1、编号： 本科毕业设计（论文）题目：基于模糊自适应 PID算法的液位控制系统设计Level control system design based on fuzzy adaptive PID algorithm学 院 专 业 班 级 学 号 姓 名 指导教师 职称 完成日期 I诚 信 承 诺我谨在此承诺：本人所写的毕业论文基于模糊自适应 PID 算法的液位控制系统设计均系本人独立完成，没有抄袭行为，凡涉及其他作者的观点和材料，均作了注释，若有不实，后果由本人承担。承诺人（签名）： 年 月 日基于模糊自适应 PID 算法的液位控制系统设计II摘 要【摘要】由于液位系统存在非线性、参数时变、随机干扰
2、多等特性，用传统的 PID 控制策略已经很难达到理想的控制效果。所以本论文采用模糊 PID 控制方法。本文通过对 AE2000A 型过程控制装置中的双水位控制系统的分析，建立相对应的模糊 PID 控制策略，对双容水箱进行串级控制，其中主控调节器采用模糊 PID 控制，副控调节器采用常规 PID 控制。在 MCGS 组态软件运行环境中实现对双容水箱液位控制系统的液位控制，并通过 MCGS 组态软件记录、采集相应的数据，在这些数据的基础上分析、总结模糊 PID 的控制效果。由实验结果表明，采用模糊 PID 控制双容水箱的下水箱液位，其响应速度快，能够较快的达到稳定状态，明显改善了系统的性能。【关键
3、词】模糊 PID；MCGS；液位控制；模糊控制。IIILevel control system design based on fuzzy adaptive PID algorithmAbstract【ABSTRACT】Because of the liquid level system is a nonlinear ,time-varying parameters,much random interfence system, applying the e traditional PID control method is difficult to achieve the ideal resu
4、lts. So we often take the fuzzy PID control method.In this paper, by analysis the two-tank water system of AE2000A experimental device, corresponding to fuzzy PID control strategy, cascade control to the dual-tank water, master regulator using the fuzzy PID control and vice control using the convent
5、ional PID control. Open the MCGS configuration software to achieve the level control of dual-tank water level control and records , collecting the corresponding data. Analysis on the basic of these data , summarize the effect of fuzzy PID control.The experimental results show that the fuzzy PID cont
6、rol to control the level of lower water tank having a fast response .It is able to quickly reach the steady state and significant improvements in system performance.【KEYWORDS】fuzzy PID；MCGS；Liquid level control；fuzzy control。基于模糊自适应 PID 算法的液位控制系统设计IV目 录摘 要 .IIAbstract.III目 录 .IV1 绪论 .11.1 液位控制的研究背景
7、.11.2 过程控制的概述及发展 .11.3 课题研究意义和背景 .22 液位控制实现所需的硬件与软件介绍 .32.1 系统所需的硬件和软件 .32.2 系统的设计目的及流程 .32.3 AE2000A 型过程实验系统的介绍 .32.4 MCGS 组态软件介绍 .72.4.1 MCGS 组态软件的特点 .82.4.3 MCGS 的设计 .92.5 MATLAB 仿真软件 .123 PID 控制系统 .143.1 PID 控制概述 .143.1.1 比例(P)调解 .143.1.2 积分（I）调节 .153.1.3 比例积分（PI）调节 .153.1.4 比例积分微分（PID）调节 .163.2
8、 数字 PID 控制器 .173.2.1 PID 控制参数对系统性能的影响 .173.2.2 PID 参数的整定 .183.3 过程控制系统的性能指标 .204 模糊 PID 控制系统 .214.1 模糊控制概况 .214.1.1 模糊控制中常用的数学原理 .234.2 模糊自适应 PID 控制器的设计 .254.2.1 液位控制系统中的模糊化 .264.2.2 建立模糊推理规则 .264.3 模糊 PID 控制算法 .285 串级控制系统 .295.1 串级控制 .295.1.1 串级系统的特点及适用场合 .295.1.2 主、副调节器的选择 .305.2 数学模型的建立 .305.3 MA
