模糊控制算法在水箱液位控制系统中的应用(2)

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（3）模糊控制方法易于掌握。

因此，它特别适用于那些难以获得过程的精确数学模型及具有时变、时滞非线性、大滞后的复杂工业控制系统，具有较强的鲁棒性和抗干扰能力。现在模糊控制被越来越多地应用于工业过程、家用电器等复杂场合。

模糊控制系统的核心是模糊控制器，而模糊控制规则是设计模糊控制器的核心，它实际上决定了控制系统的性能及控制效果。

模糊控制也有缺陷：

（1）以前，模糊控制规则完全是凭操作者的经验或专家知识获取的，这并不能保证规则的最优或次最优，达到最佳控制的目的； （2）规则的获取没有系统的步骤可以遵循；

（3）在控制过程中，外界突加干扰，参数大幅度变化，原来总结的经验和规则不够等因素，都会严重影响控制质量。

1.3 液位控制系统研究的意义

随着工业生产的飞速发展，人们对生产过程的自动化控制水平、工业产品和服务产品质量的要求也越来越高。每一个先进、实用控制算法和监测算法的出现都对工业生产具有积极有效的推动作用。然而，当前的学术研究成果与实际生产应用技术水平并不是同步的，通常情况下实际生产中大规模应用的算法要比理论方面的研究滞后几年，甚至有的时候这种滞后相差几十年。这是目前控制领域所面临的最大问题，究其根源主要在于理论研究尚缺乏实际背景的支持，一旦应用于现场就会遇到各种各样的实际问题，制约了其应用。

因而，在目前尚不具有在实验室中重现真实工业过程条件的今天，开发经济实用且具有典型对象特性的实验装置无疑是一条探索将理论成果快速转换为实际应用技术的捷径。多容器流程系统是具有纯滞后的非线性耦合系统，是过程控制中的一种典型的控制对象，在实际生产中有着非常广泛的应用背景。

工业生产过程控制中的被控对象往往是多输入多输出系统，回路之间存在着耦合的现象。即系统的某一个输入影响到系统的多个输出，或者系统的某一个输出受到多个系统输入的影响。有时对该多变量系统进行解耦能够获得满意的控制效果。液位控制系统实验装置模拟了工业现场多种典型的非线性时变多耦合系统，用常规的控制手段往往很难实现理想的控制效果，因此对其控制算法进行研究具有非常重要的实际意义。

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1.4 本论文研究的主要内容

本论文主要包括四个内容：一是绪论主要介绍了模糊控制产生的背景与意义，液位控制系统的研究的意义等。二是综述了液位控制系统的构成与建模。三是模糊控制算法的介绍。四是传统PID控制器与模糊PID控制器的设计，并通过仿真结果把模糊PID控制器与传统PID控制器进行比较得出结论。

总之，作者在对液位控制系统建模与控制的深入学习和研究，阅读了大量的论文和报告后，提出了一些体会和想法，并通过仿真加以验证，同时获得了有益的实验结果，研究这一课题不仅具有较大的理论意义而且对实际工程应用也会产生深远的影响。

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2.1 引 言

2 液位控制系统的分析与建模

水箱液位控制系统实验装置是基于工业过程的物理模拟对象，它是集自动化仪表技术、计算机技术、通讯技术、自动控制技术为一体的多功能实验装置。根据自动化及其它相关专业教学的特点，吸收了国内外同类实验装置的特点和长处后，经过精心设计，多次实验和反复论证，推出了这一套全新的实验装置。该系统包括流量、液位、压力等参数，可实现系统参数辨识、单回路控制、串级控制、反馈控制、比值控制、解藕控制等多种控制形式。

图2.1给出了某一个水箱液位控制系统的结构示意图。由图，该系统的水箱主体由蓄水容器、检测组件和动力驱动三大部分构成。水箱1，2，3和储水箱是用来蓄水的容器；检测液位可以采用压力传感器或者浮漂加滑动变阻器两种方案来实现液位高度数字量的采集，采用电动调节阀用来进行控制回路流量的调节。整个系统通过不锈管道连接起来，储水箱为三个水箱提供水源，通道阀门开启时，水可以被分别送至三个水箱。三个水箱底部均有两个出水管道，其中装有手动阀的管道是控制系统的一部分，也可以手动调节阀门开度用来做漏水干扰的控制实验；另外一个直通管道则是在水箱液位达到最大值时经由它流至储水箱，以防止水箱里的水溢出水箱。

