模糊控制系統(tǒng)畢業(yè)論文自動(dòng)化專業(yè)

1、壓力模糊控制規(guī)則自調(diào)整設(shè)計(jì)目錄摘要 全文加332889463關(guān)鍵詞AbstractKeywords前言第1章壓力廣義對(duì)象的組成和數(shù)學(xué)模型的建立1.1壓力罐壓力廣義對(duì)象的組成部分介紹1.1.1壓力傳感器與變送器1.1.2變頻器與提升泵1.1.3壓力罐設(shè)備介紹（實(shí)驗(yàn)室過程控制裝置）1.2壓力廣義對(duì)象階躍響應(yīng)時(shí)間特性曲線1.2.1測(cè)試壓力是實(shí)驗(yàn)裝置手動(dòng)開關(guān)位置設(shè)置1.2.2測(cè)試操作步驟1.2.3測(cè)試結(jié)果曲線及有關(guān)數(shù)據(jù)1.2.4壓力廣義對(duì)象數(shù)學(xué)模型（傳遞函數(shù)）辨識(shí)第2章控制器選擇2.1未加控制器時(shí)壓力閉環(huán)控制系統(tǒng)質(zhì)量指標(biāo)分析計(jì)算2.2控制器比較與選擇2.2.1常規(guī)PID控制器2.2.2模糊控制器(1)

2、模糊PID控制器(2)模糊控制規(guī)則可調(diào)整的模糊控制器(3)選擇模糊控制規(guī)則可調(diào)整的壓力模糊控制系統(tǒng)的總體方框圖第3章模糊控制器設(shè)計(jì)3.1單輸入單輸出模糊控制器框圖3.2二維輸入一維輸出模糊控制器框圖3.3三維輸入一維輸出模糊控制器框圖3.4二維輸入一維輸出模糊控制表建立3.4.1人工控制壓力3.4.2壓力偏差變化、壓力偏差變化率及變頻器變化的模糊化3.4.3壓力控制規(guī)則設(shè)計(jì)（壓力模糊控制表的建立）3.4.4壓力模糊控制表的使用方法3.4.5壓力模糊控制表的調(diào)整方法(1)帶一個(gè)調(diào)整因子(2)帶兩個(gè)調(diào)整因子(3)帶智能權(quán)函數(shù)第4章用MATLAB/simulink仿真研究模糊控制表（控制規(guī)則）自調(diào)整

3、的方法4.1二維輸入一維輸出模糊控制表的調(diào)整4.1.1控制規(guī)則的解析描述4.1.2帶一個(gè)調(diào)整因子的模糊控制規(guī)則的壓力控制系統(tǒng)的仿真4.1.3帶兩個(gè)調(diào)整因子的模糊控制規(guī)則的壓力控制系統(tǒng)的仿真4.1.4帶自調(diào)整函數(shù)的模糊控制規(guī)則的壓力控制系統(tǒng)的仿真4.2考慮系統(tǒng)中非線性特性影響的壓力模糊控制系統(tǒng)仿真4.2.1考慮系統(tǒng)死區(qū)特性影響4.2.2考慮系統(tǒng)中飽和特性影響4.3考慮壓力廣義對(duì)象結(jié)構(gòu)參數(shù)4.3.1壓力廣義對(duì)象結(jié)構(gòu)變化（變?yōu)槎A慣性環(huán)節(jié)）4.3.2廣義對(duì)象（增益K改變?yōu)?%K0，改變?yōu)?0%K0）4.3.3廣義對(duì)象（時(shí)間常數(shù)T改變?yōu)?%T0，改變?yōu)?0%T0）4.4常規(guī)PID壓力控制系統(tǒng)仿真4.4

4、.1調(diào)整Kp、Ti、Td為最佳時(shí)仿真4.4.2考慮系統(tǒng)中死區(qū)特性影響時(shí)仿真4.4.3考慮系統(tǒng)中飽和特性影響時(shí)仿真4.4.4當(dāng)壓力廣義對(duì)象結(jié)構(gòu)參數(shù)變化時(shí)仿真第5掌壓力模糊控制規(guī)則自調(diào)整控制系統(tǒng)的組態(tài)王軟件編程5.1主程序流程圖5.2編程命令語言結(jié)論致謝參考文獻(xiàn)畢業(yè)設(shè)計(jì)小結(jié)摘 要本文對(duì)壓力模糊控制規(guī)則自調(diào)整的設(shè)計(jì)做了比較詳盡的論述，并結(jié)合MATLAB仿真軟件對(duì)控制系統(tǒng)做了仿真,得到其響應(yīng)曲線,并與PID控制方法進(jìn)行比較，從而得出模糊控制器在壓力自動(dòng)控制中具有很高的應(yīng)用價(jià)值。利用模糊控制原理，對(duì)變頻調(diào)速變壓供水系統(tǒng)進(jìn)行了研究，介紹了模糊控制策略的設(shè)計(jì)思想，采用PLC控制和變頻調(diào)速技術(shù)使系統(tǒng)得以實(shí)現(xiàn)。

5、實(shí)踐證明系統(tǒng)實(shí)時(shí)性強(qiáng)，可靠性高，對(duì)于單泵站供水具有明顯的推廣應(yīng)用價(jià)值。關(guān)鍵詞:模糊控制，控制規(guī)則自調(diào)整，仿真AbstractIn this paper, the stress rule self-tuning fuzzy control design made a more detailed discussion,and combined with MATLAB simulation software for control system simulation, get the response curve,get the response curve, and compared with P

6、ID control method,thus concluded that the fuzzy controller has the very high application value in the automatic pressure control.Using the fuzzy control principle,variable voltage variable frequency control water supply system was studied,the paper introduces the design of the fuzzy control strategy

