?--+-=+(2.19整理得33'33321''33213231'''32133'33'3''3213'3''33++++++=++++???????+++=(2.20通過(guò)以上公式的推導(dǎo)最后得出三容水箱輸入量iQ和下水箱液位3h的三階微分方程。按照流體力學(xué)原理,水箱流出量oQ與出口靜壓有關(guān),同時(shí)還與調(diào)節(jié)閥門的阻力R有關(guān)[7],它們?nèi)叩年P(guān)系可以用下式表示:RhQo?=?(2.21流體在一般流動(dòng)條件下,液位h和流量oQ之間的關(guān)系是非線性的。為了簡(jiǎn)化問(wèn)題,通常將其線性化。線性化方法如圖2.3所示。圖2.3線性化原理圖通常在特性曲線工作點(diǎn)a附近不大的范圍內(nèi),用切于a點(diǎn)的一段切線代替原曲線上的一段曲線,進(jìn)行線性化處理。經(jīng)過(guò)線性化后,水阻R是常數(shù)。由式子(2.20可知,只要確定了三個(gè)水箱的水阻,這個(gè)三階微分方程的參數(shù)就定下來(lái)了,進(jìn)而可以確定三容水箱系統(tǒng)的傳遞函數(shù)。這里我們通過(guò)階躍曲線響應(yīng)方法測(cè)得21/293msR=,22/187msR=,23/477msR=,將其代入式(2.21可得36'3''3'''310對(duì)上式進(jìn)行拉普拉斯變換,可得三容水箱的傳遞函數(shù)為:623310.0((-?+++=SSSSQSHi(2.233傳統(tǒng)PID控制在三容水箱液位控制系統(tǒng)中的應(yīng)用3.1PID控制原理由于PID控制器的簡(jiǎn)單易懂、魯棒性強(qiáng)等特點(diǎn),使其在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用中經(jīng)歷了60多年后,仍然是應(yīng)用最為廣泛的控制器,其利用率占所有工業(yè)控制器的90%以上[8]。除了以上特點(diǎn),之所以PID控制器得以廣泛運(yùn)用還在于它不需要依賴精確的數(shù)學(xué)模型,這一點(diǎn)是很多控制器所不能及的。PID控制器由三部分組成,分別是比例單元、積分單元和微分單元,PID的調(diào)節(jié)就是通過(guò)對(duì)這三個(gè)單元的參數(shù)進(jìn)行設(shè)置,進(jìn)而通過(guò)線性組合構(gòu)成控制量來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)被控對(duì)象的控制。其中每個(gè)單元的作用可歸納如下:1比例單元(P。該單元是按比例反映系統(tǒng)的偏差,系統(tǒng)一旦出現(xiàn)了偏差,比例調(diào)節(jié)立即產(chǎn)生調(diào)節(jié)作用以減少偏差。比例作用大,可以加快調(diào)節(jié),減少誤差,但是過(guò)大的比例,使系統(tǒng)的穩(wěn)定性下降,甚至造成系統(tǒng)的不穩(wěn)定。2積分單元(I。該單元是使系統(tǒng)消除穩(wěn)態(tài)誤差,提高無(wú)差度。因?yàn)橛姓`差,積分調(diào)節(jié)就進(jìn)行,直至無(wú)差,積分調(diào)節(jié)停止,積分調(diào)節(jié)輸出一常值。積分作用的強(qiáng)弱取決于積分時(shí)間常數(shù)Ti,Ti越小積分作用越強(qiáng)。反之,Ti越大,積分作用就越弱,加入積分調(diào)節(jié)可使系統(tǒng)穩(wěn)定性下降,動(dòng)態(tài)響應(yīng)變慢。積分作用常與另兩種調(diào)節(jié)規(guī)律相結(jié)合,組成PI或PID調(diào)節(jié)器。3微分單元(D。該單元反映系統(tǒng)偏差信號(hào)的變化率,具有預(yù)見(jiàn)性,能遇見(jiàn)偏差的變化趨勢(shì),因此能產(chǎn)生超前的控制作用,在偏差還沒(méi)形成以前,已被微分調(diào)節(jié)作用消除。因此可以改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。在微分時(shí)間選擇合理的情況下,可以減少超調(diào)時(shí)間。由于微分作用對(duì)噪聲干擾有放大作用,因此過(guò)強(qiáng)的加入微分調(diào)節(jié),對(duì)系統(tǒng)抗干擾不利。此外,微分調(diào)節(jié)反映的是變化率,當(dāng)輸入沒(méi)有變化時(shí),微分作用輸出為零。微分作用不能單獨(dú)使用,需要與另外兩種調(diào)節(jié)規(guī)律相組合,結(jié)成PD或者PID控制器。