基于PLC的模糊控制設(shè)計(jì)

1、中北大學(xué)2013屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書第 頁共37頁概述1。1研究背景及意義隨著時(shí)代的不斷發(fā)展,PLC在現(xiàn)代工業(yè)的地位上越來越重要。在工業(yè)應(yīng)用中其具備許多優(yōu)點(diǎn)，如：編程方便，現(xiàn)場可修改程序；維修方便,采用模塊化結(jié)構(gòu)；可靠性高于繼電器控制裝置；體積小于繼電器控制裝置；數(shù)據(jù)可直接送入計(jì)算機(jī)；成本可與繼電器控制裝置競爭；可直接用115V交流輸入；輸出為115v,2A以上，能直接驅(qū)動(dòng)；電磁閥、接觸器等;通用性強(qiáng)，要能擴(kuò)展；用戶程序存儲器容量可擴(kuò)展到4KB1.PLC，即可編程序控制器，可編程邏輯控制器實(shí)質(zhì)是一種專用于工業(yè)控制的計(jì)算機(jī)，可編程邏輯控制器其硬件結(jié)構(gòu)基本上與微型計(jì)算機(jī)相同.其結(jié)構(gòu)包括：電源，中央處理

2、單元(CPU),存儲器，輸入輸出接口電路，功能模塊，通信模塊。最早出現(xiàn)于上世紀(jì)60年代，是一種專門為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計(jì)的數(shù)字運(yùn)作的電子裝置.它采用可以編制程序的存儲器，用來在其內(nèi)部存儲執(zhí)行邏輯、順序運(yùn)算，計(jì)時(shí)、計(jì)數(shù)和算術(shù)運(yùn)算等操作指令，并能通過數(shù)字式或模擬式輸入輸出，控制各種類型的機(jī)械或生產(chǎn)過程。具備著這些獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)，PLC在工業(yè)中廣泛適用。例如對水箱液位控制水箱液位是流程工業(yè)中極為常見的參數(shù)，水箱液位控制技術(shù)是工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域中常用的技術(shù)。在工業(yè)生產(chǎn)過程中，液位變量是最常見、最廣泛的過程參數(shù)之一在石油工業(yè)、化工生產(chǎn)、電力工程、機(jī)械制造和食品加工等諸多領(lǐng)域中，人們都需要對各類流體的液位高度進(jìn)行監(jiān)

3、測和控制液位是過程控制中重要的控制形式之一，它對生產(chǎn)的影響不容忽視。為了保證安全生產(chǎn)以及產(chǎn)品的質(zhì)量和數(shù)量,對液位進(jìn)行及時(shí)有效的控制是非常必要的。各種控制方式在液位控制系統(tǒng)中也層出不窮,如較常用的浮子式、磁電式和接近開關(guān)式。液位控制系統(tǒng)的檢測及計(jì)算機(jī)控制已成為工業(yè)生產(chǎn)自動(dòng)化的一個(gè)重要方面。由于其具有工況復(fù)雜、參數(shù)多變、運(yùn)行慣性大、控制滯后等特點(diǎn),它對控制器要求較高3。水箱液位控制是是液位控制中的一個(gè)主要問題，它在工業(yè)過程中普遍存在，具有代表性，而且非常典型、實(shí)用。目前工業(yè)自動(dòng)化水平已成為衡量各行業(yè)現(xiàn)代化水平的一個(gè)重要標(biāo)志.同時(shí)，控制理論的發(fā)展也經(jīng)歷了古典控制理論、現(xiàn)代控制理論和智能控制理論三個(gè)階

4、段。隨第1頁共37頁著人們物質(zhì)生活水平的提高以及市場競爭的日益激烈，產(chǎn)品的質(zhì)量和功能也向更高的檔次發(fā)展，制造產(chǎn)品的工藝過程變得越來越復(fù)雜，為滿足優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)、低消耗，以及安全生產(chǎn)、保護(hù)環(huán)境等要求，做為工業(yè)自動(dòng)化重要分支的過程控制的任務(wù)也愈來愈繁重。幾十年來，工業(yè)過程控制取得了驚人的發(fā)展,無論是在大規(guī)模的結(jié)構(gòu)復(fù)雜的工業(yè)生產(chǎn)過程中,還是在傳統(tǒng)工業(yè)過程改造中，過程控制技術(shù)對于提高產(chǎn)品質(zhì)量以及節(jié)省能源等均起著十分重要的作用。目前，過程控制正朝高級階段發(fā)展，不論是從過程控制的歷史和現(xiàn)狀看，還是從過程控制發(fā)展的必要性、可能性來看,過程控制是朝綜合化、智能化方向發(fā)展，即計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)CIMS）：以智能控制

5、理論為基礎(chǔ)，以計(jì)算機(jī)及網(wǎng)絡(luò)為主要手段，對企業(yè)的經(jīng)營、計(jì)劃、調(diào)度、管理和控制全面綜合,實(shí)現(xiàn)從原料進(jìn)庫到產(chǎn)品出廠的自動(dòng)化、整個(gè)生產(chǎn)系統(tǒng)信息管理的最優(yōu)化4。1.2國內(nèi)外發(fā)展與現(xiàn)狀1。2.1PLC的發(fā)展與現(xiàn)狀PLC誕生于美國1969年，其后，日、德、法相繼研制出。20世紀(jì)70年代初出現(xiàn)了微處理器。人們很快將其引入可編程邏輯控制器，使可編程邏輯控制器增加了運(yùn)算、數(shù)據(jù)傳送及處理等功能，完成了真正具有計(jì)算機(jī)特征的工業(yè)控制裝置5。此時(shí)的可編程邏輯控制器為微機(jī)技術(shù)和繼電器常規(guī)控制概念相結(jié)合的產(chǎn)物。20世紀(jì)70年代中末期，可編程邏輯控制器進(jìn)入實(shí)用化發(fā)展階段，計(jì)算機(jī)技術(shù)已全面引入可編程控制器中,使其功能發(fā)生了飛躍6

6、。更高的運(yùn)算速度、超小型體積、更可靠的工業(yè)抗干擾設(shè)計(jì)、模擬量運(yùn)算、PID功能及極高的性價(jià)比奠定了它在現(xiàn)代工業(yè)中的地位。20世紀(jì)80年代初，可編程邏輯控制器在先進(jìn)工業(yè)國家中已獲得廣泛應(yīng)用。世界上生產(chǎn)可編程控制器的國家日益增多，產(chǎn)量日益上升。這標(biāo)志著可編程控制器已步入成熟階段。20世紀(jì)80年代至90年代中期，是可編程邏輯控制器發(fā)展最快的時(shí)期，年增長率一直保持為3040%。在這時(shí)期，PLC在處理模擬量能力、數(shù)字運(yùn)算能力、人機(jī)接口能力和網(wǎng)絡(luò)能力得到大幅度提高，可編程邏輯控制器逐漸進(jìn)入過程控制領(lǐng)域，在某些應(yīng)用上取代了在過程控制領(lǐng)域處于統(tǒng)治地位的DCS系統(tǒng)。20世紀(jì)末期至今，可編程邏輯控制器的發(fā)展特點(diǎn)是更

7、加適應(yīng)于現(xiàn)代工業(yè)的需要.這個(gè)時(shí)期發(fā)展了大型機(jī)和超小型機(jī)、誕生了各種各樣的特殊功能單元、生產(chǎn)了各種人機(jī)界面單元、通信單元,使應(yīng)用可編程邏輯控制器的工業(yè)控制設(shè)備的配套更加容易?？删幊炭刂破骱喎QPLC（ProgrammablelogicController）,是以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)的新型工業(yè)控制裝置。1987年國際電工委員會（InternationalElectricalCommittee）頒布的PLC標(biāo)準(zhǔn)草案中對PLC做了如下定義：“PLC是一種專門為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計(jì)的數(shù)字運(yùn)算操作的電子裝置.它采用可編程的存儲器，用來在其內(nèi)部存儲執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序運(yùn)算、計(jì)時(shí)、計(jì)算和算術(shù)運(yùn)算等操作指令,并能通過