7、,PLC control and frequency control of motor speed technology to implement system.The practices prove the system real-time performance,High safely and reliability,for a single pumping station water supply has obvious application value.Key words:fuzzy control,Self-tuning control rules,simulation前 言美國(guó)西

8、佛羅里達(dá)大學(xué)的詹姆斯教授曾舉過一個(gè)鮮明的例子。假如你不幸在沙漠迷了路，而且?guī)滋鞗]喝過水，這時(shí)你見到兩瓶水，其中一瓶貼有標(biāo)簽：“純凈水概率是0.91”，另一瓶標(biāo)著“純凈水的程度是0.91”。你選哪一瓶呢？相信會(huì)是后者。因?yàn)楹笳叩乃m然不太干凈，但肯定沒毒，這里的0.91表現(xiàn)的是水的純凈程度而非“是不是純凈水”，而前者則表明有19的可能不是純凈水。再比如“人到中年”，就是一個(gè)模糊事件，人們對(duì)“中年”的理解并不是精確的一個(gè)歲數(shù)。 從上邊的例子，可以看到模糊邏輯不是二者邏輯非此即彼的推理，它也不是傳統(tǒng)意義的多值邏輯，而是在承認(rèn)事物隸屬真值中間過渡性的同時(shí)，還認(rèn)為事物在形態(tài)和類屬方面具有亦此亦彼性、模棱

9、兩可性模糊性。正因如此，模糊計(jì)算可以處理不精確的模糊輸入信息，可以有效降低感官靈敏度和精確度的要求，而且所需要存儲(chǔ)空間少，能夠抓住信息處理的主要矛盾，保證信息處理的實(shí)時(shí)性、多功能性和滿意性。 美國(guó)加州大學(xué)L.A.Zadeh博士于1965年發(fā)表了關(guān)于模糊集的論文，首次提出了表達(dá)事物模糊性的重要概念隸屬函數(shù)。這篇論文把元素對(duì)集的隸屬度從原來的非0即1推廣到可以取區(qū)間【0，1】的任何值，這樣用隸屬度定量地描述論域中元素符合論域概念的程度，就實(shí)現(xiàn)了對(duì)普通集合的擴(kuò)展，從而可以用隸屬函數(shù)表示模糊集。模糊集理論構(gòu)成了模糊計(jì)算系統(tǒng)的基礎(chǔ)，人們?cè)诖嘶A(chǔ)上把人工智能中關(guān)于知識(shí)表示和推理的方法引入進(jìn)來，或者說把模糊

10、集理論用到知識(shí)工程中去就形成了模糊邏輯和模糊推理;為了克服這些模糊系統(tǒng)知識(shí)獲取的不足及學(xué)習(xí)能力低下的缺點(diǎn)，又把神經(jīng)計(jì)算加入到這些模糊系統(tǒng)中，形成了模糊神經(jīng)系統(tǒng)。這些研究都成為人工智能研究的熱點(diǎn)，因?yàn)樗鼈儽憩F(xiàn)出了許多領(lǐng)域?qū)＜也啪哂械哪芰?。同時(shí)，這些模糊系統(tǒng)在計(jì)算形式上一般都以數(shù)值計(jì)算為主，也通常被人們歸為軟計(jì)算、智能計(jì)算的范疇。 模糊計(jì)算在應(yīng)用上可是一點(diǎn)都不含糊，其應(yīng)用范圍非常廣泛，它在家電產(chǎn)品中的應(yīng)用已被人們所接受，例如，模糊洗衣機(jī)、模糊冰箱、模糊相機(jī)等。另外，在專家系統(tǒng)、智能控制等許多系統(tǒng)中，模糊計(jì)算也都大顯身手。究其原因，就在于它的工作方式與人類的認(rèn)知過程是極為相似的。在這里，筆者結(jié)合自己

11、的研究實(shí)踐，以一個(gè)建筑結(jié)構(gòu)選型的專家系統(tǒng)為例，說明模糊推理系統(tǒng)是如何模仿領(lǐng)域?qū)＜业乃季S進(jìn)行工作的，其中所用到的步驟、計(jì)算過程在其他模糊系統(tǒng)中也具有典型的代表性。 模糊計(jì)算方法以模糊集理論為基礎(chǔ)，它有諸如模糊信息檢索、模糊識(shí)別、模糊聚類等許多廣泛的應(yīng)用，而且由于其采用的方法也是人類大腦所采用的認(rèn)知方法，因而在社會(huì)學(xué)方面也大有用武之地。人腦也正是采用模糊的手段，極大地壓縮了信息的輸入量、處理量、存儲(chǔ)量，才得以滿意地處理所面臨的各種問題。 我們可以看到神經(jīng)計(jì)算具有學(xué)習(xí)能力，同時(shí)也具有聯(lián)想、記憶的功能，但是它的知識(shí)表達(dá)不是顯性的，而是隱含在眾多的神經(jīng)聯(lián)接強(qiáng)度中。而模糊計(jì)算正相反，它的學(xué)習(xí)能力較差，知識(shí)

12、與經(jīng)驗(yàn)的獲取很多要靠人來完成，但它的知識(shí)表達(dá)明確，貼近自然。事實(shí)上，真正實(shí)用的系統(tǒng)常常把二者合而為一、互用所長(zhǎng)、互補(bǔ)所短。無論是用模糊邏輯增強(qiáng)的ANN，還是用ANN增強(qiáng)的模糊邏輯系統(tǒng)，都可以使系統(tǒng)既具有開放的自學(xué)習(xí)、自適應(yīng)能力，又具有令人滿意的規(guī)則推理過程及結(jié)論。最近還有一種研究趨勢(shì)，將幾個(gè)BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)組合在一起來實(shí)現(xiàn)模糊規(guī)則及推理過程。 可以預(yù)見，在未來，模糊計(jì)算還會(huì)有更大的發(fā)展，其應(yīng)用也會(huì)越來越多，最終它將在高級(jí)智能系統(tǒng)中發(fā)揮不可或缺的作用。第一章壓力廣義對(duì)象的組成和數(shù)學(xué)模型的建立1.1壓力罐壓力廣義對(duì)象的組成部分介紹1.1.1壓力傳感器與變送器壓力傳感器是工業(yè)實(shí)踐中最為常用的一種傳感器。