測(cè)量值與設(shè)定目標(biāo)值之間的差構(gòu)成了基本偏差e(t,它是面向比例項(xiàng)所用的變動(dòng)數(shù)據(jù);而每一次測(cè)量得到的偏差值的總和即累計(jì)偏差1(...1(((1eteteieti+-+=∑=是面向積分項(xiàng)所用的變動(dòng)數(shù)據(jù);用本次的偏差減去上一次的偏差得到的相對(duì)偏差是面向微分項(xiàng)的變動(dòng)數(shù)據(jù),通常把它用來(lái)考察當(dāng)前控制對(duì)象的趨勢(shì)和作為快速反應(yīng)的重要依據(jù)。PID控制器按實(shí)際需求可以分為很多種類,比較典型的PID控制器主要有模擬PID和數(shù)字PID兩種。1模擬PID控制器將PID控制運(yùn)用到模擬控制系統(tǒng)中,即構(gòu)成了模擬PID控制器,然后再與被控對(duì)象共同組成了模擬PID控制系統(tǒng),其原理圖如圖3.1所示。由圖可知,(((tytrte-=(3.1其中e(t為控制誤差,r(t為給定值,y(t為實(shí)際輸出值。PID控制器根據(jù)e(t將偏差的比例、積分和微分通過(guò)線性組合構(gòu)成控制量,其控制規(guī)律為:]((1([(0dttdeTdtteTteKtudtip++=?(3.2式中:u(t—控制器輸出;e(t—控制器誤差;pK—比例系數(shù);iT—積分時(shí)間常數(shù);dT—微分時(shí)間常數(shù)。2數(shù)字PID控制器眾所周知,計(jì)算機(jī)控制其本質(zhì)上就是一種采樣控制,只有知道了某采樣時(shí)刻的偏差值才能進(jìn)行控制量的計(jì)算。而連續(xù)PID控制算法要求是連續(xù)的采樣,因此為了滿足計(jì)算機(jī)控制要求,必須采用離散化方法。應(yīng)用在計(jì)算機(jī)控制的PID控制器,稱之為數(shù)字PID控制器,常見(jiàn)的有位置式PID控制算法和增量式PID控制算法。通過(guò)分析模擬PID控制算法,用一系列的采樣時(shí)刻點(diǎn)kT代表連續(xù)時(shí)間t,用矩形法數(shù)值積分近似代替積分,可得位置式PID控制算法表達(dá)式:比例積分微分被控對(duì)象u(t+r(te(t-y(tTkekekTjekkekkekeTTjeTTkekkudkjipkjDIp1((((1(((((((0--++=--++=∑∑==(3.3式中,IpiTkk=,DpdTkk=,T為采樣周期,k為采樣序號(hào),k=1,2,…,e(k-1和e(k分別為第(k-1和第k時(shí)刻所得的偏差信號(hào)。由上式可知,通過(guò)計(jì)算機(jī)輸出的u(k可以直接用來(lái)控制執(zhí)行機(jī)構(gòu),這樣以來(lái)u(k的值與執(zhí)行機(jī)構(gòu)的位置必然是一一對(duì)應(yīng)的,這也就是位置式PID名稱的由來(lái)。對(duì)應(yīng)的控制系統(tǒng)如圖3.2所示。PID控制算法D/A執(zhí)行機(jī)構(gòu)被控對(duì)象r(k+-y(k圖3.2位置式PID控制系統(tǒng)通過(guò)分析公式3.3可以看出,該算法是一種非遞推公式。如果依照此公式去計(jì)算u(k,一方面需要用到本次和上一次的偏差量e(k和e(k-1,另一方面還需要知道從e(0到e(k所有的值。不僅如此,當(dāng)采樣次數(shù)K的值很大時(shí),必然會(huì)使得計(jì)算量很大,大大延緩了整個(gè)系統(tǒng)的處理速度,因此如何把該非遞推公式轉(zhuǎn)化為遞推公式尤為重要。根據(jù)式子3-3可推導(dǎo)出k-1次的輸出為:]}2(1([(1({1(1---++-=-∑-=kekeTTteTTkeKkudkiip(3.4于是得到增量法計(jì)算公式:]2(1(2([]1(([]1(([1(((0-+--+--+--=--=?∑=kekekeTTteteTTkekeKkukukudktip(3.5因此按式子3-5計(jì)算k次采樣的數(shù)字控制器的輸出u(k,只需用到本次偏差e(k,前兩次偏差e(k-1和e(k-2以及計(jì)算的輸出值u(k-1。通過(guò)以上分析可以總結(jié)出增量式控制的優(yōu)點(diǎn):(1增量型算法不需要做累加,控制量增量的確定僅與最近幾次誤差采樣值有關(guān),計(jì)算誤差或計(jì)算精度問(wèn)題對(duì)控制量的計(jì)算影響較小:而位置型PID算法要用到過(guò)去所有誤差的累加值,容易產(chǎn)生大的累加誤差。(2增量型算法輸出的是控制量的增量,只輸出閥門開(kāi)度的變化部分,誤動(dòng)作影響小,必要時(shí)通過(guò)邏輯判斷限制或禁止本次輸出,不會(huì)嚴(yán)重影響系統(tǒng)的工作;而位置型算法的輸出是控制量的全量輸出,誤動(dòng)作影響大。(3采用增量型算法,當(dāng)出現(xiàn)任何故障或者進(jìn)行切換時(shí),沖擊較小,易于實(shí)現(xiàn)手動(dòng)到自動(dòng)的無(wú)沖擊切換。