基于fuzzy-pid控制器的双容水箱液位控制系统仿真控制系统仿真课程设计.doc

内蒙古科技大学 控制系统仿真课程设计说明书 题 目：基于fuzzy-pid控制器的双容水箱液位控制 系统仿真 学生姓名： 学 号： 专 业：测控技术与仪器 班 级： 指导教师： 2011 年 11 月 30 日 摘要 在本文中针对双容水箱的液位控制系统建立数学模型，使用Matlab/Simulink建模和仿真，根据给定参数设计的系统，系统的响应过程很慢，通常要很长时间才能达到平衡。超调量偏大，动态特性勉强符合要求，但由于系统存在的静差，并且误差较大，那么在实际工业生产中就很难符合工艺要求。 本次课程设计是在理解了模糊控制，对PID控制中各参数的作用进行分析，对系统进行校正。最后采用调整系统控制量的模糊PID控制的方法，对该二阶系统进行控制用Matlab/Simulink软件对相应的控制系统进行建模与仿真，并对控制器参数进行整定和优化，使整个控制系统达到最稳定的状态，该控制方法对于双容水箱系统控制是有效的。 关键词：双容水箱，模糊控制，PID 目 录 第一章 双容水箱液位控制系统的分析过程 1 1.1 对被控对象的分析与数学建模 1 第二章 PID控制器的设计过程 3 2.1 PID控制器的参数对系统性能影响分析 3 2.2 PID参数的整定 5 第三章 模糊控制器的设计过程 7 3.1 调整系统控制量的模糊PID控制方法 7 3.1.1模糊控制部分 7 3.1.2 仿真结果与分析 10 第四章 总结 12 参考文献 13 第一章 双容水箱液位控制系统的分析过程 1.1 对被控对象的分析与数学建模 该系统控制的是有纯延迟环节的二阶双容水箱，示意图如下： 水流入量Qi由调节阀u（FV101）控制，流出量Qo则由用户通过负载阀R来改变，被调量为下水箱水位h，分析水位在调节阀开度扰动下的动态特性。 其中A1A2分别为水箱的底面积，q1q2q3为水流量，R1R2为阀门1、2的阻力，称为液阻或流阻，经线性化处理，有：。则根据物料平衡对水箱1有： 拉式变换得： 对水箱2： 拉式变换得： 则对象的传递函数为： 其中为水箱1的时间常数，水箱2的时间常数，K为双容对象的放大系数。若系统还具有纯延迟，则传递函数的表达式为： 其中延迟时间常数。 2、对某种型号的水箱，在某一平衡点附近，建立其线性化模型，其中各参数分别为：T1=80s，T2=80s，K1=KuR1=1dm，K2=R2/R1=1，。在参考各种资料和数据的基础上，可设定该双容水箱的传递函数为： 由此，在Simulink中建立的系统传函模型如图1.1所示： 图1.1 Simulink中的系统传函模型 第二章 PID控制器的设计过程 为保持下水箱液位的稳定，设计中采用闭环系统，将下水箱液位信号经水位检测器送至控制器（PID），控制器将实际水位与设定值相比较，产生输出信号作用于执行器（控制阀），从而改变流量调节水位。当对象是单水箱时，通过不断调整PID参数，单闭环控制系统理论上可以达到比较好的效果，系统也将有较好的抗干扰能力。该设计对象属于双水箱系统，整个对象控制通道相对较长，如果采用单闭环控制系统，当上水箱有干扰时，此干扰经过控制通路传递到下水箱，会有很大的延迟，进而使控制器响应滞后，影响控制效果，在实际生产中，如果干扰频繁出现，无论如何调整PID参数，都将无法得到满意的效果。考虑到串级控制可以使某些主要干扰提前被发现，及早控制，在内环引入负反馈，检测上水箱液位，将液位信号送至副控制器，然后直接作用于控制阀，以此得到较好的控制效果。 模拟PID控制器的原理图2.1如图所示： 图2.1 模拟PID控制器原理图 2.1 PID控制器的参数对系统性能影响分析 图2.2 PID控制器仿真图 r(t)为系统给定值，c(t)为实际输出，u(t)为控制量。PID控制器是一种线性控制器，经过离散化处理的数字PID公式为： 式中：kp为比例系数；ki为积分系数；kd为微分系数。 比例调节作用：按比例反应系统的偏差，系统一旦出现了偏差，比例调节立