8、數(shù)字式或模擬式的輸入和輸出，控制各種類型的機(jī)械和生產(chǎn)過程”.PLC及有關(guān)的外圍設(shè)備的設(shè)計(jì)都應(yīng)易于與工業(yè)控制系統(tǒng)形成一個(gè)整體，易于擴(kuò)展其功能。1。2。2PLC的特點(diǎn)PLC具有面向工業(yè)控制的鮮明特點(diǎn)。（一）可靠性高，抗干擾能力強(qiáng)可靠性高是電氣控制設(shè)備的關(guān)鍵性能oPLC由于采用現(xiàn)代大規(guī)模集成電路技術(shù),采用嚴(yán)格的生產(chǎn)工藝制造，內(nèi)部電路采取了先進(jìn)的抗干擾技術(shù),具有很高的可靠性。從PLC機(jī)外電路來說，使用PLC構(gòu)成控制系統(tǒng)，和同等規(guī)模的繼電接觸器系統(tǒng)相比,電氣接線及開關(guān)接點(diǎn)已減少到數(shù)百甚至數(shù)千分之一，故障也就大大降低。此外，PLC帶有硬件故障自我檢測功能，出現(xiàn)故障時(shí)可及時(shí)發(fā)出警報(bào)信息。在應(yīng)用軟件中，應(yīng)用者

9、還可以編入外圍器件的故障自診斷程序.（二）配套齊全，功能完善,適用性強(qiáng)PLC發(fā)展到今天，已經(jīng)形成了大、中、小各種規(guī)模的系列化產(chǎn)品。可以用于各種規(guī)模的工業(yè)控制場合。除了邏輯處理功能外，現(xiàn)代PLC大多具有完善的數(shù)據(jù)運(yùn)算能力，可用于各種數(shù)字控制領(lǐng)域。近年來PLC功能單元大量涌現(xiàn)，使PLC滲透到了位置控制、溫度控制、CNC等各種工業(yè)控制中。加上PLC通信能力的增強(qiáng)及人機(jī)交互技術(shù)的發(fā)展，使用PLC組成的各種控制系統(tǒng)變得非常容易。（三）系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、建造工作量小，維護(hù)方便，易于改造。PLC用存儲邏輯代替接線邏輯，大大減少了控制設(shè)別外部恩德接線，是控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)及建造的周期大為縮短，同時(shí)維護(hù)也變得更為容易。更重

10、要的是使用同一設(shè)備經(jīng)過改變程序改變生產(chǎn)過程成為可能。這很適合多品種、小批量生產(chǎn)。（四）體積小，重量輕，能耗低以超小型PLC為例，三菱的fxos14（8個(gè)24vdc輸入,6個(gè)繼電器輸出），起尺寸僅為58mm*89mm，僅大于信用卡幾毫米，而功能卻有鎖增強(qiáng)，使PLC的應(yīng)用領(lǐng)域第3頁共37頁中北大學(xué)2013屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書中北大學(xué)2013屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書第 頁共37頁第 頁共37頁擴(kuò)大到遠(yuǎn)距離工業(yè)控制的其他行業(yè)，如快餐廳、醫(yī)院手術(shù)室、旋轉(zhuǎn)門和車輛等，甚至引入家庭住宅、娛樂場所和商業(yè)部門.隨著PLC性能價(jià)格比的不斷提高，其應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大，大致可歸納為如下幾類。1。開關(guān)量的邏輯控制這是PLC最基本、最

11、廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域，它取代傳統(tǒng)的繼電器電路，實(shí)現(xiàn)邏輯控制、順序控制,既可用于單臺設(shè)備的控制，也可用于多機(jī)群控及自動(dòng)化流水線。模擬量控制在工業(yè)生產(chǎn)過程當(dāng)中,有許多連續(xù)變化的量,如溫度、壓力、流量、液位和速度等都是模擬量為了使可編程控制器處理模擬量，必須實(shí)現(xiàn)模擬量(Analog)和數(shù)字量(Digital)之間的A/D轉(zhuǎn)換及D/A轉(zhuǎn)換.PLC廠家都生產(chǎn)配套的A/D和D/A轉(zhuǎn)換模塊,使可編程控制器用于模擬量控制。2。運(yùn)動(dòng)控制PLC可以用于圓周運(yùn)動(dòng)或直線運(yùn)動(dòng)的控制。從控制機(jī)構(gòu)配置來說，早期直接用于開關(guān)量I/O模塊連接位置傳感器和執(zhí)行機(jī)構(gòu),現(xiàn)在一般使用專用的運(yùn)動(dòng)控制模塊。如可驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)或伺服電機(jī)的單軸或多軸

12、位置控制模塊.世界上各主要PLC廠家的產(chǎn)品幾乎都有運(yùn)動(dòng)控制功能，廣泛用于各種機(jī)械、機(jī)床、機(jī)器人、電梯等場合。3。過程控制過程控制是指對溫度、壓力、流量等模擬量的閉環(huán)控制。作為工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，PLC能編制各種各樣的控制算法程序，完成閉環(huán)控制。PID調(diào)節(jié)是一般閉環(huán)控制系統(tǒng)中用得較多的調(diào)節(jié)方法。大中型PLC都有PID模塊，目前許多小型PLC也具有此功能模塊.PID處理一般是運(yùn)行專用的PID子程序.過程控制在冶金、化工、熱處理、鍋爐控制等場合有非常廣泛的應(yīng)用。4。數(shù)據(jù)處理現(xiàn)代PLC具有數(shù)學(xué)運(yùn)算(含矩陣運(yùn)算、函數(shù)運(yùn)算、邏輯運(yùn)算)、數(shù)據(jù)傳送、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、排序、查表、位操作等功能,可以完成數(shù)據(jù)的采集、分析及處

13、理。這些數(shù)據(jù)可以與存儲在存儲器中的參考值比較，完成一定的控制操作，也可以利用通信功能傳送到別的智能裝置,或?qū)⑺鼈兇蛴≈票?數(shù)據(jù)處理一般用于大型控制系統(tǒng),如無人控制的柔性制造系統(tǒng)；也可用于過程控制系統(tǒng)，如造紙、冶金、食品工業(yè)中的一些大型控制系統(tǒng)。通信及聯(lián)網(wǎng)PLC通信含PLC間的通信及PLC與其它智能設(shè)備間的通信。隨著計(jì)算機(jī)控制的發(fā)展，工廠自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)發(fā)展得很快，各PLC廠商都十分重視PLC的通信功能,紛紛推出各自的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。新近生產(chǎn)的PLC都具有通信接口，通信非常方便4.1.2.3PLC技術(shù)發(fā)展動(dòng)向（1）產(chǎn)品規(guī)模向大、小兩方面發(fā)展大：I/O點(diǎn)數(shù)達(dá)14336點(diǎn)、32位微處理器、多CPU并行工作、大容

14、量存儲器、掃描速度高速化。?。河烧w結(jié)構(gòu)向小型模塊化結(jié)構(gòu)發(fā)展，增強(qiáng)了配置的靈活性,降低了成本。（2）PLC在閉環(huán)過程中應(yīng)用日益廣泛。（3）不斷加強(qiáng)通訊功能.（4）新器件和模塊不斷推出。高檔的PLC除了主要采用CPU以提高處理速度外，還帶有處理器的EPROM或RAM的智能I/O模塊、高速計(jì)數(shù)模塊、遠(yuǎn)程I/O模塊等專用化模塊。（5）編程工具豐富多樣，功能不斷提高，編程語言趨向標(biāo)準(zhǔn)化.有各種簡單或復(fù)雜的編程器及編程軟件,采用梯形圖、功能圖、語句表等編程語言，亦有高檔的PLC指令系統(tǒng).（6）發(fā)展容錯(cuò)技術(shù):采用熱備用或并行工作、多數(shù)表決的工作方式。（7）追求軟硬件的標(biāo)準(zhǔn)化。1。2.4可編程控制器的硬件組