3.2PID參數(shù)的整定Ziegler和Nichols在1942年首次針對(duì)一階慣性加純延遲的被控對(duì)象提出了Z-N整定法[11],該整定方法同樣可以運(yùn)用到常規(guī)的控制對(duì)象上,前提是需要利用曲線擬合的方法將階躍響應(yīng)數(shù)據(jù)擬合成近似的一階慣性加純延遲環(huán)節(jié),正是由于它的通用性,至今在很多場(chǎng)合仍在運(yùn)用。同年,Ziegler根據(jù)對(duì)象頻域響應(yīng)曲線上的信息,提出了PID控制器參數(shù)整定的臨界振蕩法。隨著控制理論的發(fā)展,越來(lái)越多的學(xué)者開(kāi)始致力于PID控制器的參數(shù)整定,隨之而來(lái)也出現(xiàn)了許多經(jīng)典的參數(shù)整定方法。如莊敏霞與Atherton針對(duì)各種指標(biāo)函數(shù)得到了最優(yōu)化PID參數(shù)整定的方法,此方法相對(duì)在理論分析上較為方便,但與工程化的性能指標(biāo)問(wèn)還缺乏明顯的對(duì)應(yīng)關(guān)系,從而影響了其在工業(yè)實(shí)際中的應(yīng)用。1993年,陳福詳?shù)热颂岢隽嗽鲆鎯?yōu)化的PID參數(shù)整定方法,指定在大頻率范圍內(nèi)使幅頻率特性等于1,根據(jù)測(cè)量得到的階躍響應(yīng)瞬時(shí)值去計(jì)算PID控制器的參數(shù)值。1995年,德國(guó)學(xué)者UdoKulm提出了基于總和時(shí)間常數(shù)的整定方法,此方法適用于階躍響應(yīng)曲線為S型的自衡對(duì)象。1996年,胡晚霞等人提出了一種新的確定被控過(guò)程動(dòng)態(tài)特性方法,通過(guò)計(jì)算機(jī)仿真相應(yīng)的PID參數(shù)整定規(guī)則,這種方法稱之為交叉兩點(diǎn)法。1998年夏淑艷將拉蓋爾級(jí)數(shù)應(yīng)用于PID參數(shù)整定中,提出了利用拉蓋爾級(jí)數(shù)辨識(shí)和整定的方法,此方法簡(jiǎn)單可靠,得到了廣泛的應(yīng)用。工程實(shí)驗(yàn)整定方法包括四種,分別是經(jīng)驗(yàn)法、臨界比例度法、阻尼振蕩法(衰減曲線法和反應(yīng)曲線法。其中最常用的主要是前三種方法。(1經(jīng)驗(yàn)法如果將控制系統(tǒng)中的液位、流量、溫度、壓力等不同的參數(shù)進(jìn)行分類,那么屬于同一類別的系統(tǒng)的它的對(duì)象往往很接近,根據(jù)這一點(diǎn)無(wú)論是控制器形式還是所整定的參數(shù)均可以相互參考。表3.1為經(jīng)驗(yàn)法整定參數(shù)的參考數(shù)據(jù),在此基礎(chǔ)上,對(duì)調(diào)節(jié)器的參數(shù)作進(jìn)一步修正。若需加微分作用,微分時(shí)間常數(shù)按計(jì)算。表3.1經(jīng)驗(yàn)法整定參數(shù)系統(tǒng)δ(%IT(minDT(min溫度20~603~100.5~3流量40~1000.1~1壓力30~700.4~3液位20~80(2臨界比例度法在使用臨界比例度整定方法時(shí),需注意一點(diǎn)的是在閉環(huán)情況下進(jìn)行的。具體的整定過(guò)程為:先假設(shè)∞=IT,0=DT,即消除積分和微分作用,在純比例的情況下將比例度由大逐漸變小,目的是使系統(tǒng)的輸出響應(yīng)最終呈現(xiàn)等幅振蕩,如圖3.3所示。然后根據(jù)臨界比例度Sδ和振蕩周期ST,按照表3.2所列的經(jīng)驗(yàn)算式,求取PID調(diào)節(jié)器的參考參數(shù)值,該整定方法目標(biāo)是為了得到4:1的衰減曲線。IDTT41~31(=STperiod調(diào)節(jié)器參數(shù)PPIPIDsδ2sδ2.2sδ1.6sδ(STi(ST/1.20.5(ST(STd0.125(ST雖然臨界比例度法具有應(yīng)用簡(jiǎn)單方便的優(yōu)點(diǎn),但是該方法在實(shí)際應(yīng)用中有一定的限制。首先,在工藝方面,受控變量必須能承受住等幅振蕩的波動(dòng),即確保在等幅振蕩的波動(dòng)范圍內(nèi)受控對(duì)象不會(huì)發(fā)生故障;其次,受控對(duì)象也要受很大的限制,為了在比例環(huán)節(jié)的控制下使系統(tǒng)出現(xiàn)等幅振蕩,必須確保受控對(duì)象為二階或者二階以上,若為一階系統(tǒng)還應(yīng)滿足具有純滯后環(huán)節(jié)。另外,控制閥開(kāi)、關(guān)的極端狀態(tài)也會(huì)對(duì)等幅振蕩曲線構(gòu)成影響,在整定的過(guò)程中也需特別注意。(3阻尼振蕩法(衰減曲線法阻尼振蕩法又叫做衰減曲線法,跟臨界比例度法類似該整定方法也需要在閉環(huán)系統(tǒng)中才能運(yùn)用。