13、一般普通壓力傳感器的輸出為模擬信號(hào)，模擬信號(hào)是指信息參數(shù)在給定范圍內(nèi)表現(xiàn)為連續(xù)的信號(hào)。 或在一段連續(xù)的時(shí)間間隔內(nèi)，其代表信息的特征量可以在任意瞬間呈現(xiàn)為任意數(shù)值的信號(hào)。而我們通常使用的壓力傳感器主要是利用壓電效應(yīng)制造而成的，這樣的傳感器也稱為壓電傳感器。圖1-1壓力傳感器壓力傳感器是使用最為廣泛的一種傳感器。傳統(tǒng)的壓力傳感器以機(jī)械結(jié)構(gòu)型的器件為主，以彈性元件的形變指示壓力，但這種結(jié)構(gòu)尺寸大、質(zhì)量輕，不能提供電學(xué)輸出。隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，半導(dǎo)體壓力傳感器也應(yīng)運(yùn)而生。其特點(diǎn)是體積小、質(zhì)量輕、準(zhǔn)確度高、溫度特性好。特別是隨著MEMS技術(shù)的發(fā)展，半導(dǎo)體傳感器向著微型化發(fā)展，而且其功耗小、可靠性高。

14、圖1-2壓力變送器壓力變送器是一種接受壓力變量,經(jīng)傳感轉(zhuǎn)換后,將壓力變化量按一定比例轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)輸出信號(hào)的儀表。變送器的輸出信號(hào)傳輸?shù)街锌厥疫M(jìn)行壓力指示、記錄或控制。當(dāng)壓力直接作用在測(cè)量膜片的表面，使膜片產(chǎn)生微小的形變，測(cè)量膜片上的高精度電路將這個(gè)微小的形變變換成為與壓力成正比的高度線性、與激勵(lì)電壓也成正比的電壓信號(hào)，然后采用專用芯片將這個(gè)電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的4-2OmA電流信號(hào)或者1-5V電壓信號(hào)。由于測(cè)量膜片采用標(biāo)準(zhǔn)話集成電路，內(nèi)部包含線性及溫度補(bǔ)償電路，所以可以做到高精度和高穩(wěn)定性，變送電路采用專用的兩線制芯片，可以保證輸出兩線制4-2OmA電流信號(hào)，方便現(xiàn)場(chǎng)接線。1.1.2變頻器與提

15、升泵 圖1-3變頻器變頻器（Variable-frequency Drive，VFD）是應(yīng)用變頻技術(shù)與微電子技術(shù)，通過改變電機(jī)工作電源頻率方式來控制交流電動(dòng)機(jī)的電力控制設(shè)備。變頻器主要由整流（交流變直流）、濾波、逆變（直流變交流）、制動(dòng)單元、驅(qū)動(dòng)單元、檢測(cè)單元微處理單元等組成。變頻器靠?jī)?nèi)部IGBT的開斷來調(diào)整輸出電源的電壓和頻率，根據(jù)電機(jī)的實(shí)際需要來提供其所需要的電源電壓，進(jìn)而達(dá)到節(jié)能、調(diào)速的目的，另外，變頻器還有很多的保護(hù)功能，如過流、過壓、過載保護(hù)等等。隨著工業(yè)自動(dòng)化程度的不斷提高，變頻器也得到了非常廣泛的應(yīng)用。 圖1-4提升泵根據(jù)提升泵的工作原理和結(jié)構(gòu)的不同，提升泵可分為纏繞式提升泵和摩

16、擦式提升泵兩大類。纏繞式提升泵根據(jù)其滾筒上的纏繩多少又分為單繩纏繞式提升泵和多繩纏繞式提升泵。單繩纏繞式提升泵根據(jù)滾筒的個(gè)數(shù)和結(jié)構(gòu)有單滾筒、雙滾筒和可分離滾筒三種型式。多繩纏繞式提升泵是一種新式提升泵，與單繩纏繞式提升機(jī)不同的是，幾根提升鋼絲繩同時(shí)纏繞在一個(gè)分段的滾筒上。摩擦式提升機(jī)根據(jù)其摩擦繩的多少可分為多繩摩擦式提升泵、單繩摩擦式提升機(jī)和內(nèi)裝式提升機(jī)幾種類型。提升設(shè)備的布置方式有塔式和落地式兩類。提升泵的工作原理：將兩根鋼絲繩的一端以相反的方向分別纏繞并固定在提升泵的兩個(gè)滾筒上：另一端繞過井架上的天輪分別與兩個(gè)提升容器連接。這樣，通過電動(dòng)機(jī)改變滾筒的轉(zhuǎn)動(dòng)方向，可將提升鋼絲繩分別在兩個(gè)滾筒上