15、成整體式和模塊式兩種可編程控制器具有不同的結(jié)構(gòu)形式。圖1。1整體式PLC的結(jié)構(gòu)組成圖1。2模塊式PLC的結(jié)構(gòu)組成1。2。5模糊控制系統(tǒng)模糊控制系統(tǒng)是一種基于規(guī)則的智能控制，它是以模糊集合論、模糊語言及模糊邏輯推理為基礎(chǔ)的一種計(jì)算機(jī)智能控制。從1956年美國學(xué)者L.A.Zadeh發(fā)表開創(chuàng)性論文，到1986年世界上第一塊基于模糊邏輯的人工智能芯片在貝爾實(shí)驗(yàn)室研制成功再到日本第一臺模糊控制洗衣機(jī)的投入適用8，已成為將人的控制經(jīng)驗(yàn)以及推理過程納入自動(dòng)控制策略之中提供一條簡捷的途徑。隨著科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展，各個(gè)領(lǐng)域?qū)ψ詣?dòng)控制系統(tǒng)控制精確度、響應(yīng)速度、系統(tǒng)穩(wěn)定性與適應(yīng)能力的要中北大學(xué)2013屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說明

16、書中北大學(xué)2013屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書求越來越高.諸多如被控對象活或過程對象的非線性、時(shí)變性、多參數(shù)間的強(qiáng)烈耦合、較大的隨機(jī)干擾、過程機(jī)理錯(cuò)綜復(fù)雜、各種不確定性以及現(xiàn)場測量手段不完善等，難以建立被控對象的精確模型8.對于那些難以建立數(shù)學(xué)模型進(jìn)行自動(dòng)控制的復(fù)雜被控對象，有經(jīng)驗(yàn)的操作人員進(jìn)行手動(dòng)控制，卻可以收到令人滿意的效果。模糊控制系統(tǒng)一般可分為5個(gè)組成部分：（1）模糊控制器：模糊控制系統(tǒng)的核心部分，采用模糊數(shù)學(xué)知識表示和進(jìn)行規(guī)則推理的語言型控制器，實(shí)際上是一臺PC機(jī)或單片機(jī)及其相應(yīng)軟件9.（2）輸入/輸出接口：模糊控制器通過輸入接口從被控對象獲得數(shù)字信號量，并將模糊控制器決策的數(shù)字信號經(jīng)輸出接口轉(zhuǎn)

17、變?yōu)槟M信號去控制被控對象。（3）執(zhí)行機(jī)構(gòu)：主要包括電動(dòng)和氣動(dòng)調(diào)節(jié)裝置，如伺服電動(dòng)機(jī)、氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥等10。（4）被控對象：它可以是一種設(shè)備或裝置以及它們的群體，也可以是一個(gè)生產(chǎn)的、自然的、社會的、生物的或其它各種狀態(tài)轉(zhuǎn)移過程11。這些被控對象可以是確定的或模糊的、單變量或多變量、有滯后或無滯后、也可以是線性或非線性、定常或時(shí)變，以及具有干擾和耦合等多種情況.對于那些難以建立精.確數(shù)學(xué)模型的復(fù)雜對象,更適宜采用模糊控制.（5）變送器:由傳感器和信號調(diào)理電路組成,傳感器是將被控對象或過程的被控制量轉(zhuǎn)換為電信號的裝置，其精度直接影響整個(gè)模糊控制系統(tǒng)的精度12。圖1模糊控制系統(tǒng)1。2.6課題研究的主要內(nèi)

18、容一、本文以雙容水箱為研究對象，水箱的液位為被控制量.為了改善調(diào)節(jié)過程的動(dòng)態(tài)特性,采用串級控制.進(jìn)行基于PLC的模糊PID水箱液位控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。二、論述了PID控制器和模糊控制器的設(shè)計(jì)和仿真，針對液位控制系統(tǒng)的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)出較好的控制規(guī)則和隸屬度函數(shù),推理出模糊控制查詢表.三、將設(shè)計(jì)好的模糊控制算法通過MATLAB進(jìn)行仿真。四、設(shè)計(jì)好的控制系統(tǒng)，采用SIMATICS7-300PLC組成硬件，采用STEP7編第6頁共37頁中北大學(xué)2013屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書中北大學(xué)2013屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書第 頁共37頁第 頁共37頁程實(shí)現(xiàn)模糊控制.水箱液位控制模型分析2。1水箱液位串級控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)串級控制系統(tǒng)是采用

19、兩個(gè)控制器串聯(lián)工作,包括兩個(gè)控制回路,主回路和副回路。副回路由副變量檢測變送、副調(diào)節(jié)器、調(diào)節(jié)閥和副過程構(gòu)成；主回路由主變量檢測變送、主調(diào)節(jié)器、副調(diào)節(jié)器、調(diào)節(jié)閥、副過程和主過程構(gòu)成。主調(diào)節(jié)器檢測和控制的變量稱主變量（主被控參數(shù)）,即工藝控制指標(biāo)；副調(diào)節(jié)器檢測和控制的變量稱副變量（副被控參數(shù)），是為了穩(wěn)定主變量而引入的輔助變量。主控制器的輸出作為副控制器的的設(shè)定值,由副控制器的輸出操縱調(diào)節(jié)閥，從而對主控變量具有更好的控制效果.串級控制系統(tǒng)的方框圖如下圖2。1所示.圖2。1串級控制系統(tǒng)方框圖串級控制由于增加了副回路，提高了系統(tǒng)的控制性能,改善了被控過程的動(dòng)態(tài)特性，增強(qiáng)了系統(tǒng)的抗干擾能力，提高了工作頻

20、率，對干擾具有一定的自適應(yīng)能力。串級控制系統(tǒng)投運(yùn)順序是先副環(huán),后主環(huán),要求必須保證無擾動(dòng)切換，而且應(yīng)該是無平衡無擾動(dòng)切換。串級控制系統(tǒng)常用的控制器參數(shù)整定方法有兩種。2.2水箱液位控制系統(tǒng)組成及工作原理雙容水箱數(shù)學(xué)模型主體由上、下兩個(gè)水箱,蓄水池，連接閥和水泵組成。電動(dòng)調(diào)節(jié)閥用于調(diào)節(jié)水箱進(jìn)水量，液位變送器用于檢測水箱液位?？刂破鞯妮敵隽坑糜诳刂普{(diào)節(jié)閥的開度。蓄水池中水由水泵抽出，經(jīng)電動(dòng)調(diào)節(jié)閥注入上水箱，再由手動(dòng)調(diào)節(jié)閥1流到下水箱，最后經(jīng)手動(dòng)調(diào)節(jié)閥2流回蓄水池.以下水箱液位為主調(diào)節(jié)量，上水箱液位為副調(diào)節(jié)量,以裝水的水箱為被控對象，構(gòu)成串級液位控制系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)如圖2。2所示。低位水箱的液位傳感器檢

21、測到的液位信號與給定液位值進(jìn)行比較，然后將結(jié)果送人主調(diào)節(jié)器，主調(diào)節(jié)器經(jīng)模糊PID運(yùn)算后，建立合適的模糊控制器，如果下水箱液位值小于給定值則加大上水箱出水流量,如果液位值大于等于給定值,則減少上水箱出水流量。其輸出的結(jié)果作為副調(diào)節(jié)器的給定值，再與高位水箱的液位傳感器檢測到的液位信號進(jìn)行比較并將其結(jié)果送人副調(diào)節(jié)器，經(jīng)PID運(yùn)算后.選擇合適的PID參數(shù)，其輸出控制電動(dòng)調(diào)節(jié)閥的開度，如果液位傳感器檢測到的值小于給定值,則電動(dòng)調(diào)節(jié)閥開大,如果其值等于或大于給定值則關(guān)小電動(dòng)調(diào)節(jié)閥，進(jìn)而控制進(jìn)水流量的大小，控制水箱的液位口。圖2。2水箱模型串級控制系統(tǒng)圖2。3水箱數(shù)學(xué)模型建立與分析系統(tǒng)建?；痉椒ㄓ袡C(jī)理法建