具體步驟是:令∞=IT,0=DT,消除積分和微分作用,讓調(diào)節(jié)器只在純比例的情況下工作,然后逐漸減小比例度,同時(shí)加階躍擾動(dòng)來(lái)觀察輸出響應(yīng)的衰減過(guò)程,一直到出現(xiàn)圖3.4所示的4:1衰減曲線為止。這時(shí)的比例度稱為4:1衰減比例度,用Sδ表示之。相鄰兩波峰間的距離稱為4:1衰減周期ST。根據(jù)Sδ和ST,運(yùn)用表3.3所示的經(jīng)驗(yàn)公式,就可計(jì)算出調(diào)節(jié)器預(yù)整定的參數(shù)值。C(ttTs表3.3阻尼振蕩法計(jì)算公式調(diào)節(jié)器參數(shù)PPIPIDδ(%sδ1.2sδ0.8sδIT(min0.5(ST0.3(STDT(min0.1(ST以上介紹的三種整定方法各有其自身的特點(diǎn),像經(jīng)驗(yàn)法依據(jù)同一類別的系統(tǒng)的對(duì)象比較接近的原理,整定參數(shù)可以互相參考,這樣為參數(shù)的整定帶來(lái)了極大的方便。仔細(xì)對(duì)比臨界比例度法和衰減曲線法會(huì)發(fā)現(xiàn)它們都有一個(gè)共同點(diǎn),那就是先通過(guò)實(shí)驗(yàn)得到預(yù)期的曲線,然后借助曲線計(jì)算出相關(guān)參數(shù),最后再通過(guò)公示表格得到最終的PID參數(shù)值。但無(wú)論采用哪一種方法所得到的控制器參數(shù),都需要在實(shí)際運(yùn)行中進(jìn)行最后調(diào)整與完善?，F(xiàn)在一般采用的是臨界比例度法。利用該方法進(jìn)行PID控制器參數(shù)的整定步驟如下:(1首先預(yù)選擇一個(gè)足夠短的采樣周期讓系統(tǒng)工作;(2僅加入比例控制環(huán)節(jié),直到系統(tǒng)對(duì)輸入的階躍響應(yīng)出現(xiàn)臨界振蕩,記下這時(shí)的比例放大系數(shù)和臨界振蕩周期;(3在一定的控制度下通過(guò)公式計(jì)算得到PID控制器的參數(shù)。3.3傳統(tǒng)PID在三容水箱中的應(yīng)用及仿真?zhèn)鹘y(tǒng)PID控制器由于用途廣泛、使用靈活,已有系列化產(chǎn)品,使用中只需設(shè)定三個(gè)參數(shù)(pk,ik和dk即可。在很多情況下,并不一定需要三個(gè)單元,可以取其中的一到兩個(gè)單元,但比例控制單元是必不可少的。根據(jù)上一章節(jié)推導(dǎo)出的三容水箱液位控制系統(tǒng)模型,在MATLAB中進(jìn)行仿真。在simulink中構(gòu)造的模型如下圖3.5所示:根據(jù)多次人工試驗(yàn),得出較好的一組PID參數(shù)值,pk=0.1,ik=0.005和dk=1。仿真曲線圖如圖3.6所示:圖3.6傳統(tǒng)PID在三容水箱中的應(yīng)用仿真圖400000s+34000s+560s+132600TransferFcnScopePIDPIDController10Constant10020030040050060070080090010002468101214163.4本章小結(jié)本章首先介紹了PID的控制原理,并對(duì)其比例、積分和微分三個(gè)單元的作用分別作了深刻的分析。根據(jù)PID控制器應(yīng)用環(huán)境不同,又分為模擬PID和數(shù)字PID兩種,并且通過(guò)分析數(shù)字PID的不足,提出了增量式PID,通過(guò)比較總結(jié)了其優(yōu)勢(shì)所在。然后介紹了PID的兩種參數(shù)整定方法:理論設(shè)計(jì)方法和工程試驗(yàn)方法。由于工程試驗(yàn)方法目前應(yīng)用比較廣泛,故又對(duì)其中的經(jīng)驗(yàn)法、臨界比例度法以及阻尼振蕩法作了重點(diǎn)介紹?；谝陨戏治龊涂偨Y(jié),最后將傳統(tǒng)PID應(yīng)用到三容水箱液位控制系統(tǒng)中,并在Matlab中進(jìn)行了仿真。由仿真結(jié)果可以看出,將傳統(tǒng)PID應(yīng)用到三容水箱液位控制系統(tǒng)中,雖然最終可以讓系統(tǒng)穩(wěn)定下來(lái),但是還是有很多不足之處。一方面具有超調(diào)量大,振蕩頻繁等特點(diǎn);另一方面通過(guò)仿真時(shí)間可以看出,系統(tǒng)到達(dá)穩(wěn)定狀態(tài)的時(shí)間慢,故表現(xiàn)出了很差的魯棒性能。不僅如此,在實(shí)際實(shí)驗(yàn)中還發(fā)現(xiàn),在系統(tǒng)穩(wěn)定以后再加一擾動(dòng),系統(tǒng)很難再達(dá)到平衡狀態(tài)。分析其原因,一方面是被控對(duì)象過(guò)于復(fù)雜,具有高階非線性、慢時(shí)變、大滯后等特點(diǎn);另一方面也跟PID控制器本身有關(guān)。