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文檔簡介
1、<p> 基于fuzzy-pid控制器的雙容水箱液位控制系統(tǒng)仿真設(shè)計說明書</p><p><b> 第一章 前言</b></p><p><b> 1.1 設(shè)計背景</b></p><p> 雙容水箱為工業(yè)過程控制中常見的液位控制對象,它通過調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)閥的開度,使上下水箱的輸入、輸出水流量相等,以便液位保
2、持不變。在水箱系統(tǒng)中,上、下位水箱的水量變化存在延時,而外界的干擾又會導(dǎo)致增益、延時的變化。針對液位控制過程中存在大滯后、時變、非線性的特點,為適應(yīng)復(fù)雜系統(tǒng)的控制要求,人們研制了種類繁多的先進的智能控制器,模糊PID控制器便是其中之一,模糊PID控制結(jié)合了PID控制算法和模糊控制方法的優(yōu)點,可以在線實現(xiàn)PID參數(shù)的調(diào)整,使控制系統(tǒng)的響應(yīng)速度快,過渡過程時間大大縮短,超調(diào)量減少,振蕩次數(shù)少,具有較強的魯棒性和穩(wěn)定性,在模糊控制中扮演著十分
3、重要的角色 </p><p><b> 1.2 設(shè)計意義</b></p><p> PID控制是生產(chǎn)過程中最普遍使用的控制方法,在冶金、機械、化工等行業(yè)獲得廣泛應(yīng)用。隨著工業(yè)生產(chǎn)和現(xiàn)代化科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展,各個領(lǐng)域?qū)ψ詣涌刂葡到y(tǒng)控制性能的要求越來越高。實際的工業(yè)生產(chǎn)過程中往往具有非線性、時變性等不確定的干擾,常規(guī)PID控制器經(jīng)常出現(xiàn)參數(shù)整定不良、控制性能欠佳且適應(yīng)
4、性較差等缺點。</p><p> 模糊控制可以把人類語言表述的控制策略,通過模糊集合和模糊邏輯推理轉(zhuǎn)化成數(shù)字或數(shù)字函數(shù),再用計算機去實現(xiàn)既定的控制。常規(guī)的模糊控制缺少積分環(huán)節(jié),加之模糊控制器特有的量化過程,模糊控制是存在靜態(tài)誤差的,而通過給模糊控制器并聯(lián)積分器成功地消除了靜態(tài)誤差。</p><p> 智能控制與常規(guī)PID控制相結(jié)合,形成了智能PID控制,這種新型控制器已引起人們的普遍關(guān)
5、注和極大興趣,并已得到較為廣泛的應(yīng)用。模糊PID控制可以根據(jù)系統(tǒng)的運行狀態(tài)在線整定PID控制器參數(shù),使系統(tǒng)的運行性能有很大的提升。</p><p> 本設(shè)計建立了串聯(lián)雙容水箱液位控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型,應(yīng)用Matlab軟件對PID算法、模糊PID算法進行了仿真。</p><p> 第二章 被控對象的分析與建模</p><p> 該系統(tǒng)控制的是有純延遲環(huán)節(jié)的二階雙容
6、水箱,示意圖如下圖2.1:</p><p> 其中分別為水箱的底面積,為水流量,為閥門1、2的阻力,稱為液阻或流阻,經(jīng)線性化處理,有:。則根據(jù)物料平衡對水箱1有:</p><p><b> 拉式變換得:</b></p><p><b> 對水箱2: </b></p><p><b>
7、 拉式變換得:</b></p><p> 則對象的傳遞函數(shù)為:</p><p> 其中為水箱1的時間常數(shù),水箱2的時間常數(shù),K為雙容對象的放大系數(shù)。若系統(tǒng)還具有純延遲,則傳遞函數(shù)的表達式為:</p><p> 其中為延遲時間常數(shù)。</p><p> 第三章 設(shè)計理論及仿真過程</p><p>