22、模和測試法建模兩種，機(jī)理法建模主要用于生產(chǎn)過程的機(jī)理已經(jīng)被人們充分掌握,并且可以比較確切的加以數(shù)學(xué)描述的情況；測試法建模是根據(jù)工業(yè)過程的實(shí)際情況對其輸入輸出進(jìn)行某些數(shù)學(xué)處理得到，測試法建模比機(jī)理法建模簡單，但對于本設(shè)計(jì)而言，由于雙容水箱的數(shù)學(xué)模型已知,故采用機(jī)理法建模。機(jī)理法建模就是根據(jù)生產(chǎn)過程中實(shí)際發(fā)生的變化機(jī)理，寫出各種相關(guān)的平衡方程，如物質(zhì)平衡方程、能量平衡方程、動(dòng)量平衡方程、相平衡方程13，以及反映流體流動(dòng)、傳熱、化學(xué)反應(yīng)等基本規(guī)律的運(yùn)動(dòng)方程、物體參數(shù)方程和某些設(shè)備的特性方程，從中獲得所需的被控過程的數(shù)學(xué)模型。圖2.3水箱模型簡圖設(shè)流入上水箱的水流量為Q1,流入下水箱的水流量為Q2,流

23、出進(jìn)入蓄水池的水流量為Q3,上水箱的液位高度為hl,下水箱的液位高度為h2兩容器的流出閥均為手動(dòng)閥門，流量Q1只與容器1的液位hl有關(guān),與容器2的液位h2無關(guān)，容器2的液位也不會被容器1影響，在穩(wěn)態(tài)下Qi=Qo,液位h2保持不變。兩個(gè)水箱的物料平衡方程有：Q1=k1*x整理可得：T1=A1R1消去hl得到一個(gè)二階微分方程：得傳遞函數(shù)：因?yàn)檩斎肓拷?jīng)過控制閥以速度v進(jìn)入水箱，所以系統(tǒng)有純滯后疋，則傳遞函數(shù)為:式中：Al、A2分別為上、下水箱橫截面積；Ah1、Ah2分別為上、下水箱液位微變量；Tl、T2分別為上、下水箱時(shí)間常數(shù)；K為靜態(tài)增益。圖2。4為雙容過程的階躍響應(yīng)曲線。由圖可見,雙容過程的階躍

24、響應(yīng)曲線從一開始就變化緩慢。這是因?yàn)樵趦蓚€(gè)存儲罐之間存在液體流通阻力，延緩了輸出量的變化.圖2.4雙容過程的階躍響應(yīng)曲線中北大學(xué)2013屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書中北大學(xué)2013屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書PID控制和模糊控制PID控制PID簡述在工程實(shí)際中，應(yīng)用最為廣泛的調(diào)節(jié)器控制規(guī)律為比例、積分、微分控制，簡稱PID控制，又稱PID調(diào)節(jié)。當(dāng)我們不完全了解一個(gè)系統(tǒng)和被控對象，或不能通過有效的測量手段來獲得系統(tǒng)參數(shù)時(shí)，最適合用PID控制技術(shù)。PID控制，實(shí)際中也有PI和PD控制。PID控制器就是根據(jù)系統(tǒng)的誤差，利用比例、積分、微分計(jì)算出控制量進(jìn)行控制的。直到現(xiàn)在為止，PID控制得到極其廣泛的應(yīng)用，概括起來，該算法具

25、有如下優(yōu)點(diǎn)：原理簡單，使用方便。PID控制是由P、I、D三個(gè)環(huán)節(jié)組合而成，其基本組成原理比較簡單，很容易理解它，參數(shù)的物理意義也比較明確。適應(yīng)性強(qiáng)。可以廣泛的應(yīng)用于化工、熱工、冶金、煉油、造紙、建材等各種生產(chǎn)場合.按PID控制進(jìn)行工作的自動(dòng)調(diào)節(jié)器早已商品化，在具體實(shí)現(xiàn)上經(jīng)歷了機(jī)械式、液動(dòng)式、氣動(dòng)式、電子式等發(fā)展階段，但始終沒有脫離PID控制的范疇。即使目前最先進(jìn)的過程控制系統(tǒng)，其基本控制算法也仍然是PID控制.魯棒性強(qiáng)，即其控制品質(zhì)對被控對象特性的變化不大敏感。大型現(xiàn)代化生產(chǎn)裝置的控制回路可能多達(dá)一二百路甚至更多，其中絕大多數(shù)都采用PID控制15。比例控制Kp,比例控制是一種最簡單的控制方式其

26、控制器的輸出與輸入誤差信號成比例關(guān)系。比例控制是為了及時(shí)成比例地反應(yīng)控制系統(tǒng)的偏差信號，以最快速度產(chǎn)生控制作用，使偏差向減小的趨勢變化。當(dāng)系統(tǒng)誤差一旦產(chǎn)生，控制器立即就有控制作用,使被PID控制的對象朝著減小誤差的方向變化。比例系數(shù)Kp的作用在于加快系統(tǒng)的響應(yīng)速度，提高系統(tǒng)的調(diào)節(jié)精度。Kp越大,系統(tǒng)的響應(yīng)速度越快,但過大將產(chǎn)生超調(diào)和振蕩甚至導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定；如果Kp取值過小，則會降低調(diào)節(jié)精度，使響應(yīng)速度緩慢，從而延長調(diào)節(jié)時(shí)間，使系統(tǒng)動(dòng)、靜態(tài)特性變壞。因此，比例調(diào)節(jié)常與無差的積分調(diào)節(jié)或增加阻尼的微分調(diào)節(jié)共同作用。在積分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號的積分成正比關(guān)系能對誤差進(jìn)行記憶并積分，有利于

27、消除系統(tǒng)靜差。KI為了保證被控量在穩(wěn)態(tài)時(shí)設(shè)定值的無靜差跟蹤只要存在偏差，則它的控制作用就會不斷增加。只有在偏差e(t)=0時(shí)，積分值變成常數(shù)，控制輸出才是一個(gè)常數(shù)。因而，積分部分的作用可以消除系統(tǒng)的第11頁共37頁偏差。積分時(shí)間常數(shù)對積分部分的作用影響極大當(dāng)Ti較大時(shí)，則積分作用較弱，這時(shí)，系統(tǒng)的過渡過程不易產(chǎn)生振蕩，但是消除偏差所需要的時(shí)間較長；當(dāng)Ti較小時(shí)，則積分作用較強(qiáng)，這時(shí)系統(tǒng)過渡過程中油可能會產(chǎn)生振蕩,但消除偏差所需要的時(shí)間較短。對一個(gè)自動(dòng)控制系統(tǒng)，比例+積分(PI)控制器，可以使系統(tǒng)在進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后無穩(wěn)態(tài)誤差16。微分控制Kd，在微分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號的微分(即誤差的變

28、化率)成正比關(guān)系。微分控制是為了改善閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和動(dòng)態(tài)響應(yīng)的速度。通過對誤差盡心微分，能感覺出誤差的變化趨勢反映偏差信號的變化趨勢(變化規(guī)律)，并能在偏差信號變太大之前，在系統(tǒng)中引入一個(gè)有效的早期信號，從而加快系統(tǒng)的動(dòng)作速度，減少調(diào)節(jié)時(shí)間微分部分的作用強(qiáng)弱由微分時(shí)間常數(shù)Td決定。Td越大，貝怕的抑制e(t)變化的作用越強(qiáng)；Td越小，則它的反抗e(t)變化的作用越弱。比例+微分(PD)控制器能改善系統(tǒng)在調(diào)節(jié)過程中的動(dòng)態(tài)特性。它是根據(jù)被控過程的特性確定PID控制器的比例系數(shù)、積分時(shí)間和微分時(shí)間的大小。PID控制器參數(shù)的工程整定方法，主要有臨界比例法、反應(yīng)曲線法和衰減法。三種方法各有其特點(diǎn)，其共