傳統(tǒng)的PID控制最主要的問(wèn)題就是參數(shù)的整定,并且一旦參數(shù)整定好了,在整個(gè)控制過(guò)程中都是固定不變的,然而實(shí)際中系統(tǒng)的狀態(tài)是不確定的,這樣一來(lái)系統(tǒng)就很難達(dá)到最佳的控制效果。因此,通過(guò)仿真并結(jié)合實(shí)際的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象可以得出以下結(jié)論,采用傳統(tǒng)的PID控制器難以獲得滿意的控制效果。4模糊PID和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID在三容水箱液位控制系統(tǒng)中的應(yīng)用4.1模糊PID在三容水箱中的應(yīng)用模糊控制不同于其他的控制理論在于它是建立在人工經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)之上的,因此操作人員對(duì)現(xiàn)場(chǎng)過(guò)程的控制往往不需要對(duì)被控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型有深入的了解,只需憑借豐富的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)即可巧妙的對(duì)復(fù)雜的過(guò)程進(jìn)行控制。如果對(duì)操作員的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行總結(jié)和描述,然后用語(yǔ)言描述出來(lái),即可得到一種定性的、不精確的模糊控制規(guī)則。借助模糊數(shù)學(xué)將其定量化就轉(zhuǎn)化為模糊控制算法,也就形成了模糊控制理論。通過(guò)以上分析可以總結(jié)出模糊控制的特點(diǎn)如下:(1無(wú)需知道被控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型。模糊控制是以人對(duì)被控對(duì)象的控制經(jīng)驗(yàn)為依據(jù)而設(shè)計(jì)的控制器,所以無(wú)需知道被控系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。(2模糊控制是一種反映人類思維智慧的智能控制理論。它采用人類思維中的模糊量,如“高”、“中”、“低”、“大”、“小”等,模糊控制量通過(guò)模糊推理的推導(dǎo)所得。這些模糊量和模糊推理是人類通常智能活動(dòng)的體現(xiàn)。(3很容易被人們所接受。由于模糊控制的核心是它的控制規(guī)則,而這些規(guī)則都是以人類語(yǔ)言表示的,理解起來(lái)很簡(jiǎn)單。(4控制系統(tǒng)構(gòu)造容易。可以運(yùn)用用單片機(jī)等處理器來(lái)構(gòu)造模糊控制系統(tǒng),它的結(jié)構(gòu)與一般的數(shù)字控制系統(tǒng)大同小異,模糊控制算法部分可以用軟件編程實(shí)現(xiàn)。(5具有較好的魯棒性。不管被控系統(tǒng)是線性的還是非線性的,模糊控制系統(tǒng)都能執(zhí)行有效的控制,顯示出了良好的魯棒性和高度的適應(yīng)性。模糊控制理論與應(yīng)用技術(shù)研究?jī)H有40多年的歷史,目前正處于方興未艾的迅速發(fā)展時(shí)期,雖然目前大規(guī)模集成電路技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)以及工藝藝術(shù)的不斷發(fā)展使得模糊控制技術(shù)越來(lái)越成熟,但是它畢竟還只是一門新興學(xué)科,仍然有很多問(wèn)題需要解決。其中模糊控制理論方面仍存在需要解決的問(wèn)題還有以下幾個(gè)方面:(1模糊控制器的構(gòu)造。到目前為止,模糊控制器的構(gòu)造主要有三種技術(shù):1利用傳統(tǒng)的單片機(jī)或微型機(jī)作為硬件部分,在硬件基礎(chǔ)上編制相應(yīng)的軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)模糊控制和模糊推理;2運(yùn)用模糊單片機(jī)或集成電路芯片構(gòu)造模糊控制器,利用配置的數(shù)據(jù)來(lái)確定模糊控制器的結(jié)構(gòu)形式;3采用可編程門陣列即FPGA來(lái)構(gòu)造模糊控制器,通過(guò)FPGA主要是來(lái)構(gòu)造控制表,需要事先作離線處理。(2模糊信息和精確信息之間進(jìn)行轉(zhuǎn)換的物理結(jié)構(gòu)和方法。模糊信息與精確信息之間的轉(zhuǎn)換一般都是通過(guò)數(shù)/模和模/數(shù)轉(zhuǎn)換再加上一些放大電路實(shí)現(xiàn)的。