17、纏繞和松放，以達(dá)到提升或下放容器，完成提升任務(wù)的目的。提升泵是一種圓柱形滾筒提升機(jī)，根據(jù)滾筒的數(shù)目不同，可分為雙滾筒和單滾筒兩種。雙滾筒提升泵的兩個(gè)滾筒在與軸的連接方式上有所不同：其中一個(gè)滾筒通過楔鍵或熱裝與主軸固接在一起，稱為固定滾筒（死滾筒）；另一個(gè)滾筒滑裝在主軸上，通過離合器與主軸連接，稱為游動(dòng)滾筒（活滾筒）。單滾筒提升泵只有單個(gè)滾筒，一般只用于單鉤提升。如果單滾筒提升機(jī)作雙鉤提升，則要在一個(gè)滾筒上固定兩根纏繞方向相反的提升鋼絲繩。提升機(jī)運(yùn)行時(shí)，一根鋼絲繩向滾筒上纏繞，同時(shí)，另一撤鋼絲繩自滾筒上松放。其優(yōu)點(diǎn)是，滾筒容繩表面得到了充分的利用，從而使得提升機(jī)的體積和重力較?。蝗秉c(diǎn)是，用作雙鉤

18、提升時(shí)，兩個(gè)容器分別在井口和井底水平的位置不易調(diào)整。1.1.3壓力罐設(shè)備介紹（實(shí)驗(yàn)室過程控制裝置） 圖1-5壓力罐壓力罐是利用罐內(nèi)空氣的可壓縮性來調(diào)節(jié)和貯存水量并使之保持所需壓力的，所以又叫氣壓給水設(shè)備，其作用相當(dāng)于水塔和高位水池。由于它的供水壓力是借罐內(nèi)壓縮空氣維持的，因此，罐體的安裝高度可以不受限制。但其調(diào)節(jié)水量小，壓力衰減快，機(jī)泵啟動(dòng)頻繁，運(yùn)行費(fèi)用高，不適宜用水量大和要求壓力穩(wěn)定的用戶。壓力罐一般安裝在配水泵與管網(wǎng)之間。水泵啟動(dòng)后，即向管網(wǎng)供水，多余的水則貯存至罐內(nèi)，并使罐內(nèi)水位上升，罐內(nèi)空氣受到壓縮，壓力隨之增高。當(dāng)罐內(nèi)壓力達(dá)到所規(guī)定的上限壓力值時(shí)，由管道與罐頂部相連通的電接點(diǎn)壓力表的

19、指標(biāo)接通上限觸點(diǎn)，發(fā)出信號(hào)，切斷電源，停泵。用戶繼續(xù)用水，罐內(nèi)壓縮空氣將罐內(nèi)的水壓入管網(wǎng)，水位下降，罐內(nèi)空氣壓力也隨之下降。當(dāng)降至所要求的下限壓力值時(shí)，電接點(diǎn)壓力表的指標(biāo)即接通下限觸點(diǎn)，繼電器動(dòng)作，電機(jī)與電源接通、水泵重新啟動(dòng)工作。正常情況下，水泵可在無人控制的情況下工作，并可根據(jù)用水量的變化，自行調(diào)整水泵開停次數(shù)與工作時(shí)間，保證向管網(wǎng)連續(xù)供水。壓力罐有補(bǔ)氣式和隔膜式兩種類型。補(bǔ)氣式壓力罐中空氣與水直接接觸，經(jīng)過一段時(shí)間后，空氣因漏失和溶解于水而減少，使調(diào)節(jié)水量逐漸減少。水泵啟動(dòng)漸趨領(lǐng)繁，因此需定期補(bǔ)氣。補(bǔ)氣方法有空氣壓縮機(jī)補(bǔ)氣、水射器補(bǔ)氣和定期泄空補(bǔ)氣等。隔膜式壓力罐氣水分開，水在橡膠（塑料

20、）囊內(nèi)部，外部與罐體之間的間隙預(yù)充惰性氣體，一般可充氮?dú)?。這種壓力罐沒有氣溶與水的損失問題，可一次充氣，長(zhǎng)期使用，不必設(shè)置空氣壓縮機(jī)。因此，節(jié)省了投資，簡(jiǎn)化了系統(tǒng)，擴(kuò)大了使用范圍。1.2壓力廣義對(duì)象階躍響應(yīng)時(shí)間特性曲線1.2.1測(cè)試壓力是實(shí)驗(yàn)裝置手動(dòng)開關(guān)位置設(shè)置接通密封罐的進(jìn)水和出水管道上的手動(dòng)開關(guān)F01,F02,F10,F08，關(guān)閉手動(dòng)開關(guān)F03,F04,F09,F11。 圖 1-6壓力廣義對(duì)象測(cè)試線路圖1.2.2測(cè)試操作步驟操作：第一種情況：接通密封罐的進(jìn)水和出水管道上的手動(dòng)開關(guān)F01,F02,F10,F08，關(guān)閉手動(dòng)開關(guān)F03,F04,F09,F11。放水的電動(dòng)調(diào)節(jié)閥開度為50%。接通計(jì)

21、算機(jī)電源，啟動(dòng)組態(tài)軟件KingView，進(jìn)入壓力曲線顯示圖形畫面。打開設(shè)備電源，將設(shè)備手動(dòng)開關(guān)接通，啟動(dòng)變頻器輸出設(shè)定頻率為20HZ，提升泵電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)抽水進(jìn)入壓力罐，使P增加，達(dá)到最終平衡狀態(tài)。改變提升泵頻率為30HZ，記錄壓力變化趨勢(shì)曲線，并對(duì)其特性進(jìn)行分析。1.2.3測(cè)試結(jié)果曲線及有關(guān)數(shù)據(jù)圖1-7 全文加332889463圖1-8圖1-9第一次達(dá)到穩(wěn)態(tài)值：29；第二次達(dá)到穩(wěn)態(tài)值：48；兩次穩(wěn)態(tài)值之差為：48-29=19；T1對(duì)應(yīng)的值為：19×0.4+29=7.6+29=36.6；T2對(duì)應(yīng)的值為：19×0.8+29=15.2+29=44.2；T1值為：0.25s；T2值為