29、同點(diǎn)都是通過試驗(yàn)，然后按照工程經(jīng)驗(yàn)公式對控制器參數(shù)進(jìn)行整定。但無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法。利用該方法進(jìn)行PID控制器的參數(shù)整定步驟如下:首先預(yù)選擇一個(gè)足夠短的采樣周期讓系統(tǒng)工作；僅加入比例控制環(huán)節(jié)，直到系統(tǒng)對輸入的階躍響應(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；在一定的控制度下通過公式計(jì)算得到PID控制器的參數(shù)。3。1.2PID控制算法隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展，由計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)的數(shù)字PID控制器正在逐步取代模擬PID控制器。數(shù)字PID位置型控制算法是為了用數(shù)字形式的差分方程代替連續(xù)系統(tǒng)的微分方程，便于計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)

30、，為此將積分式和微分式近似用求和及增量式表示：(32)(33)第12頁共37頁中北大學(xué)2013屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書中北大學(xué)2013屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書中北大學(xué)2013屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書第 頁共37頁第 頁共37頁第 頁共37頁得到數(shù)字的PID表達(dá)式(3-4)式中,=T為采樣周期,必須使T足夠小，才能保證系統(tǒng)有一定的精度;E(k)為第k次采樣時(shí)的偏差值；E(k1)為第k1次采樣時(shí)的偏差值；k為采樣序號,k=0,1,2,；P(k)為第k次采樣時(shí)調(diào)節(jié)器的輸出。由于式(3-4)的輸出值與閥門開度的位置一一對應(yīng)，因此，通常把式(3-4)稱為位置型PID算式。由式(34)可以看出，要先計(jì)算P(k),不僅需要本次與上

31、次的偏差信號E(k)和E(k-1),而且還要在積分項(xiàng)中把歷次的偏差信號E(j)進(jìn)行相加。這樣，不僅計(jì)算繁瑣,而且為了保存E(j)還要占用很多內(nèi)存。因此用式(34)直接進(jìn)行控制很不方便.為此,做如下改動(dòng)16。根據(jù)遞推原理，可寫出第k1次的PID輸出表達(dá)式(3-5)用(34)減去(35)可得(3-6)式中,為積分系數(shù)；為微分系數(shù)。由(3-6)可知，要計(jì)算第k次輸出值P(k),只需要知道P(k1)，E(k)，E(k1)，E(k-2)即可，比用式(3-4)計(jì)算要簡單的多。在很多控制系統(tǒng)中,由于執(zhí)行機(jī)構(gòu)是采用步進(jìn)電機(jī)或多圈電位器盡心控制的，所以，只要給一個(gè)增量信號即可。因此,由式(34)和(35)相減得

32、到P(k)=P(k)P(k1)=KpE(k)E(k-1)+KIE(k)+KDE(k)2E(k1)+E(k2)(37)3。2模糊控制所謂模糊控制,就是在控制方法上應(yīng)用模糊集理論、模糊語言變量及模糊邏輯推理的知識來模擬人的模糊思維方法，用計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)與操作者相同的控制。該理論以模糊集合、模糊語言變量和模糊邏輯為基礎(chǔ)，用比較簡單的數(shù)學(xué)形式直接將人的判斷、思維過程表達(dá)出來,從而逐漸得到了廣泛應(yīng)用。應(yīng)用領(lǐng)域包括圖像識別、自動(dòng)機(jī)理論、語言研究、控制論以及信號處理等方面。在自動(dòng)控制領(lǐng)域，以模糊集理論為基礎(chǔ)發(fā)展起來的模糊控制為將人的控制經(jīng)驗(yàn)及推理過程納入自動(dòng)控制提供了一條便捷途徑。模糊控制的特點(diǎn)是：模糊控制不需

33、要被控對象的數(shù)學(xué)模型.模糊控制是以人對被控對象的控制經(jīng)驗(yàn)為依據(jù)而設(shè)計(jì)的控制器，故無需知道被控對象的數(shù)學(xué)模型。模糊控制是一種反映人類智慧的智能控制方法。模糊控制采用人類思維中的模糊量,如“高、“中”、“低”、“大”、“小”等,控制量由模糊推理導(dǎo)出.這些模糊量和模糊推理是人類智能活動(dòng)的體現(xiàn)。模糊控制易于被人們接受.模糊控制的核心是控制規(guī)則,模糊規(guī)則是用語言來表示的。構(gòu)造容易。模糊控制規(guī)則易于軟件實(shí)現(xiàn)。魯棒性和適應(yīng)性好。通過專家經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)的模糊規(guī)則可以對復(fù)雜的對象進(jìn)行有效地控制17。3。2。1模糊控制器的基本結(jié)構(gòu)如圖3。2所示，模糊控制器的基本結(jié)構(gòu)包括知識庫、模糊推理、輸入量模糊化、輸出量精確化四部分

34、。圖3.1模糊控制器的基本組成框圖(1)知識庫知識庫通常由數(shù)據(jù)庫和模糊控制規(guī)則庫組成、包含了具體應(yīng)用領(lǐng)域的知識和要求。其中，數(shù)據(jù)庫主要包含輸入輸出變量的尺度變換因子、輸入輸出空間的模糊分割數(shù)以及各模糊變量的模糊取值及相應(yīng)的隸屬函數(shù)選擇和形狀等方面的內(nèi)容。規(guī)則庫包括了用模糊語言表示的一系列控制規(guī)則，他們反映了控制專家的經(jīng)驗(yàn)和知識18。表3-1模糊控制規(guī)則表ECNBNMNSZOPSPMPBNBNMPBPBPMZONSPMPMZONSZOPMPSZONSNMPSPSZONMNMPMPBZONMNBNB其中PB（正大）、PM（正中）、PS（正小）、Z0（零）、NS（負(fù)?。M（負(fù)中）、NB（負(fù)大）。

35、（2、模糊化人的感受可以是模糊的，但是，在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中,通過傳感器得到的檢測信號都是精確量,否則計(jì)算機(jī)無法識別,也無法輸入到計(jì)算機(jī)中去.但是,模糊控制規(guī)則需要的輸入量卻是模糊量，所以，為了實(shí)現(xiàn)模糊控制，必須對精確地輸入量進(jìn)行模糊化處理。將精確量轉(zhuǎn)化為模糊量的過程就稱為模糊化或模糊量化。模糊控制器有設(shè)計(jì)和應(yīng)用階段，模糊化模塊在不同階段有不同作用。首先在設(shè)計(jì)階段需要進(jìn)行以下工作19。確定符合模糊控制器要求的輸入量和輸出量。對輸入輸出變量進(jìn)行尺度變換，使之落入各自的論域范圍內(nèi)。對已經(jīng)論域變換的輸入量進(jìn)行模糊化處理，包括模糊分割和隸屬函數(shù)的確定.設(shè)計(jì)好的模糊控制器投入應(yīng)用后，由于相應(yīng)的輸入變量模糊

36、分割和各個(gè)模糊集合隸屬函數(shù)均已確定，于是，模糊化模塊所起的作用就是根據(jù)具體情況將某一個(gè)確認(rèn)值轉(zhuǎn)化為一個(gè)模糊量，用于確定該模糊量對于某一個(gè)或幾個(gè)模糊集合的匹配程度,為以后的推理做準(zhǔn)備。常用的模糊化方法有模糊單點(diǎn)三角形鐘形模糊集合等三種，對于計(jì)算能力有限或控制精度要求不高的場合,往往采用離散的輸入論域和相應(yīng)的隸屬度分布20。（3）精確化推理得到的模糊子集要轉(zhuǎn)換為精確值，以得到最終控制量輸出y。目前常用兩種精確化方法：（1、最大隸屬度法.在推理得到的模糊子集中，選取隸屬度最大的標(biāo)準(zhǔn)論域元素的平均值作為精確化結(jié)果。（2、重心法。將推理得到的模糊子集的隸屬函數(shù)與橫坐標(biāo)所圍面積的重心所對應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)論域元素作