8、3.1設(shè)計理論及分析方法</p><p> 3.1.1 PID控制器</p><p> PID控制是最早發(fā)展起來的控制策略之一,因為它所涉及的設(shè)計算法和控制結(jié)構(gòu)都很簡單,且十分適用于工程應(yīng)用背景,此外PID控制方案并不要求精確的受控對象的數(shù)學(xué)模型,且采用PID控制效果一般是比較令人滿意的,所以PID控制器是一種應(yīng)用比較廣泛的控制器。</p><p> 工業(yè)生產(chǎn)
9、過程中,對于生產(chǎn)裝置的溫度、壓力、流量、液位等工藝變量常常要求維持在一定的數(shù)值上,或按一定的規(guī)律變化,以滿足生產(chǎn)工藝的要求。PID控制器是根據(jù)PID控制原理對整個控制系統(tǒng)進行偏差調(diào)節(jié),從而使被控變量的實際值與工藝要求的預(yù)定值一致。</p><p> 模擬PID控制器的原理圖3.1如圖所示:</p><p> 圖3.1模擬PID控制器原理圖</p><p> r
10、(t)為系統(tǒng)給定值,c(t)為實際輸出,u(t)為控制量。</p><p> PID控制器是一種線性控制器,經(jīng)過離散化處理的數(shù)字PID公式為:</p><p> 式中:kp為比例系數(shù);ki為積分系數(shù);kd為微分系數(shù)。</p><p> 比例調(diào)節(jié)作用:按比例反應(yīng)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)作用用以減少偏差。比例作用大,可以加快調(diào)節(jié),減少誤
11、差,但是過大的比例,使系統(tǒng)的穩(wěn)定性下降,甚至造成系統(tǒng)的不穩(wěn)定。 </p><p> 積分調(diào)節(jié)作用:使系統(tǒng)消除穩(wěn)態(tài)誤差,提高無差度。因為有誤差,積分調(diào)節(jié)就進行,直至無差,積分調(diào)節(jié)停止,積分調(diào)節(jié)輸出一常值。積分作用的強弱取決與積分時間常數(shù)Ti,Ti越小,積分作用就越強。反之Ti大則積分作用弱,加入積分調(diào)節(jié)可使系統(tǒng)穩(wěn)定性下降,動態(tài)響應(yīng)變慢。積分作用常與另兩種調(diào)節(jié)規(guī)律結(jié)合,組成PI調(diào)節(jié)器或PID調(diào)節(jié)器。 </p&
12、gt;<p> 微分調(diào)節(jié)作用:反映系統(tǒng)偏差信號的變化率,具有預(yù)見性,能預(yù)見偏差變化的趨勢,因此能產(chǎn)生超前的控制作用,在偏差還沒有形成之前,已被微分調(diào)節(jié)作用消除。因此,可以改善系統(tǒng)的動態(tài)性能。在微分時間選擇合適情況下,可以減少超調(diào),減少調(diào)節(jié)時間。微分作用對噪聲干擾有放大作用,因此過強的加微分調(diào)節(jié),對系統(tǒng)抗干擾不利。此外,微分反應(yīng)的是變化率,而當(dāng)輸入沒有變化時,微分作用輸出為零。微分作用不能單獨使用,需要與另外兩種調(diào)節(jié)規(guī)律相
13、結(jié)合,組成PD或PID控制器。</p><p> 3.1.2模糊PID控制器</p><p> PID控制器的參數(shù)整定是一件非常令人頭痛的事。合理的PID參數(shù)通常由經(jīng)驗豐富的技術(shù)人員在線整定。在控制對象有很大的時變性和非線性的情況下,一組整定好的PID參數(shù)遠遠不能滿足系統(tǒng)的要求。為此,引入了一套模糊PID控制算法。</p><p> 所謂模糊PID控制器,即利