22、：0.86s；1.2.4壓力廣義對(duì)象數(shù)學(xué)模型（傳遞函數(shù)）辨識(shí)0.291<0.326；T=0.523K=3.8kPa/Hz所以第2章控制器選擇2.1未加控制器時(shí)壓力閉環(huán)控制系統(tǒng)質(zhì)量指標(biāo)分析計(jì)算由上知未校正開環(huán)傳遞函數(shù)：，則未校正閉環(huán)傳遞函數(shù)：（s）=Ts=3×T=3×0.109=0.327%=02.2控制器比較與選擇2.2.1常規(guī)PID控制器 圖2-1基本模擬控制反饋回路被控量的值由傳感器或變送器來檢測(cè)，這個(gè)值與給定值進(jìn)行比較，得到偏差，模擬調(diào)節(jié)器依一定控制規(guī)律使操作變量變化，以使偏差趨近于零，其輸出通過執(zhí)行器作用于過程?？刂埔?guī)律用對(duì)應(yīng)的模擬硬件來實(shí)現(xiàn)，控制規(guī)律的修改需

23、要更換模擬硬件。PID控制簡(jiǎn)介 PID控制中的積分作用可以減少穩(wěn)態(tài)誤差, 但另一方面也容易導(dǎo)致積分飽和, 使系統(tǒng)的超調(diào)量增大。微分作用可提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度, 但其對(duì)高頻干擾特別敏感, 甚至?xí)?dǎo)致系統(tǒng)失穩(wěn)。所以, 正確計(jì)算控制器的參數(shù), 有效合理地實(shí)現(xiàn) PID控制器的設(shè)計(jì),對(duì)于PID 控制器在過程控制中的廣泛應(yīng)用具有重要的理論和現(xiàn)實(shí)意義。在PID控制系統(tǒng)中, PID控制器分別對(duì)誤差信號(hào)e（t）進(jìn)行比例、積分與微分運(yùn)算, 其結(jié)果的加權(quán)和構(gòu)成系統(tǒng)的控制信號(hào)u（t），送給對(duì)象模型加以控制。 PID控制器的數(shù)學(xué)描述為其傳遞函數(shù)可表示為: 從根本上講, 設(shè)計(jì)PID控制器也就是確定其比例系數(shù)Kp、積分系數(shù)T

24、 i 和微分系數(shù)T d , 這三個(gè)系數(shù)取值的不同, 決定了比例、積分和微分作用的強(qiáng)弱?？刂葡到y(tǒng)的整定就是在控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)已經(jīng)確定、控制儀表和控制對(duì)象等處在正常狀態(tài)的情況下, 適當(dāng)選擇控制器的參數(shù)使控制儀表的特性和控制對(duì)象的特性相配合, 從而使控制系統(tǒng)的運(yùn)行達(dá)到最佳狀態(tài), 取得最好的控制效果。下面介紹基于MATLAB的 Ziegler-Nichols算法PID控制器設(shè)計(jì)。一、模擬PID控制系統(tǒng)組成 圖2-2 模擬PID控制系統(tǒng)原理框圖二、模擬PID調(diào)節(jié)器的微分方程和傳輸函數(shù)PID調(diào)節(jié)器是一種線性調(diào)節(jié)器，它將給定值r(t)與實(shí)際輸出值c(t)的偏差的比例(P)、積分(I)、微分(D)通過線性組合構(gòu)

25、成控制量，對(duì)控制對(duì)象進(jìn)行控制。 1、PID調(diào)節(jié)器的微分方程 式中 2、PID調(diào)節(jié)器的傳輸函數(shù) 三、PID調(diào)節(jié)器各校正環(huán)節(jié)的作用1、比例環(huán)節(jié)：即時(shí)成比例地反應(yīng)控制系統(tǒng)的偏差信號(hào)e(t)，偏差一旦產(chǎn)生，調(diào)節(jié)器立即產(chǎn)生控制作用以減小偏差。2、積分環(huán)節(jié)：主要用于消除靜差，提高系統(tǒng)的無差度。積分作用的強(qiáng)弱取決于積分時(shí)間常數(shù)TI，TI越大，積分作用越弱，反之則越強(qiáng)。3、微分環(huán)節(jié)：能反應(yīng)偏差信號(hào)的變化趨勢(shì)(變化速率)，并能在偏差信號(hào)的值變得太大之前，在系統(tǒng)中引入一個(gè)有效的早期修正信號(hào)，從而加快系統(tǒng)的動(dòng)作速度，減小調(diào)節(jié)時(shí)間。2.2.2模糊控制器（1）模糊PID控制器1.控制器結(jié)構(gòu)：圖2-32.模糊化由PID各

26、個(gè)參數(shù)對(duì)系統(tǒng)的影響得到：(a)當(dāng)誤差|e|較大時(shí)，說明誤差的絕對(duì)值較大，不論誤差的變化趨勢(shì)如何，都應(yīng)該考慮控制器的Kp取較大值，以提高響應(yīng)的快速性；而為防止因?yàn)閨ec|瞬時(shí)過大，kd應(yīng)該取較小的值；為控制超調(diào)，ki也應(yīng)該取值很小。(b)當(dāng)誤差|e|在中等大小時(shí)，為保證系統(tǒng)的相應(yīng)速度并控制超調(diào)，應(yīng)減小Kp，Ki值應(yīng)增大，Kd應(yīng)適中。(c)當(dāng)誤差|e|較小時(shí)，為保證系統(tǒng)具有良好的穩(wěn)態(tài)特性，應(yīng)加大Kp、Ki的取值，同時(shí)為避免產(chǎn)生振蕩，Kd的取值應(yīng)該和|ec|聯(lián)系起來。模糊PID控制根據(jù)系統(tǒng)運(yùn)行的不同狀態(tài)，考慮Kp、Ki、Kd三者的關(guān)聯(lián)，根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)模糊整定這三個(gè)參數(shù)，選擇輸入語言變量為誤差e和偏