37、為精確化結(jié)果。在得到推理結(jié)果精確值之后,還應(yīng)按對應(yīng)關(guān)系，得到最終控制量輸出y。3。2.2模糊集合利用經(jīng)典集合理論，論域內(nèi)源睡在特定集合中只有“屬于”或“不屬于兩種情況,只能描述非此即彼、界限明確的事物。而模糊集合論域中的元素的定義是漸變的，是用來描述“亦此亦彼的概念或集合邊界不清的事物的有效工具，模糊集合論用從0到1之間連續(xù)變化的函數(shù)描述不確定和模糊的事物。模糊集合常用、等符號表示21.設(shè)U是變量u的論域，u也代表論域U上的一個(gè)元素。變量u可以是連續(xù)的，也可以是離散的。所謂給定了論域U上的一個(gè)模糊集是指：對任何uU,都指定了一個(gè)數(shù)與之對應(yīng)，它叫做u對的隸屬度。這意味著構(gòu)造了一個(gè)映射：這個(gè)映射稱

38、為的隸屬度函數(shù)。特別的，當(dāng)只有兩個(gè)取值0或者1時(shí)，模糊集就蛻化成一個(gè)經(jīng)典集合，因此模糊集合可以看作是經(jīng)典集合的擴(kuò)展。在論域u中得模糊集合可以表示為元素與元素隸屬度的一個(gè)有序元素組。模糊集合的常用表示方法有2種：(1)扎德表示法在論域U中，當(dāng)模糊集合有一個(gè)有限的支撐集xl,x2,，xn時(shí),可表示為注：式中的“+”不表示“求和”，而是表示模糊集合中各個(gè)元素的聚集。式中的“-”不表示“求商”，而是表示U中元素xi與其隸屬度A(xi)之間的對應(yīng)關(guān)系，稱為單點(diǎn)。當(dāng)模糊集合包含無限多個(gè)元素時(shí),可表示為注“式中不表示積分或求和,而代表無限多個(gè)元素與其相應(yīng)隸屬度對應(yīng)關(guān)示為向量形式由于向量中各分量的序號與論域U

39、中元素的序號相對應(yīng)，因此，隸屬度為0的項(xiàng)必須用0代替而不能舍棄22。(2)隸屬度函數(shù)的表示法隸屬度函數(shù)也可以利用數(shù)學(xué)解析表達(dá)式來表示.模糊集合的基本運(yùn)算常用的有如下幾種：空集模糊集合A的空集為普通集，它的隸屬度為0,即全集中北大學(xué)2013屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書中北大學(xué)2013屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書模糊集合A的全集E為普通集,它的隸屬度為1，即等集兩個(gè)模糊集A和B,若對所有元素u,它們的隸屬函數(shù)相等，則A和B也相等，即補(bǔ)集若為A的補(bǔ)集，則子集若B為A的子集,則并集若C為A和B的并集，則一般地,有交集若C為A和B的交集，則一般地，有3。2。3隸屬度函數(shù)及其確定（1）隸屬度函數(shù)模糊集合通過隸屬度函數(shù)將其中的元素

40、映射到0,1，隸屬度函數(shù)取值范圍從0，1集合擴(kuò)大到0，1區(qū)間，與連續(xù)值邏輯相對應(yīng)。隸屬度函數(shù)的概念可以很好地描述客觀事物差異的中間漸變過渡的模糊性。隸屬度函數(shù)的曲線的一般形式如圖3。3所示。圖3。2隸屬度函數(shù)的一般形式隸屬函數(shù)有如下兩個(gè)特點(diǎn).（1）隸屬函數(shù)的值域?yàn)?,1，它將普通集合只能取0、1兩個(gè)值，推廣到0,1閉區(qū)間上連續(xù)取值，隸屬函數(shù)的值越接近1，表示元素x屬于模糊集合A的程度越大。反之，越接近于0，表示元素x屬于模糊集合A的程度越小。（2）隸屬函數(shù)完全刻畫了模糊集合，隸屬函數(shù)是模糊數(shù)學(xué)的基本概念，不同的隸屬函數(shù)所描述的迷糊集合也不同23。隸屬度函數(shù)選擇基本準(zhǔn)則對于一個(gè)特定的模糊集，隸屬

41、度函數(shù)體現(xiàn)了其模糊性.因此，如何確定隸屬度函數(shù)是一個(gè)關(guān)鍵問題.由于模糊集理論研究的對象具有“模糊性和經(jīng)驗(yàn)性，因此找第17頁共37頁到一種統(tǒng)一的隸屬度計(jì)算方法是不現(xiàn)實(shí)的。盡管確定隸屬度函數(shù)的方法帶有主觀因素，但隸屬度函數(shù)的選擇也必須遵循一些基本規(guī)則。表示隸屬度函數(shù)的模糊集合必須是凸模糊集合。凸模糊集是這樣的集合:隨著元素值的增加，隸屬度函數(shù)的值也隨之嚴(yán)格增加；隨著元素值的減少，隸屬度函數(shù)的值也隨之嚴(yán)格減少。變量所取隸屬度函數(shù)通常是對稱的、平衡的。模糊變量的標(biāo)志值一般選擇在39個(gè)為宜,并且通常為奇數(shù)個(gè).隸屬度函數(shù)要符合人們的語義順序,避免不恰當(dāng)?shù)闹丿B。論域中每個(gè)點(diǎn)至少屬于一個(gè)隸屬度函數(shù)的區(qū)域，并應(yīng)

42、屬于不超過兩個(gè)隸屬度函數(shù)的區(qū)域。當(dāng)兩個(gè)隸屬度函數(shù)重疊時(shí)，重疊部分對兩個(gè)隸屬度函數(shù)的最大隸屬度不應(yīng)有交叉26。當(dāng)兩個(gè)隸屬度函數(shù)重疊時(shí)，重疊部分的任何點(diǎn)的隸屬度函數(shù)的和應(yīng)該小于或等于1。（2）隸屬度函數(shù)的確定目前尚無確定模糊集合隸屬度函數(shù)的一般性方法，需要靠經(jīng)驗(yàn)確定，并通過實(shí)驗(yàn)進(jìn)行修正。目前應(yīng)用較多的方法如下。模糊統(tǒng)計(jì)法，根據(jù)所提出的模糊概念對許多人進(jìn)行調(diào)查統(tǒng)計(jì)，提出與之對應(yīng)的模糊集合A,通過統(tǒng)計(jì)試驗(yàn)，確定不同元素隸屬度屬于某個(gè)模糊集合的程度。假如進(jìn)行過N次統(tǒng)計(jì)性試驗(yàn)，認(rèn)為屬于F集合A的次數(shù)為n,則把n與N的比值視為對A的隸屬度，記為A（），即：A（）=二元對比排序法在論域里的多個(gè)元素中,人們通過

43、把他們兩兩對比，確定其在某種特性下的順序，據(jù)此決定出他們對該特性的隸屬度函數(shù)大體形狀，再將其納入與該圖形近似的常用數(shù)學(xué)函數(shù)。專家經(jīng)驗(yàn)法根據(jù)專家和操作人員的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)和主觀感知,通過分析、演繹和推理，直接給出元素屬于某個(gè)F集合的隸屬度。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的學(xué)習(xí)功能，把大量測試數(shù)據(jù)輸入某個(gè)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)器，自動(dòng)生成一第18頁共37頁中北大學(xué)2013屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書中北大學(xué)2013屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書中北大學(xué)2013屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書第 頁共37頁第 頁共37頁第 頁共37頁個(gè)隸屬度函數(shù)，然后再通過網(wǎng)絡(luò)的學(xué)習(xí)、檢驗(yàn)，自動(dòng)調(diào)整隸屬度函數(shù)的某些參數(shù)，最后確定下來27。3.2。4模糊推理在模糊控制中，最常用的表達(dá)知