除了上述的控制对象组件，另外还有一个智能仪表综合控制台和一台计算机，这三个部分才构成了完整的液位控制系统实验装置。仪表综合控制台作为系统的电气部分，主要由三部分组成：电源控制屏面板、仪表面板和I/O信号接面板。该控制台通过插头与对象系统连接，结合实验装置水箱主体中应用到的不同组件对象，实验操作员可以自行连线组成不同的控制系统，从而实现几十种过程控制系统的实验。计算机用于采集控制台中的电流、电压信号，使用MCGS组态软件系统构造和生成上位机监控系统，并且与系统控制对象中的电动调节阀配套使用，组成最佳调节回路。

利用水箱液位系统实验装置中各个组件的不同组合情况，可以构成多种不同功能的实验系统。例如，开启与水箱1连接的电动调节阀以及其底部管道的手动阀，关闭水箱2、水箱3通道的所有阀门，关闭水箱1、水箱2和水箱3间的连接阀，这时就可以做单容水箱特性的实验。基于此，也可以打开与水箱2的连接阀和水箱2的出水阀，关闭水箱1出水阀，这样，就构成了双容水箱特性实验。本文主要研究双容水箱系统相关特性，

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根据本课题研究内容，需要打开储水箱与水箱1、水箱2连通的管道阀门，关闭与水箱2与水箱3连通的阀门，同时关闭水箱1和水箱3底部的出水阀，打开水箱2底部出水阀。具体参看图2.1所示的水箱结构示意图。其中，三个水箱截面积为A，水箱2出水孔截面积为An， h1， h2和h3分别为水箱1 （T1）、水箱2 （T2）和水箱3 （T3）的液位，hmax是最高液位。

图2.1 水箱液位系统结构示意图

实验系统的检测装置：

采用浮漂和滑动变阻器实现对水箱液位的采集和D/A转换。 实验系统的执行机构：

电动调节阀：采用智能型电动调节阀，用来进行控制回路流量的调节。电动调节阀型号为：QSVP-16K。具有精度高、技术先进、体积小、重量轻、推动力大、功能强、控制单元与电动执行机构一体化、可靠性高、操作方便等优点，控制信号为4-20mA DC或1-5V DC，输出4-20mA DC的阀位信号，使用和校正非常方便。

2.2 液位控制系统控制对象及控制策略

工业生产过程中的液位控制必须具有可靠的稳定性才能保证生产的正常，水箱系统控制的难点集中在对水箱的液位高度h的控制上。

传统PID调节已经不适合像液位控制系统这样的非线性、时变、多变量耦合的复杂系统。而模糊控制则以其响应速度快、鲁棒性强等特点脱颖而出，在液位控制系统控制

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中得到比较广泛的应用。但是，基本模糊控制器也有其缺点。首先，基本模糊控制器相当于PD控制，它不具备I（积分）作用，因此基本模糊控制器的稳态性能又不如传统PID控制器的稳态性能好；其次，基本模糊控制器的推理合成过程计算量大，信息损失严重，且模糊控制表的在线修改不方便。基于这些原因，人们针对模糊控制器的种种不足，又吸收融合了其它一些控制思想的优点，将基本模糊控制器加以改进，推出了多种改进型模糊控制器。例如：为了使模糊控制器得到比较好的稳态性能而推出了模糊PID控制器 （本文采用的正是这种控制器）、神经元模糊控制器和自寻最优模糊控制器，为了使模糊控制器对大滞后系统也能取得良好控制效果而推出Smith预估模糊控制器，为了便于模糊控制规则的修改而推出模糊数模型模糊控制器和带修正因子的模糊控制器。模糊控制技术的发展使模糊控制理论更加迎合控制场合的要求，使得模糊控制技术得到更广泛的应用。

2.3 被控对象的分析与建模

本文研究的水箱液位系统是具有纯延迟环节的二阶双容水箱，示意图如下：

图2.2 水箱液位示意

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