27、差變化率ec，語言變量值取NB，NM，NS，0，PS，PM，PB七個(gè)模糊值；選擇輸出語言變量為Kp，Ki，Kd語言變量值也取NB，NM，NS，0，PS，PM，PB七個(gè)模糊值，建立Kp，Ki，Kd的模糊規(guī)則表如下表1、表2、表3（2）模糊控制規(guī)則可調(diào)整的模糊控制器參數(shù)可調(diào)整的模糊PID控制器系統(tǒng)主要由參數(shù)可調(diào)整的PlD控制器和模糊控制器兩部分構(gòu)成，模糊控制器以控制系統(tǒng)的誤差和誤差的變化率為輸入，采用模糊推理的方法實(shí)現(xiàn)對(duì)PID控制器的三個(gè)參數(shù)即比例系數(shù)KD、積分時(shí)間常數(shù)TI和微分時(shí)間常數(shù)Td的在線自動(dòng)整定；參數(shù)可調(diào)整PID控制器通過模糊控制的結(jié)果實(shí)現(xiàn)對(duì)控制系統(tǒng)的PID控制，其結(jié)構(gòu)如圖l所示。圖2-

28、4（3）選擇模糊控制規(guī)則可調(diào)整的壓力模糊控制系統(tǒng)的總體方框圖圖2-5 第3章模糊控制器設(shè)計(jì) 3.1單輸入單輸出模糊控制器框圖一維模糊控制器 如圖所示，一維模糊控制器的輸入變量往往選擇為受控量和輸入給定的偏差量E。由于僅僅采用偏差值，很難反映過程的動(dòng)態(tài)特性品質(zhì)，因此，所能獲得的系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能是不能令人滿意的。這種一維模糊控制器往往被用于一階被控對(duì)象。3.2二維輸入一維輸出模糊控制器框圖二維模糊控制器 如圖所示，二維模糊控制器的兩個(gè)輸入變量基本上都選用受控變量和輸入給定的偏差E和偏差變化EC，由于它們能夠較嚴(yán)格地反映受控過程中輸出變量的動(dòng)態(tài)特性，因此，在控制效果上要比一維控制器好得多，也是目前采用較

29、廣泛的一類模糊控制器3.3三維輸入一維輸出模糊控制器框圖三維模糊控制器 如圖所示，三維模糊控制器的三個(gè)輸入變量分別為系統(tǒng)偏差量E、偏差變化量EC和偏差變化的變化率ECC。由于這些模糊控制器結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，推理運(yùn)算時(shí)間長(zhǎng)，因此除非對(duì)動(dòng)態(tài)特性的要求特別高的場(chǎng)合，一般較少選用三維模糊控制器。3.4二維輸入一維輸出模糊控制表建立3.4.1人工控制壓力廣義對(duì)象的過程 在自動(dòng)控制技術(shù)產(chǎn)生之前，人們?cè)谏a(chǎn)過程中只能采用手動(dòng)控制方式。手動(dòng)控制過程首先是通過觀測(cè)被控對(duì)象的輸出，其次是根據(jù)觀測(cè)結(jié)果作出決策，然后手動(dòng)調(diào)整輸入，操作工人就是這樣不斷地觀測(cè)決策調(diào)整，實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)過程的手動(dòng)控制。這三個(gè)步驟分別是由人的眼-腦-手

30、來完成的。后來，由于科學(xué)和技術(shù)的進(jìn)步，人們逐漸采用各種測(cè)量裝置（如測(cè)量?jī)x表、檢測(cè)裝置、傳感器等）代替人的眼，完成對(duì)被控制量的觀測(cè)任務(wù)；利用各種控制器（如磁放大器，由直流運(yùn)算放大器加阻容反饋網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成的PID調(diào)節(jié)器等）部分地取代人腦的作用，實(shí)現(xiàn)比較、綜合被控制量與給定量之間的偏差，控制器所給出的輸出信號(hào)相當(dāng)于手動(dòng)控制過程中人腦的決策；使用各種執(zhí)行機(jī)構(gòu)（主要是電動(dòng)的、氣動(dòng)的，如伺服電機(jī)、氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥等）對(duì)被控對(duì)象（或生產(chǎn)過程）施加某種控制作用，這就起到了手動(dòng)中手的作用。 上述由測(cè)量裝置、控制器、被控對(duì)象及執(zhí)行機(jī)構(gòu)組成的自動(dòng)控制系統(tǒng)，就是人們所悉知的常規(guī)負(fù)反饋控制系統(tǒng)。增益改變?yōu)?5%K0增益改變?yōu)?1

31、0%K01、 結(jié)構(gòu)分析增益改變?yōu)?5%K0時(shí)的仿真圖像如上圖，質(zhì)量指標(biāo)符合要求超調(diào)：3.53%調(diào)節(jié)時(shí)間：1.425s穩(wěn)態(tài)誤差：0.005增益改變?yōu)?10%K0時(shí)的仿真結(jié)果如上圖所示，超調(diào)：5.06%調(diào)節(jié)時(shí)間：1.372s穩(wěn)態(tài)誤差：0.009增益改變?yōu)?5%K0時(shí)的仿真結(jié)果如上圖所示，質(zhì)量指標(biāo)符合要求超調(diào)：2.19%調(diào)節(jié)時(shí)間：1.5467s穩(wěn)態(tài)誤差：0.005增益改變?yōu)?10%K0時(shí)的仿真結(jié)果如上圖所示，質(zhì)量指標(biāo)符合要求超調(diào)：3.06%調(diào)節(jié)時(shí)間：1.6172穩(wěn)態(tài)誤差：0.0064.3.3廣義對(duì)象（時(shí)間常數(shù)T改變?yōu)?%T0，改變?yōu)?0%T0）1、 仿真結(jié)構(gòu)圖時(shí)間常數(shù)T改變?yōu)?5%T0時(shí)間常數(shù)T改變