44、識的語句形式是模糊語句。模糊語句包括模糊直言語句和模糊條件語句，即判斷句和推理句.最基本的模糊推理形式為:前提1IFATHENB前提2IFA，結(jié)論THENB，其中,A、A，為論域U上的模糊子集，B、B，為論域V上的模糊子集前提1稱為模糊蘊(yùn)涵關(guān)系，記為AB。模糊推理的最終目標(biāo)是為不精確的推理提供理論基礎(chǔ)。人們根據(jù)“如果X小，則Y就大”這樣的精確推理的前提，欲解決“如果X很小，則Y將怎樣的問題，自然利用”如果X很小，則Y就很大”這種推理方法就被稱為模糊似然推理，是一種近似推理方法近似推理理論是經(jīng)典推理理論的推廣28。3.2。5液位模糊控制器的設(shè)計(jì)綜合前面對模糊控制器工作原理的分析，模糊控制器的工作

45、原理可以概括如下：首先將模糊控制器的輸入量轉(zhuǎn)化為模糊量供模糊決策系統(tǒng)使用，模糊決策系統(tǒng)根據(jù)控制規(guī)則確定的模糊關(guān)系，應(yīng)用推理算法得出控制器的模糊輸出控制量。最后經(jīng)過模糊化計(jì)算得到精確的控制值來控制被控對象。建立雙容水箱的模糊控制器模型如圖3。3所示.圖3。3雙容水箱的模糊PID控制器模型其中，SP是液位設(shè)定值，H1是液位測量值,e=SPH1是液位變化，為液位變化率，u為控制量,Ke為偏差量化因子，Kec為偏差變化率量化因子，Ku為清晰化因子。模糊控制器的輸入為誤差e和誤差變化率ec，誤差為e=SpH1,誤差變化率,其中H1和Sp分別為液位的給定值和測量值.把誤差和誤差變化率的精確值進(jìn)行模糊化變成

46、模糊量E和EC，從而得到誤差E和誤差變化率EC的模糊語言集合，然后由E和EC模糊語言的子集和模糊控制規(guī)則R,根據(jù)合成推理規(guī)則進(jìn)行模糊決策，這樣就可以得到模糊控制向量U，最后再把模糊轉(zhuǎn)換為精確量u,再經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換為模擬量去控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作29.1）確定輸入輸出變量和模糊分割選擇誤差e和液位變化率ec作為模糊控制器的輸入量,控制量u作為輸出變量，它們的論域分別為E、C、U,表示如下：E=6，-5，-4，-3，-2，-1，0,+1,+2，+3，+4,+5,+6C=6,5,-4,3,2,-1,0,+1,+2,+3,+4,+5,+6U二-6,5,4,3,2,1,0,+1,+2,+3,+4,+5,+6各論

47、域上的模糊子集是F（E）=NB,NM,NS,ZO,PS,PM,PBF（C）=NB,NM,NS,ZO,PS,PM,PBF（U）=NB,NM,NS,ZO,PS,PM,PB2）隸屬度函數(shù)的確定及模糊化液位偏差、調(diào)節(jié)閥開度的模糊語言變量均為NB,NM,NS,Z0,PS,PM,PB,NB表示負(fù)大，NS表示負(fù)小，ZO表示0,PS表示正小，PB表示正大。選擇隸屬度函數(shù)要求對控制器的控制性能影響越小越好,所以,采用容易處理的三角函數(shù)作為隸屬度函數(shù).三角函數(shù)形狀簡單,計(jì)算工作量小,當(dāng)輸入值變化時(shí),其具有更大的靈敏度。當(dāng)存在較小的偏差時(shí),就能迅速的產(chǎn)生相應(yīng)的控制信號。三角形隸屬度函數(shù)的一般形式如圖3.4所示。圖3

48、。4三角形隸屬度函數(shù)根據(jù)三角隸屬函數(shù)確定誤差E、誤差的變化Ec以及控制量U的各模糊子集賦值表如下表32所示。表32數(shù)值法描述的隸屬度隸屬度e、ec、u的論域543-2101234566模NB10。750.50。25000000000糊NM00。510.750.50。250000000集NS00.250。50.7510。750.50。2500000合ZE00000.250.7510。750。250000PS000000。250。50。7510。750。5(1250PM00000000.250.50.7510.50PB0000000000.250.50.53）建立模糊控制規(guī)則庫基于IFTHEN的產(chǎn)

49、生式規(guī)則結(jié)構(gòu)簡單，易于修改，易于掌握,是目前控制規(guī)則主要的表示方法。其中，“IF為控制量的要求，“THEN”為控制執(zhí)行量。模糊控制規(guī)則應(yīng)遵循原則：當(dāng)誤差大或較大時(shí)，模糊控制量的選擇以消除誤差為主;當(dāng)誤差較小，而誤差變化率較大時(shí)，模糊控制量的選擇以系統(tǒng)的穩(wěn)定為主，防止系統(tǒng)超調(diào)。根據(jù)專家經(jīng)驗(yàn)和實(shí)際操作經(jīng)驗(yàn)得出PID三個(gè)參數(shù)的模糊控制查詢表如下表33參數(shù)的模糊控制規(guī)則表NBNMNSZOPSPMPBNBPBPBPMPMPSZOZONMPBPBPMPSPSZONSNSPMPMPMPSZONSNSZOPMPMPSZONSNMNMPSPSPSZONSNSNMNMPMPSZONSNMNMNMNBPBZOZON

50、MNMNMNBNB表3-4參數(shù)的模糊控制規(guī)則表NBNMNSZOPSPMPBNBNBNBNMNMNSZOZONMNBNBNMNSNSZONSNSNBNMNSNSZOPSPSZONMNMNSZOPSPMPMPSNMNSZOPSPSPMPBPMZOZOPSPSPMPBPBPBZOZOPSPMPMPBPB表35參數(shù)的模糊控制規(guī)則表NBNMNSZOPSPMPBNBPSNSNBNBNBNMPSNMPSNSNBNMNMNSZONSZONSNMNMNSNSZOZOZONSNSNSNSNSZOPSZOZOZOZOZOZOZOPMPBNSPSPSPSPSPBPBPBPMPMPMPSPSPB4）建立模糊控制表模糊控

51、制規(guī)則包括49條條件語句，既有49個(gè)模糊關(guān)系與之想對應(yīng)，他們彼此是或的關(guān)系。模糊關(guān)系計(jì)算如下：R1=(NB)EX(NB)ECX(PB)UR2=(NB)EX(NM)ECX(PB)UR3=(NB)EX(NS)ECX(PB)UR4=(NB)EX(ZO)ECX(PB)UR5=(NB)EX(PS)ECX(PB)UR6=(NB)EX(PM)ECX(PB)UR7=(NB)EX(PM)ECX(PB)U這樣可得到49個(gè)模糊關(guān)系R1R49,通過49個(gè)模糊關(guān)系的并運(yùn)算,可以得到控制液位的總的模糊關(guān)系R。表3-6模糊控制總表e6-54-3210+1+2+3+4+5+6uc-6767677744200056666666

52、4420004767677744200036666666320-11-12444544410-1-11-1-1444544100-2-22-2-04442110-1-1-2-44-4+04442110112-4-44+12222001-4-45444+211110-1-444-544-4+31110-2-3-6-6666-6-6+400024-47-77-6767+5000-24-46-66666-6+6000244-77-7-67-67中北大學(xué)2013屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書中北大學(xué)2013屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書中北大學(xué)2013屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書第 #頁共37頁第 頁共37頁第 頁共37頁4模糊PID的MA

