模糊控制算法在水箱液位控制系统中的应用

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模糊控制算法在水箱液位控制系统中的应用

摘 要

液位控制是工业控制中的一个重要问题，针对液位控制过程中存在时变、非线性等特点，为适应复杂系统的控制要求，人们研制了种类繁多的先进的智能控制器，模糊PID控制器便是其中之一。模糊PID控制结合了PID控制算法和模糊控制算法的优点，可以在线实现PID参数的调整，使控制系统的响应速度快，过渡过程时间大大缩短，超调量减少，振荡次数少，具有较强的鲁棒性和稳定性，在模糊控制中扮演着十分重要的角色。本文介绍了模糊PID控制在双容水箱的液位控制系统中的应用。首先建立了液位控制系统数学模型，介绍了PID控制、模糊控制以及模糊PID的基本原理，然后利用MATLAB软件给出了设计结果，仿真结果验证了设计方法的有效性。

关键词：液位控制；模糊PID控制；仿真

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Application of fuzzy control algorithm in the tank

liquid level control system

Abstract

Liquid level control is an important problem in industrial control, for level control in big delay, time-varying and nonlinear characteristic, in order to adapt to complex system control requirements, people developed a wide range of advanced intelligent controller, fuzzy PID controller is one of them. Fuzzy PID control combined with PID control algorithm and the advantage of fuzzy control method, can realize adjustment of PID parameters online, and make the control system response speed, greatly shorten the transition time, overshoot less, fewer oscillations, has strong robustness and stability, and plays an important role in fuzzy control. This paper introduces the fuzzy PID control in the application of the double let water tank liquid level control system. Liquid level control system mathematical model is established first, and introduces the PID control, fuzzy control and the basic principle of fuzzy PID, and design result given by using MATLAB software, the simulation results verify the validity of the proposed design method.

Keywords：liquid level control；fuzzy PID control；simulation

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目 录

摘 要 .................................................................................................................... I ABSTRACT ......................................................................................................... II 1 绪 论 ............................................................................................................... 1

1.1 课题研究的背景与意义 .................................................................................................. 1 1.2 模糊控制产生的背景与意义 .......................................................................................... 1 1.3 液位控制系统研究的意义 .............................................................................................. 2 1.4 本论文研究的主要内容 .................................................................................................. 3

2 液位控制系统的分析与建模 ........................................................................... 4

2.1 引 言 ............................................................................................................................... 4 2.2 液位控制系统控制对象及控制策略 .............................................................................. 5 2.3 被控对象的分析与建模 .................................................................................................. 6 2.4 本章小结 .......................................................................................................................... 8

3 控制算法研究 ................................................................................................... 9

3.1 模糊控制算法 .................................................................................................................. 9 3.1.1 模糊控制的产生及发展 ........................................................................................... 9 3.1.2 模糊控制的特点 ..................................................................................................... 10 3.1.3 模糊控制的基本概念 ............................................................................................. 10 3.1.4 模糊控制的基本理论 ............................................................................................. 14 3.2 本章小结 ........................................................................................................................ 18

4 模糊控制算法在水箱液位控制中的应用 ...................................................... 19

4.1 PID控制在双容水箱液位控制系统中的仿真研究 ..................................................... 19 4.1.1 PID控制算法 .......................................................................................................... 19 4.1.2 PID参数对系统性能的影响 .................................................................................. 21 4.1.3 PID参数的整定方法 .............................................................................................. 21 4.2 模糊自整定PID在双容水箱液位系统中的应用 ....................................................... 25

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4.2.1 模糊PID控制器的设计 ........................................................................................ 25 4.2.2 模糊控制部分 ......................................................................................................... 25 4.3 仿真结果与分析 ............................................................................................................ 29

结 论 .................................................................................................................. 31 致 谢 .................................................................................................................. 32 参考文献 .............................................................................................................. 33

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1 绪 论

1.1 课题研究的背景与意义

随着工业生产的飞速发展，人们对控制系统的控制精度、响应速度、系统稳定性与适应能力的要求越来越高。而实际工业生产过程中的被控对象往往具有非线性、时延的特点，应用常规的控制手段难以达到理想的控制效果，研究对非线性、时延对象的先进控制策略，提高系统的控制水平，具有重要的实际意义。

本文所提及的液位控制系统是一种可以模拟多种对象特性的实验装置。该装置是进行控制理论与控制工程教学、实验和研究的理想平台，可以方便的构成多阶系统对象，用户既可通过经典的PID控制器设计与调试，完成经典控制教学实验，也可通过模糊逻辑控制器的设计与调试，进行智能控制教学实验与研究。

1.2 模糊控制产生的背景与意义

随着现代科学技术的迅速发展，生产系统的规模越来越大，形成了复杂的大系统，导致了控制对象、控制器以及控制任务和目的的日益复杂化。另一方面，人类对自动化的要求也更加广泛，传统的自动控制理论和方法显得已不能适应复杂系统的控制。在许多系统中，复杂性不仅仅表现在很高的维数上，更多表现在：

（1）被控对象模型的不确定性； （2）系统信息的模糊性； （3）高度非线性；

（4）多层次、多目标的控制要求。

因此，建立一种更有力的控制理论和方法来解决上述提出的问题，就显得十分重要。 模糊控制是智能控制的一种典型和较早的形式，作为智能控制的一个分支，1974年英国的Mandani成功将其应用于锅炉和蒸汽机的控制，近几年来得到了飞速的发展。模糊控制是模糊数学和控制理论相结合的产物，它利用了人的思维具有模糊性的特点，通过使用模糊数学中的隶属度函数、模糊关系、模糊推理等工具得到控制表格进行控制，它具有许多特点：

（1）不需要建立被控对象的数学模型； （2）系统鲁棒性强；

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