(3模糊控制器對(duì)外界環(huán)境的適應(yīng)性能及適應(yīng)技術(shù)。到目前為止還沒(méi)有專門的技術(shù)來(lái)解決對(duì)外界環(huán)境的適應(yīng)性問(wèn)題,一般都仍然采用傳統(tǒng)的技術(shù)或者依賴現(xiàn)有的工藝水平。(4實(shí)現(xiàn)模糊控制系統(tǒng)的軟技術(shù)。軟技術(shù)主要包括對(duì)模糊控制系統(tǒng)的仿真以及實(shí)際的工作軟件等等。目前已有多種仿真軟件出現(xiàn),像Matlab等。(5模糊控制器和被控對(duì)象的匹配技術(shù)。雖然模糊控制理論已得到了快速的發(fā)展,但是模糊控制器和被控對(duì)象的匹配技術(shù)仍然依賴于人們的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)。到目前為止,各個(gè)國(guó)家的學(xué)者專家提出的模糊推理有十多種以上,但是還沒(méi)有哪一種方法能在各個(gè)方面都表現(xiàn)出其最大的合理性和優(yōu)越性[5]。另外,雖然在模糊控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性方面的研究已取得了一些顯著的成果,但是穩(wěn)定性理論還是很不完美,更有個(gè)別的穩(wěn)定性判決還是走傳統(tǒng)精確系統(tǒng)的李雅普諾夫準(zhǔn)備的老路線,未能實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新的方法。有的雖然已利用模糊理論對(duì)但輸入—單輸出系統(tǒng)建立了穩(wěn)定性判據(jù)條件,但對(duì)多輸入—多輸出系統(tǒng)的穩(wěn)定問(wèn)題尚未解決。至于模糊學(xué)習(xí)、系統(tǒng)分析和設(shè)計(jì),基本上還沒(méi)有一套合理而完整的方法。計(jì)算e,,ec模糊控制調(diào)節(jié)器Kp、Ki、KdPID控制算法被控對(duì)象狀態(tài)檢測(cè)r(ty(t圖4.1模糊PID控制系統(tǒng)原理圖如圖4.1所示,模糊PID控制系統(tǒng)主要是由模糊PID控制器和被控對(duì)象組成。由圖可知,模糊PID控制器由模糊控制調(diào)節(jié)器和PID控制算法兩部分共同組成;過(guò)程實(shí)測(cè)變量y(t與系統(tǒng)設(shè)定值r(t的差值e和差值變化率ec構(gòu)成了模糊PID控制系統(tǒng)的輸入變量,它們是確定數(shù)值的清晰量。經(jīng)過(guò)模糊控制調(diào)節(jié)器的模糊化、模糊推理、清晰化以后間接調(diào)節(jié)PID的比例、積分和微分系數(shù),進(jìn)而通過(guò)在線改變PID的控制算法得到可操作的確定值u。這里的u就是模糊PID控制器的輸出值。通過(guò)u的調(diào)整控制作用,最終實(shí)現(xiàn)讓誤差e和誤差變化率ec都趨近于0,從而使被控系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。由于此模糊PID控制器輸入變量有兩個(gè),輸出量控制量有三個(gè)PK、IK、DK,但是都是分別控制的,故為二維模糊控制系統(tǒng)。此時(shí),模糊規(guī)則有如下形式:ii22i11BisYthenAisXandAisXif這里i1A、Ai2和iB分別為輸入輸出論域上的模糊子集。這類模糊規(guī)則的模糊關(guān)系為:i1i2i1BAA(,(??==niyxR(4.1在實(shí)際控制系統(tǒng)中,1X一般取為控制誤差,2X一般取為誤差的變化。由于二維模糊控制器同時(shí)考慮到誤差和誤差變化率的影響,這種控制規(guī)則反映了一種非線性PD控制規(guī)律。待模糊PID控制器的結(jié)構(gòu)確定以后,接下來(lái)就可以具體的設(shè)計(jì)該結(jié)構(gòu)的模糊PID控制器。設(shè)計(jì)過(guò)程一般包括如下步驟:(1定義控制系統(tǒng)的輸入、輸出變量。根據(jù)受控系統(tǒng)所要求的檢測(cè)狀態(tài)和操作控制作用分別確定模糊控制器的輸入和輸出變量。(2定義控制系統(tǒng)中所有變量的模糊化條件。根據(jù)受控系統(tǒng)實(shí)際情況,確定輸入變量的測(cè)量范圍和輸出變量的控制作用范圍,然后確定每個(gè)變量的論域,根據(jù)變量論域安排各個(gè)變量的語(yǔ)言術(shù)語(yǔ)及其對(duì)應(yīng)的隸屬函數(shù)。(3設(shè)計(jì)控制規(guī)則庫(kù)。根據(jù)專家知識(shí)和熟練操作者的操作經(jīng)驗(yàn)將受控系統(tǒng)的控制過(guò)程用語(yǔ)言表述出來(lái)整理后建成系統(tǒng)控制規(guī)則庫(kù)。