9、TLAB 仿真 .335.3.1 设备的连接和相关检查 .345.4 模糊 PID 在液位控制系统中的应用 .36V参考文献 .40致谢 .42附录 .4311 绪论1.1 液位控制的研究背景液 位 控 制 是 工 业 中 常 见 的 过 程 控 制 ， 是 自 来 水 厂 、 化 肥 厂 、 锅 炉 厂 、 炼 铁 厂 水 处 理 等 系 统的 重 要 环 节 ， 它 对 生 产 的 影 响 不 容 忽 视 。 它 直 接 影 响 到 产 品 的 质 量 及 经 济 效 应 。 但 这 些 系 统 普遍 存 在 着 非 线 性 、 参 数 时 变 、 耦 合 、 随 机 干 扰 、 数 学
10、模 型 难 以 建 立 等 特 点 。 由 于 液 体 本 身 的属 性 及 控 制 结 构 摩 擦 、 噪 声 等 的 影 响 ， 控 制 对 象 具 有 一 定 的 纯 滞 后 和 容 量 滞 后 的 特 点 ， 液 位 上 升过 程 缓 慢 ， 呈 非 线 性 。 所 以 ， 液 位 控 制 装 置 的 可 靠 性 与 控 制 方 案 的 准 确 性 是 影 响 整 个 系 统 性 能 的关 键 。 采 用 传 统 的 PID 或 单 一 的 控 制 方 法 难 以 满 足 现 场 控 制 性 能 的 要 求 ， 其 效 果 并 不 理 想 ， 系统 响 应 的 调 节 时 间 也 较
11、长 。 因 此 ， 对 具 有 非 线 性 、 参 数 时 变 、 纯 滞 后 的 控 制 对 象 的 控 制 策 略 的 研究 ， 找 到 一 个 好 的 控 制 策 略 ， 提 高 整 个 系 统 的 控 制 水 平 ， 具 有 非 常 重 大 的 意 义 。1.2 过程控制的概述及发展工业自动化涉及到很多内容，具有很多分支，而过程控制（process control）可以说是工业自动化分支中最重要的一个。它主要所谓六大参数，即温度、压力、流量、液位(或物位) 、成分和物性等参数的控制问题。它覆盖许多工业部门，诸如石油、化工、电力、冶金、轻工、纺织等等，因而，过程控制在国民经济中占有极其重
12、要的地位。过程控制具有以下特点：1、被控过程复杂多样工业生产是多种多样的，生产过程本身大多比较复杂，规模大小不同，生产的产品千差万别，因此过程控制的被控过程也是多种多样。生产过程中充斥着物理变化、化学反应、生化反应，还有物质和能量的转换盒传递，生产过程的复杂性决定了对它进行控制的艰难程度。2、对象动态特性纯在滞后和非线性生产的过程许多是在很大的生产设备的内部进行，例如，热工程中锅炉、换热器、动力核反应堆等，对象的储存能力大，惯性也较大，设备内介质的流动或热量传递都存在一定的阻力，并且往往具有自动转向平衡的趋势。因此，当流入（流出）对象的质量、能量等属性发生改变时，由于存在惯性、阻力等因素，被控
13、参数不能马上产生响应，这种现象称为纯滞后。一般来说，热工过程大多具有较大的滞后，它对任何信号的响应都会延迟一些时间，使输出/输入之间产生相移，容易引起反馈汇入产生振荡，对自动控制会产生十分不利的影响。同时大多数生产过程都具有非线性特性，因此弄清楚非线性的原因及非线性的实质是极为重要的。3 过程控制方案丰富多样基于模糊自适应 PID 算法的液位控制系统设计2由于工业过程的复杂性和多样性，决定了过程控制系统的控制方案的多样性。为了满足生产过程中越来越高的要求，过程控制方案也也来越丰富。通常有单变量控制系统，也有多变量控制系统；有常规仪表过程控制也有计算机集散控制系统；有提高控制品质的控制系统也有实
14、现特殊工艺要求的控制系统；有传统的 PID 控制，也有先进的控制系统，例如自适应控制、预测控制解耦控制和模糊控制等。4 过程控制系统有规范化的过程检测控制仪表组成过程控制系统由过程检测、变送和控制仪表、执行装置的组成，通过各种类型的仪表完成对过程变量的检测、变送和控制，并经执行装置作用于生产过程。传统的简单过程控制系统是由过程检测控制仪表（包括测量元件、变送器、调节器和执行器）组成和被控过程连接部分组成，从过程控制的基本组成来看，过程控制系统总是包括对过程变量的检测变送、对信号的控制运算和输出到执行装置，完成所需操纵变量的改变，从而达到所需的控制指标。1.3 课题研究意义和背景随着工业生产水平
15、的快速发展，人们对控制系统的精度、响应速度、稳定性和适应能力的要求也越来越苛刻，然而实际工业生产过程中的系统往往具有非线性、时变性、滞后性等特点。在这些因素的影响下，系统难以建立精确的数学模型，更别说确定控制器的参数。因此研究非线性、时滞对象的先进控制策略，对提高系统的控制水平具有重大意义。液位控制是工业生产过程中经常会碰到的控制对象，由于液体本身属性及控制机构磨擦、噪声等的影响，控制对象具有一定纯滞后和容量滞后的特点，液位上升过程缓慢，呈现非线性。因此，液位控制装置的可靠性与控制方案的准确性是影响整个系统性能的关键 3。虽然模糊控制与 PID 控制是工业控制中两种常用的控制方法，然而，随着工业控制系统的复杂程度及对控制精度要求的日益提高，单一的模糊控制或 PID 控制已无法适应并满足控制系统对复杂程度和控制精度的要求 4。为此，本设计决定研究模糊 PID 控制在液位系统中的应用。模糊 PID 控制就是将模糊控制思想与常规 PID 控制器相结合，吸收了模糊控制与常规 PID 控制两者的优点。它以传统 PID 控制器为基础，引入模糊集合论，将 PID 参数根据偏差和偏差变化值的大小而动态变化，这样显然更符合被控对象真实的控制规律，使模糊控制得到更广泛的应用。它是解决 PID 参数在线调整问题一种有效方法，比常规 PID 控制器控制性能好，可靠性更高。
