改进型PID算法在双水箱控制系统中应用研究(2)

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3.3 PID控制器的参数整定 12

3.4 数字式PID的仿真 14

4 模糊PID控制器的设计与仿真 15

4.1 模糊控制简介 15

4.2 模糊系统及模糊控制器基本结构 15

4.3 模糊控制器的设计要求 16

4.4 模糊控制与PID结合 17

4.5 基于Simulink的模糊PID控制仿真 18

4.5.1 基于模糊规则的PID控制规律 18

4.5.2 模糊PID控制器的设计 19

总结与展望 23

致谢 24

1 绪论

1.1 研究的背景和意义

液位是工业生产过程控制中很重要的被控变量，因而液位控制系统是整机设计的重要部分，主要应用在水库、锅炉等方面。在这些生产领域极容易出现操作失误，引起事故，造成人身安全隐患和财产损失。可见在实际生产中液位控制的准确度和控制效果直接影响生产成本、经济效益以及设备的安全系数。所以为了保证生产安全、操作方便就必须研究开发先进的液位控制方法和策略。

液位控制设计中，自动控制理论一直是其主要的理论基础，而控制理论则经历了经典控制理论和现代控制理论两个发展阶段，现已进入了非线性智能控制理论发展时期，其中双容水箱液位具有典型的代表性。在液位控制系统中，PID控制一直是其最主要的控制方法。传统PID控制系统主要由PID控制器和被控对象组成，是一种线性控制器[1]。根据设定值和实际输出值构成控制偏差，将偏差按比例、积分和微分通过线性组合构成控制量对被控对象进行控制。比例部分的作用是对偏差瞬间做出反应，即控制作用的强弱取决于比例系数Kp；积分部分可以消除系统的偏差；微分部分的作用是阻止偏差的变化，有助于减少超调量，克服振荡，使系统趋于稳定，加快了系统的跟踪速度，但对于输入信号的噪声很敏感。就以上所述，传统PID控制简单明了，控制适应性好，有较强的鲁棒性，调整方便，适用于简单的对控制的精度和控制速度要求不是很高的工业控制回路，因而就单容水箱而言，传统PID控制完全能够满足其要求。

但社会的发展使得单容水箱控制不能满足工业生产和日常生活的需要，于是就产生了双容水箱甚至是多容水箱，但这些水箱的特性已经是非线性的，传统的线性PID控制无法满足其控制的需要。传统PID其三个参数设定后是不变的，不具备自适应的特性，因而其不适用于有大时间滞后、参数变化较大甚至结构也变化的控制对象，也不适用于系统复杂、环境复杂、控制性能要求高的场合。因而在双容水箱控制系统中，传统的PID控制方法难以保证系统适应控制系统的参数变化，液位始终有较大的波动很难实现理想的控制效果，进而就要求更好地控制方法。然而PID控制的突出作用使得我们又不能将其完全放弃，因而我们可以在传统PID控制的基础上对其进行一些改进，使得PID控制能够满足现代工业生产日常生活的需要。

1.2 PID控制的发展和前景

1.2.1 PID控制的发展史

PID控制技术的发展可以分为两个阶段[2]。20世纪30年代晚期微分控制的加入标志着PID控制成为一种标准结构，也是PID控制两个发展阶段的分水岭。第一阶段是发明阶段，1932年奈奎斯特发表了论文，采用图形的方法来判断系统的稳定性，在其基础上伯德等人建立了一套在频域范围设计反馈放大器的方法，同时反馈原理开始应用于工业过程中，1936年考伦德和斯蒂文森等人给出了PID控制的方法，PID控制就此正式成为一种新的控制方式；第二阶段是革新阶段，在此阶段PID控制器已经发展成为一种鲁棒的、可靠地、易于应用的控制器，从气动控制到电气控制到电子控制再到数字控制，PID控制器的体积逐渐减小，性能不断提高。随着社会的不断进步，各种新的控制技术、控制思想也渐渐出现，推动了PID控制技术的发展。一方面，各种新的控制思想不断被应用于PID控制器的设计之中或是使用新的控制思想设计出具有PID结构的新控制器，为PID控制技术注入新的活力；另一方面，某些新的控制技术的发展要求更精确的PID控制，从而刺激了PID控制技术的发展。论文网