14、用模糊邏輯算法并根據(jù)一定的模糊規(guī)則對PID控制的比例、積分、微分系數(shù)進行實時優(yōu)化,以達到較為理想的控制效果,模糊PID控制共包括參數(shù)模糊化、模糊規(guī)則推理、參數(shù)解模糊、PID控制器等幾個重要組成部分。計算機根據(jù)所設(shè)定的輸入和反饋信號,計算實際位置和理論位置的偏差以及當(dāng)前的偏差變化,并根據(jù)模糊規(guī)則進行模糊推理,最后對模糊參數(shù)進行解模糊,輸出PID控制器的比例、積分、微分系數(shù)。</p><p> 本設(shè)計通過PID控制
15、器實現(xiàn)對系統(tǒng)的控制,模糊推理系統(tǒng)以誤差e作為輸入,采用模糊推理方法對PID參數(shù)kp、ki、kd進行在線整定,以滿足不同誤差e對控制器參數(shù)的要求。圖3.2為模糊PID控制的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。</p><p> 圖3.2模糊PID系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖</p><p> 模糊PID算法參數(shù)整定的原則是當(dāng)偏差e的絕對值較大,系統(tǒng)處于響應(yīng)階段,為加快響應(yīng)速度并防止開始時偏差e瞬間變大,需取較大的kp,為了防止積
16、分飽和,應(yīng)取較小的ki,同時為了防止微分飽和,避免系統(tǒng)響應(yīng)出現(xiàn)較大的超調(diào),應(yīng)減小微分的作用。</p><p> 3.2 雙容水箱液位控制系統(tǒng)的仿真過程</p><p> 為了驗證PID模糊控制器的控制效果,用Matlab/Simulink軟件進行仿真,通過對雙容水箱液位控制的分析,在了解其控制過程性能特點的基礎(chǔ)上,選用其功能強大的MATLAB進行仿真。MATLAB是現(xiàn)今流行的一種高性能
17、數(shù)值計算與圖形顯示的科學(xué)和工程計算軟件,基本單位為矩陣,并且矩陣的行和列無需定義,可隨時添加和修改,有極強的可擴展性,主要包括主程序,SLMULINK和工具箱。</p><p> MATLAB/SIMULINK是一個用來對動態(tài)系統(tǒng)進行建模、仿真和分析的軟件包,它具有模塊化、可重載、可封裝、面向結(jié)構(gòu)圖編程及可視化等特點,可大大提高系統(tǒng)仿真的效率和可靠性。MATLAB的優(yōu)化工具箱中提供了一系列用于解決無約束和有約束
18、問題的優(yōu)化函數(shù),可以方便地用來對普通非線性函數(shù)求解極大或極小值。利用SIMULINK和優(yōu)化工具箱,用仿真與優(yōu)化有機結(jié)合以實現(xiàn)PID控制器參數(shù)的優(yōu)化。在換熱器動態(tài)特性分析基礎(chǔ)上,設(shè)計簡便演示程序,這樣可以方便的觀察雙容水箱液位的仿真曲線; 采用fuzzy-pid控制器的雙容水箱液位控制系統(tǒng)仿真框圖如圖4.1所示:</p><p> 圖4.1系統(tǒng)仿真框圖</p><p> 仿真曲線如下圖4
19、.2所示:</p><p><b> 圖4.2仿真曲線圖</b></p><p> 運行仿真程序,得到如圖4.2所示的仿真結(jié)果。圖中黃線表示PID控制器仿真曲線圖,紅線標(biāo)示fuzzy-pid控制器的仿真曲線圖。從圖中可以知道,在階躍響應(yīng)下,與傳統(tǒng)PID仿真圖,fuzzy-pid控制器的仿真曲線圖的上升時間和調(diào)節(jié)時間大大縮小,超調(diào)量明顯減小,大大提高了系統(tǒng)的動態(tài)性能