32、為+10%T0時(shí)間常數(shù)T改變?yōu)?5%T0時(shí)間常數(shù)T改變?yōu)?10%T0結(jié)果分析時(shí)間常數(shù)改變?yōu)?5%T0的仿真圖像如上圖所示，質(zhì)量指標(biāo)符合要求超調(diào)：3.44%調(diào)節(jié)時(shí)間：1.5055穩(wěn)態(tài)誤差：0.006時(shí)間常數(shù)改變?yōu)?10%T0時(shí)的仿真結(jié)果如上圖所示，質(zhì)量指標(biāo)符合要求超調(diào)：4.06%調(diào)節(jié)時(shí)間：1.5275s穩(wěn)態(tài)誤差：0.007時(shí)間常數(shù)改變?yōu)?5%T0的仿真圖像如上圖所示，質(zhì)量指標(biāo)符合要求超調(diào)：2.17%調(diào)節(jié)時(shí)間：1.4602穩(wěn)態(tài)誤差：0.005時(shí)間常數(shù)改變?yōu)?10%T0時(shí)的仿真結(jié)果如上圖所示，質(zhì)量指標(biāo)符合要求超調(diào)：2.73%調(diào)節(jié)時(shí)間：1.4371s穩(wěn)態(tài)誤差：0.0064.4常規(guī)PID壓力控制系統(tǒng)仿真

33、4.4.1調(diào)整Kp、Ti、Td為最佳時(shí)仿真1、 仿真結(jié)構(gòu)圖2、 結(jié)果分析超調(diào)：1.0347調(diào)節(jié)時(shí)間：0.52穩(wěn)態(tài)誤差：04.4.2考慮系統(tǒng)中死區(qū)特性影響時(shí)仿真1、 仿真結(jié)構(gòu)圖2、 結(jié)果分析超調(diào)：7.4%調(diào)節(jié)時(shí)間：5.7927穩(wěn)態(tài)誤差：04.4.3考慮系統(tǒng)中飽和特性影響時(shí)仿真1、 仿真結(jié)構(gòu)圖2、 結(jié)果分析超調(diào)：15.83%調(diào)節(jié)時(shí)間：0.6598穩(wěn)態(tài)誤差：04.4.4當(dāng)壓力廣義對(duì)象結(jié)構(gòu)參數(shù)變化時(shí)仿真1、 仿真結(jié)構(gòu)圖2、 結(jié)果分析超調(diào)：48.27%調(diào)節(jié)時(shí)間：0.6757穩(wěn)態(tài)誤差：0結(jié)果比較（1）模糊控制之間的比較結(jié)果是：智能權(quán)函數(shù)的質(zhì)量指標(biāo)最優(yōu)；（2）模糊控制變化K、T、結(jié)構(gòu)后，質(zhì)量指標(biāo)基本達(dá)標(biāo)；（

34、3）模糊控制線性的比非線性的控制好，且非線性的質(zhì)量指標(biāo)基本達(dá)標(biāo)；（4）常規(guī)PID控制比模糊控制控制性能差一些；（5）常規(guī)PID控制的線性的比非線性的控制好一些，且非線性的質(zhì)量指標(biāo)有的不符合要求。第5章壓力模糊控制規(guī)則自調(diào)整控制系統(tǒng)的組態(tài)王軟件編程5.1主程序流程圖開始 設(shè)置常量：Ts、Ke、Kec、Ku、Ki、Kf設(shè)置變量：R、Y、e、ec、E、EC、EA、ECA、Dui、DKi、I、DIO、DOO；定義函數(shù)DKi(I)輸入模糊控制表 全文加332889463啟動(dòng)A/D,Y(k)存入存儲(chǔ)器Yk；Y（k-1）存入存儲(chǔ)器Yk1； e（k）=R（k）-Y（k）存入存儲(chǔ)器ek; e（k-1）=R（k-

35、1）-Y（k-1）存入存儲(chǔ)器ek1; ec（k）=e(k)-e(k-1)/Ts存入存儲(chǔ)器eck; E(k)=Ke*e(k)存入存儲(chǔ)器Ek； Ec(k)=Kec*ec(k)存入存儲(chǔ)器Eck； E(k)限幅后存入存儲(chǔ)器EK; EC(k)限幅后存入存儲(chǔ)器ECK; E(k)取絕對(duì)值存入存儲(chǔ)器EAK; EC(k)取絕對(duì)值存入存儲(chǔ)器ECAK; I=minEK+6,12;查控制表DKi（I）DU1K1DU1KEK1EKYK1YK計(jì)算：DUi（I）*EK*KE存入存儲(chǔ)器DUiK e=EKA/（EKA+ECKA） ec=EKA/（EKA+ECKA） DU1K=e*EK+ec*ECK UK=DU1K+DU1K1+

36、DIiK U=Uk*KfD/A5.2編程命令語言設(shè)置變量：被控量的給定值R；被控量的當(dāng)前采樣值Yk；被控量前一采樣周期的值Yk1；偏差量的當(dāng)前值ek；偏差量當(dāng)前值模糊化后的值Ek；偏差前一采樣周期的值ek1；模糊化后的值EK1；偏差量變化速率當(dāng)前值eck；偏差量變化速率模糊化的值ECk；偏差前一采樣周期的值eck1；模糊化后的值ECK1；模糊控制表的行列變量i,j；模糊控制表當(dāng)前輸出值DKiK；自調(diào)整輸出當(dāng)前值DU1K；前一采樣周期的自調(diào)整輸出DU1K1自調(diào)整模糊控制器總輸出UKA/D啟動(dòng)開關(guān) DIO=1：A/D工作；DIO=0：A/D停止工作D/A啟動(dòng)開關(guān) DOO=1：D/A工作；DOO=0