(4設(shè)計(jì)模糊推理結(jié)構(gòu)。可以用軟件在通用計(jì)算機(jī)或單片機(jī)上實(shí)現(xiàn)模糊推理算法,也可以采用專門設(shè)計(jì)的模糊推理硬件集成電路芯片來(lái)實(shí)現(xiàn)。(5確定模糊判決的方法。由于模糊控制器的輸出是一個(gè)模糊量,為了實(shí)現(xiàn)對(duì)外部設(shè)備的模糊判決方法,還需要將控制器輸出的模糊量轉(zhuǎn)化為精確量。對(duì)于三容水箱液位控制系統(tǒng)而言,所謂偏差即為實(shí)際液位值與設(shè)定值的差值,所謂偏差的變化率即為兩個(gè)相鄰時(shí)刻液位偏差的差值,偏差和偏差的變化率作為模糊控PID制器的輸入量,是精確量,模糊PID控制器的輸入接口將這些精確量轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的模糊量,這些模糊量用相應(yīng)的模糊語(yǔ)言子集表示,記為E和EC,由E、EC和模糊控制規(guī)則R,根據(jù)模糊推理規(guī)則進(jìn)行模糊決策,得到模糊控制量U,即RECEU*(?=(4.2經(jīng)過(guò)模糊控制器的清晰化處理,將模糊控制量U轉(zhuǎn)化成精確量,將得到的數(shù)字量即PID參數(shù)PK、IK、DK送給PLC,然后將PLC的輸出經(jīng)過(guò)D/A轉(zhuǎn)化成模擬量u(電壓控制信號(hào),該信號(hào)經(jīng)過(guò)放大處理最終作用于水泵,使得水箱液位向逼近設(shè)定值的方向移動(dòng)。三容水箱液位控制系統(tǒng)模糊PID控制器的設(shè)計(jì)如下:1輸入語(yǔ)言變量E、EC(1基本論域。在三容水箱液位控制系統(tǒng)中,偏差e和偏差的變化率ec的實(shí)際變化范圍為偏差e和偏差變化率ec的基本論域,分別記為[-e,e]和[-ec,ec]。(2量化論域。偏差的量化論域?yàn)閧-6,-5,…,0,…,+5,+6};偏差變化率的量化論域?yàn)閧-6,-5,…0,…,+5,+6}。(3量化因子。偏差的量化因子為eke/6=;偏差變化率的量化因子為eckec/6=。(4模糊子集。偏差的模糊子集為{NB,NM,NS,NO,PO,PS,PM,PB};偏差變化率的模糊子集為{NB,NM,NS,ZO,PS,PM,PB}。2輸出語(yǔ)言變量U(即PK、IK、DK(1確定量化論域。PK的量化論域?yàn)閧-0.6,-0.4,-0.2,0,0.2,0.4,0.6};IK的量化論域?yàn)閧-0.6,-0.4,-0.2,0,0.2,0.4,0.6};DK的量化論域?yàn)閧-0.6,-0.4,-0.2,0,0.2,0.4,0.6}。(2確定比例因子?？刂破鬏敵隽康谋壤蜃臃謩e為6/PPk=ω、6/IIk=ω、6/DDk=ω。(3確定模糊子集?？刂破鬏敵隽康哪：蛹癁閧NB,NM,NS,ZO,PS,PM,PB}。依據(jù)專家的總結(jié)經(jīng)驗(yàn),人們對(duì)事物的判斷通常采用正態(tài)分布的思維特點(diǎn),故這里對(duì)輸入輸出的語(yǔ)言變量均選用正態(tài)函數(shù)作為其隸屬函數(shù),即2((baxex--=μ。3建立模糊控制規(guī)則表根據(jù)實(shí)際操作經(jīng)驗(yàn),可對(duì)PK、IK、DK中的任意一個(gè)輸出參數(shù)建立一組由49條模糊條件語(yǔ)句構(gòu)成的控制規(guī)則,例如PK的模糊控制規(guī)則如下:(4.3將上述49條模糊條件語(yǔ)句進(jìn)行歸納,可建立PK、IK、DK模糊控制規(guī)則表,分別如表4.1~表4.3所示。PKNBNMNSZOPSPMPBPBZONSNSNMNMNBNBPMZOZONSNMNMNMNBPSPSPSZONSNSNMNMZOPMPSPSZONSNMNMNSPMPMPMPSZONSNMNMPBPBPMPMPSZOZONBPBPBPMPMPSPSZOZthenUNBECandPBEifor490ZthenUNMECandPBEifor48or30ZthenUPMECandNBEifor20ZthenUPBECandNBEif1============表4.2K模糊控制規(guī)則表IKIKNBNMNSZOPSPMPBIPBZOZOPSPMPBPBPBPMZOZOPSPMPMPBPBPSNSNSZOPSPSPMPMZONMNSNSZOPSPSPMNSNMNMNSNSZOPSPSNMNBNBNMNMNSZOZONBNBNBNBNMNMZOZO表4.3K模糊控制規(guī)則表DKDKNBNMNSZOPSPMPBDPBPSZOZOZOZOPBPBPMNMNSNSNSZOPSPSPSNBNMNSNSZOPSPSZONBNMNMNSZOPSPMNSNBNBNMNSZOPSPMNMNSNSNSNSZONSPMNBPSPSZOZOZOPBPB表中每一條模糊條件語(yǔ)句都決定一個(gè)模糊關(guān