20、。</p><p> 本設(shè)計以雙容水箱的液位控制系統(tǒng)為被控對象,采用將常規(guī)PID控制與模糊PID控制相結(jié)合的控制策略,仿真結(jié)果表明模糊PID對液位的控制不僅具有良好的動靜態(tài)品質(zhì),而且具有較強參數(shù)時變的適應(yīng)能力。</p><p><b> 第四章 設(shè)計總結(jié)</b></p><p> 本次設(shè)計是對fuzzy-pid控制器的雙容水箱液位控制系統(tǒng)
21、系統(tǒng)的仿真,通過對相應(yīng)控制系統(tǒng)的設(shè)計、分析及仿真,來不斷地對控制系統(tǒng)參數(shù)進行整定和修改,最終使系統(tǒng)達到穩(wěn)定狀態(tài)。</p><p> 經(jīng)過這一周的Matlab課程設(shè)計,讓我認識到了Matlab在各個領(lǐng)域的重要性,同時也對Matlab這門學(xué)科有了更深入地了解。這次課程設(shè)計使自己學(xué)到了很多知識,更進一步地加深了自己對Matlab/Simulink軟件的認識與了解。除此之外,還學(xué)到了很多在書本上所沒有學(xué)到的知識,并且提
22、高了自己查閱資料、分析問題、解決問題的能力,也使自己對控制系統(tǒng)仿真的整體性有了一定的了解。</p><p> 我覺得想要學(xué)好MATLAB是不容易的,這是一件需要持之以恒的事,必須要堅持不懈的學(xué)習(xí),還需要敢于開口向別人請教,更需要我們勤于思考,勤于記憶,勤于動手。程序設(shè)計是實踐性和操作性很強的事情,需要我們親自動手。因此,我們應(yīng)該經(jīng)常自己動手實際操作設(shè)計程序,熟悉MATLAB的操作,這對提高我們的操作能力非常有效
23、。</p><p> 我的課程設(shè)計能夠順利完成,首先要感謝學(xué)校和老師能給予我們這次課程設(shè)計的機會。其次要感謝我的指導(dǎo)老師梁老師,在設(shè)計的過程當(dāng)中梁老師給予了我熱情的幫助和悉心的指導(dǎo),在此我要向她說聲謝謝。通過這次理論與實際結(jié)合的學(xué)習(xí),加深了我對專業(yè)知識的學(xué)習(xí),更重要的是鍛煉了我的能力,這次設(shè)計在不斷的復(fù)習(xí)、學(xué)習(xí)中度過,使我受益匪淺,也使我對Matlab的運用有了進一步的了解和掌握,也為今后的學(xué)習(xí)生活和工作打下良
24、好的基礎(chǔ)。</p><p><b> 參考文獻</b></p><p> [1] 李國勇,控制系統(tǒng)數(shù)字仿真與CAD[M],北京:電子工業(yè)出版社,2003,9</p><p> [2] 王丹力,MATLAB控制系統(tǒng)設(shè)計仿真應(yīng)用[M],北京:中國電力出版社,2007,9</p><p> [3] 薛定宇,控制系統(tǒng)仿真
25、與計算機輔助設(shè)計[M],北京:機械工業(yè)出版社,2005,1</p><p> [4] 金以慧,過程控制[M],北京:清華大學(xué)出版社,2003,6</p><p> [5] 劉金琨. 先進PID控制及其MATLAB仿真[M] . 北京:電子工業(yè)出版社,2003,</p><p> [6] 薛定宇. 控制系統(tǒng)計算機輔助設(shè)計—MATLAB語言及應(yīng)用[M]. 北京:清
26、華大學(xué)出版社,1996</p><p> [7] 易繼鍇. 智能控制技術(shù)[M]. 北京:北京工業(yè)大學(xué)出版社,2003.</p><p> [8] 李國勇. 控制系統(tǒng)數(shù)字仿真與CAD[M]. 北京:電子工業(yè)出版社,2011.</p><p> [9] 邵裕森. 過程控制及儀表[M]. 上海:上海交通大學(xué)出版社,1995.</p><p>
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