53、TLAB仿真4.1用MATLAB模糊邏輯工具箱設(shè)計(jì)模糊控制器隸屬度函數(shù)的建立在MATLAB軟件中鍵入“FUZZY”命令，進(jìn)入模糊邏輯編輯窗口“FISEditor”.建立一個(gè)兩輸入三輸出的模糊控制器，其中輸入為E、EC，輸出為Kp、Ki、Kd。輸入輸出的的三角形隸屬度函數(shù)如圖4。1所示。圖4。1三角形隸屬度函數(shù)模糊控制規(guī)則及決策方法控制規(guī)則是對專家理論知識和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的總結(jié)，如果取E、EC、Kp、Ti、Td的模糊子集均為NB,PB，則其模糊控制規(guī)則共有49條。在MATLAB軟件的“RulesEditOr口中輸入其49條規(guī)則，如圖所示。根據(jù)以上規(guī)則和方法,設(shè)計(jì)出模糊控制器的輸出與輸入的關(guān)系圖，如圖4

54、。2所示。圖4。2模糊控制規(guī)則表圖4.3模糊規(guī)則觀察器4.2SIMULINK仿真模擬控制系統(tǒng)采用的被控對象為雙容水箱，設(shè)其數(shù)學(xué)模型為圖4。4模糊PID控制系統(tǒng)仿真模型圖4.5模糊PID控制系統(tǒng)輸出圖形模糊PID控制具有超調(diào)量小、響應(yīng)時(shí)間短、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。5系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)5。1西門子S7-300PLCS7300是模塊式的中小型PLC,主要由機(jī)架、CPU模塊、信號模塊、功能模塊、接口模塊、通信處理器、電源模塊和編程設(shè)備組成。S7-300的CPU模塊都有一個(gè)編程用的RS485接口，使用西門子的多點(diǎn)接口（MPI）通信協(xié)議，可以建立一個(gè)多點(diǎn)接口網(wǎng)絡(luò)或DP網(wǎng)絡(luò)。CPU采用智能化的診斷系統(tǒng)連續(xù)監(jiān)控系統(tǒng)的

55、功能是否正常并記錄錯(cuò)誤和特殊系統(tǒng)事件.S7-300中還有看門狗中斷、過程報(bào)警、日期時(shí)間中斷和定時(shí)中斷等功能.S7300PLC采用模塊化結(jié)構(gòu)，但是各模塊間的連接總線獨(dú)立提供，連接總線直接布置于各模塊底部，因此可以直接在標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)軌上安裝。其具體構(gòu)成如圖5。1所示31.圖5。1S7300系統(tǒng)組成框圖其中各模塊功能如下：導(dǎo)軌：是S7-300的機(jī)架電源（PS）:將電網(wǎng)電壓變換為S7300工作所需的直流電壓中央處理單元（CPU）：執(zhí)行用戶程序接口模塊（IM）:連接兩個(gè)機(jī)架的總線信號模塊（SM）:將不同的過程信號與S7300相匹配功能模塊（FM）：完成定位、閉環(huán)控制等功能通信處理器（CP）:連接可編程控制器2

56、05。2液位控制系統(tǒng)組成圖5。2控制系統(tǒng)硬件連接圖作為系統(tǒng)的核心操作，負(fù)責(zé)編程軟件和組態(tài)監(jiān)控軟件的使用。本系統(tǒng)采用西門子S7300PLC.選擇帶有DP端口的CPU314-2DP，配置一塊數(shù)字量輸入模塊32DI、一塊數(shù)字量輸出模塊32D0、一塊數(shù)字量輸入/輸出混合模塊8DI/8DO。表51PLC輸入輸出地址分配輸入地址輸出地址中北大學(xué)2013屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書中北大學(xué)2013屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書第 頁共37頁第 #頁共37頁手動(dòng)控制按鈕I0.0上限報(bào)警燈Q1。0測試按鈕I0.1下限報(bào)警燈Q1。1消除按鈕10。2報(bào)警電鈴Q1.2液位信號PIW752正常工作燈Q1.3電磁閥控制信號QW752液位變送器電纜

57、式靜壓投入式液位計(jì)010米液位變送器(液位計(jì))壓力敏感核心采用了高性能的硅壓阻式壓力充油芯體，內(nèi)部的專用集成電路將傳感器毫伏信號轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)遠(yuǎn)距離的傳輸電流信號，可以直接與計(jì)算機(jī)接口卡、控制儀表、智能儀表或PLC等方便相連該系列產(chǎn)品廣泛應(yīng)用于工業(yè)過程控制、石油、化工、冶金等行業(yè)。1、主要技術(shù)參數(shù)(1)工作溫度：0C70C；變送器的準(zhǔn)確度等級分為：0。1級，基本誤差為土0。1；0.3級，基本誤差為0.3；0.5級，基本誤差為0。5(基本誤差以量程的百分?jǐn)?shù)表示)。熱零點(diǎn)漂移在環(huán)境溫度偏離參比工作條件溫度時(shí),變送器的零點(diǎn)漂移應(yīng)不大于0.03FS/C。熱靈敏度漂移在環(huán)境溫度偏離參比工作條件溫度時(shí)，變送器

58、的滿量程漂移應(yīng)不大于0。03FS/C.絕緣電阻在參比工作條件下，變送器各端子對地之間的絕緣電阻不得低于20MQ/250V。(2)電動(dòng)調(diào)節(jié)閥QSVP系列智能電動(dòng)單座調(diào)節(jié)閥是QS智能電動(dòng)調(diào)節(jié)閥系列產(chǎn)品之一，它由PsL智能型電動(dòng)執(zhí)行器與優(yōu)質(zhì)的國產(chǎn)閥門相組合構(gòu)成，是種高性能的調(diào)節(jié)閥，適用于各種不同壓力和溫度的流體和對泄漏要求高的場合?？蓮V泛應(yīng)用于電力、冶金、石油、化工、醫(yī)藥、鍋爐、輕工等行業(yè)的自動(dòng)控制系統(tǒng)中。電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)接受420mA控制信號，改變閥門的開度，同時(shí)將閥門開度的隔離信號反饋給控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對壓力、溫度、流量、液位等參數(shù)的調(diào)節(jié)33。主要特點(diǎn)配用PsL智能型直行程電動(dòng)執(zhí)行器，體積小、規(guī)格全、

59、重量輕、推力大、操作方便，無調(diào)整電位器,可靠性高、噪聲小。PSL電動(dòng)執(zhí)行器采用一體化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，具有自診斷功能，使用和調(diào)校十分方便。有數(shù)字顯示窗口，可看到控制信號值、閥位值。PSL智能型電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)功能：帶斷控制信號故障判斷、報(bào)警及保護(hù)功能。即斷信號時(shí)可使執(zhí)行機(jī)構(gòu)或開，或關(guān)，或保持，或在0100%之間予置的任意位置。閥門流體通道成S型，壓降損失小，流量大，流量特性精度高,可調(diào)范圍廣.中北大學(xué)2013屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書中北大學(xué)2013屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書6PLC編程實(shí)現(xiàn)6。1西門子S7300編程基礎(chǔ)S7系列PLC的CPU中運(yùn)行著兩種程序：操作系統(tǒng)程序和用戶程序.操作系統(tǒng)用來實(shí)現(xiàn)與特定的控制任務(wù)無關(guān)的功能

60、，包括處理PLC的啟動(dòng)、刷新輸入，輸出過程映像表、調(diào)用用戶程序、處理中斷和錯(cuò)誤、管理存儲區(qū)和處理通信等。用戶程序由用戶在STEP7中生成，然后將它下載到CPU。用戶程序包含處理用戶特定的自動(dòng)化任務(wù)所需要的所有功能，一般包括CPU啟動(dòng)時(shí)的初始化工作、處理過程數(shù)據(jù)、對中斷的響應(yīng)和對異常和錯(cuò)誤的處理等。STEP7采用結(jié)構(gòu)化編程方法，它將用戶編寫的程序和程序所需的數(shù)據(jù)放置在“塊”中，使單個(gè)的程序部件標(biāo)準(zhǔn)化。通過在塊內(nèi)或塊之間類似子程序的調(diào)用，使用戶程序結(jié)構(gòu)化，這樣可以簡化程序組織，使程序易于修改、查錯(cuò)和調(diào)試塊結(jié)構(gòu)顯著地增加了PLC程序的組織透明性、可理解性和易維護(hù)性,STEP7中主要有以下幾種類型的塊