37、：D/A停止工作定義函數(shù)DKi（I）；I，行向量1,13命令語句：建立模糊控制規(guī)則表：long nret=Report set cell vallue,1(“模糊控制規(guī)則表1”I,1,13；J,1,13；”控制增量DU1“)實(shí)型設(shè)置結(jié)果1=Report set cell value.1(“模糊控制規(guī)則表1”I,1,13；J,1,13；”控制增量DU1“)存儲(chǔ)控制規(guī)則表：Long nret=Report SAVE AS（”模糊控制表1”路徑文件）;Long nret=Report SAVE AS（”模糊控制表“路徑文件）控制命令語言：If(“本站點(diǎn)DIO=0)本站點(diǎn)存儲(chǔ)器Uk=0;本站點(diǎn)存儲(chǔ)器U

38、k1=0;本站點(diǎn)存儲(chǔ)器Uk=0;本站點(diǎn)存儲(chǔ)器Uk1=0;本站點(diǎn)存儲(chǔ)器DU1k=0;本站點(diǎn)存儲(chǔ)器DU1K1=0;本站點(diǎn)存儲(chǔ)器Yk=0;本站點(diǎn)存儲(chǔ)器Yk1=0;本站點(diǎn)存儲(chǔ)器ek=0;本站點(diǎn)存儲(chǔ)器ek1=0;Else本站點(diǎn)存儲(chǔ)器Yk1=本站點(diǎn)存儲(chǔ)器Yk; 本站點(diǎn)存儲(chǔ)器Yk=本站點(diǎn)測(cè)量值Y; 本站點(diǎn)存儲(chǔ)器Ek1=本站點(diǎn)存儲(chǔ)器Ek; 本站點(diǎn)存儲(chǔ)器U1k1=本站點(diǎn)存儲(chǔ)器U1k;If(本站點(diǎn)存儲(chǔ)器Yk=!本站點(diǎn)存儲(chǔ)器RK)&&(本站點(diǎn)DIO=1）本站點(diǎn)存儲(chǔ)器ek=本站點(diǎn)給定值Rk-本站點(diǎn)存儲(chǔ)器Yk);本站點(diǎn)存儲(chǔ)器ek1=(本站點(diǎn)存儲(chǔ)器Rk1-本站點(diǎn)存儲(chǔ)器Yk1);本站點(diǎn)存儲(chǔ)器eck=(本站點(diǎn)

39、存儲(chǔ)器ek-本站點(diǎn)存儲(chǔ)器ewk1)/Ts;本站點(diǎn)存儲(chǔ)器Ek=Ke*本站點(diǎn)存儲(chǔ)器ek;本站點(diǎn)存儲(chǔ)器Eck=Kec*本站點(diǎn)存儲(chǔ)器eckIf(本站點(diǎn)存儲(chǔ)器Ek>6)If(本站點(diǎn)存儲(chǔ)器Ek=6)If(本站點(diǎn)存儲(chǔ)器Ek<-6)If(本站點(diǎn)存儲(chǔ)器Ek=-6)If(本站點(diǎn)存儲(chǔ)器ECk>6)If(本站點(diǎn)存儲(chǔ)器ECk=6)If(本站點(diǎn)存儲(chǔ)器ECk<-6)If(本站點(diǎn)存儲(chǔ)器ECk=-6)本站點(diǎn)存儲(chǔ)器I=min(本站點(diǎn)存儲(chǔ)器Ek+6),12;本站點(diǎn)存儲(chǔ)器DUiK=Report get value.1”模糊控制表1”,本站點(diǎn)存儲(chǔ)器I);本站點(diǎn)存儲(chǔ)器DUiK=Ki*本站點(diǎn)存儲(chǔ)器DKiK*EK;本站點(diǎn)存儲(chǔ)器EKA=本站點(diǎn)存儲(chǔ)器EK取絕對(duì)值；本站點(diǎn)存儲(chǔ)器ECKA=本站點(diǎn)存儲(chǔ)器ECK取絕對(duì)值；本站點(diǎn)存儲(chǔ)器e=本站點(diǎn)存儲(chǔ)器EKA/（本站點(diǎn)存儲(chǔ)器EKA+本站點(diǎn)存儲(chǔ)器ECKA）；本站點(diǎn)存儲(chǔ)器ec=本站點(diǎn)存儲(chǔ)器ECKA/（本站點(diǎn)存儲(chǔ)器EKA+本站點(diǎn)存儲(chǔ)器ECKA);本站點(diǎn)存儲(chǔ)器ec=本站點(diǎn)存儲(chǔ)器ECKA/（本站點(diǎn)存儲(chǔ)器EKA+本站點(diǎn)存儲(chǔ)器ec*本站點(diǎn)存儲(chǔ)器ECKA;本站點(diǎn)存儲(chǔ)器Uk=本站點(diǎn)存儲(chǔ)器DU1K+本站點(diǎn)存儲(chǔ)器DU1K1+本站點(diǎn)存儲(chǔ)器DUiK;本站點(diǎn)存儲(chǔ)器u=本站點(diǎn)存儲(chǔ)器Uk*KfIf(本站點(diǎn)提升泵頻率f<=10)本站點(diǎn)提升泵頻率f<=10;If(本站點(diǎn)提升泵