)系iR,通過(guò)49個(gè)模糊關(guān)系iR(i=1,2,…,49的“并”運(yùn)算,可分別得到三容水箱液位控制系統(tǒng)PK、IK、DK控制規(guī)則的總的模糊關(guān)系R(4.44求模糊控制器輸出應(yīng)用模糊推理合成規(guī)則,由系統(tǒng)偏差和偏差變化率的量化論域,根據(jù)輸入語(yǔ)言變量偏差E和偏差變化率EC求出相應(yīng)輸出語(yǔ)言變量PK、IK、DK的模糊集合,應(yīng)用最大隸屬度法對(duì)此模糊集合進(jìn)行模糊判決,從而可求出控制量精確值PK、IK、DK的精確值KP、TI、TD帶入式子3-3,可求出k時(shí)刻加入到被控系統(tǒng)的控制量u(k。在第二章通過(guò)對(duì)三容水箱進(jìn)行數(shù)學(xué)建模,求得該系統(tǒng)傳遞函數(shù)為:62310.0(-?+++=ssssG在Matlab的Command窗口輸入fuzzy命令,即可彈出fis(模糊推理系統(tǒng)對(duì)話框,根據(jù)模糊控制器設(shè)計(jì)構(gòu)造三容水箱液位控制系統(tǒng)的模糊推理系統(tǒng)如圖4.2~圖4.5所示。491494821===iiRRRRRR在simulink中構(gòu)造的模型如下圖示:根據(jù)公式[18]maxenKe=,maxecmKec=,luKumax=;其中n,m,l分別為eK,ecK,uK的量化等級(jí),一般取值為6。maxe,maxec,maxu分別為誤差、誤差變化率和控制輸出的論域。通過(guò)多次嘗試,最終選取比例因子和量化因子的值分別為0.5,0.01,0.06。仿真結(jié)果如圖4.7所示。scope1ke3-K-ke2-K-ke1-K-ke0.6kc0.0012den(sTransferFcnStepSaturation4Saturation3Saturation2Saturation1SaturationProduct3Product2Product11sIntegrator1du/dtDerivative14.2神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID在三容水箱中的應(yīng)用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是由很多單個(gè)神經(jīng)元進(jìn)行組合,相互聯(lián)合而成的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò),相比單神經(jīng)元它極大的提高了神經(jīng)元解決問(wèn)題的能力。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是一種大規(guī)模的并行分布式處理的非線性動(dòng)力系統(tǒng),它為智能控制提供了新的途徑,是智能控制重要的分支之一。也正是由于它具有非線性動(dòng)力學(xué)復(fù)雜性,才可以在更高層次上體現(xiàn)人腦特有的智能行為,從而為智能控制的研究提供了新的途徑。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的研究起源于1957年感知器模型的提出錯(cuò)誤!未找到引用源。,它與人工智能理論的研究幾乎同時(shí)開(kāi)始,但是在接下來(lái)40多年的時(shí)間內(nèi),并沒(méi)有像人工智能控制那樣取得巨大的成功。直到20世紀(jì)80年代,真正可行的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法才開(kāi)始被提出。隨著智能化處理在神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用,控制系統(tǒng)所面臨的挑戰(zhàn)形式愈來(lái)愈嚴(yán)峻,這也成為了促進(jìn)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制不斷發(fā)展的動(dòng)力源泉。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制的研究受到了越來(lái)越多學(xué)者的關(guān)注,一方面它可以以任意精度逼近復(fù)雜的輸出有界的非線性函數(shù);另一方面它采用分布式處理具有很強(qiáng)的容錯(cuò)性,可實(shí)現(xiàn)在線或離線計(jì)算,從而滿足所需要的控制要求。2468101214目前神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在自動(dòng)控制系統(tǒng)中的應(yīng)用幾乎涉及到了各個(gè)方面,包括系統(tǒng)辨識(shí)、非線性系統(tǒng)控制、智能控制、優(yōu)化計(jì)算以及控制系統(tǒng)的故障