摘要

摘要

在储罐液位控制系统的设计中一般用常规PID控制器。一般常规的PID控制 器具有结构简单、鲁棒性强的特性。然而，常规的PID控制仍然有一些不足， 即对于现场地情况进行在线自整定以及非线性系统的控制，显得无能为力。模 糊控制是基于人们的经验和知识，不依赖于精确的数据，这给解决以上问题提 供了新的可能。一旦模糊控制应用于工业过程状况中时，却取得了一些很好的 效果。同时也遇到一些问题，即模糊控制在进入稳态后存在一定的静差。于 是，人们想到将模糊控制与PID结合起来，应用于工业过程中，却取得了良好 的效果。

本文将主要介绍模糊PID、系统模型的建立以及系统的MATLAB仿真。首 先，完成储罐液位控制系统的硬件系统的设计和系统的模型的建立；其次，对 模糊控制进行简介，并且完成系统的系统的模糊控制设计和MATLAB仿真；再 次，完成储罐液位控制系统的设计和其MATLAB仿真；最后，设计出储罐液位 控制系统的模糊PID控制系统，并对其进行MATLAB仿真。

通过比较仿真图，我们可以得到模糊PID控制器集PID控制器和模糊控制器 的优点于一身，即，具有良好的鲁棒性、响应快、对于非线性系统具有良好的 控制效果等。

关键词 ：常规PID控制,模糊控制,模糊PID控制

I

Abstract（英文摘要）

Abstract

Conventional PID controller, tank level control system design for general use. Conventional PID controller has a simple structure and robustness characteristics. Conventional PID control, however, still has some drawbacks for the site to online self-tuning control of nonlinear systems, it is powerless. Fuzzy control bases on the experience and knowledge of the people, but not depends on accurate data providing new possibilities to solve the above problems. Once the fuzzy control applied to industrial process conditions, but made some very good results. Also it encounters some problems, that is. fuzzy control cannot avoid a certain static error after entering steady state. So, people think of the fuzzy control and PID used in industrial processes to achieved good results.

This article focused on the establishment of fuzzy PID, the system model and system of the MATLAB simulation. First, this paper completed the model of the tank level control system and hardware design; Second, this paper introduced the fuzzy control and fuzzy control system design and MATLAB simulation; then complete the tank level control system design and MATLAB simulation; Finally, this paper designed the fuzzy PID control system for tank level control system, and MATLAB simulation.

By comparing simulation diagram, we can get the advantages of the fuzzy set of PID controller PID controller and fuzzy controller in one, that is, has a good robustness, fast response, and good control effect for nonlinear systems.

Key words : conventional PID control, fuzzy control, fuzzy PID control

II

目 录

目录

摘要..............................................................................................................................I
Abstract（英文摘要）................................................................................................II
目录...........................................................................................................................III
第一章绪论.................................................................................................................1
1.1 引言.................................................................................................................1
1.2 研究的目的和意义.........................................................................................1
1.3 模糊PID控制的研究现状...............................................................................2
1.4 常规液位控制系统采用模糊PID控制的可行性...........................................3
1.5 本文研究的主要内容.....................................................................................3
第二章储罐液位控制的硬件设计及系统模型的建立.............................................5
2.1 储罐液位控制系统.........................................................................................5
2.1.1 储罐液位控制系统的组成...................................................................5
2.1.2 储罐液位控制系统的控制目标...........................................................5
2.2 储罐液位控制系统硬件的设计.....................................................................6
2.2.1 储罐液位控制系统的硬件系统的具体组成部分的介绍...................6
2.3.1 单水箱被控被控对象的水箱模型.......................................................8
第三章模糊控制器的设计及其MATLAB仿真...........................................................12
3.1 模糊控制的基本思想...................................................................................12
3.2 模糊控制的基本原理...................................................................................13
3.3 模糊控制器的设计步骤...............................................................................13
3.3.1 模糊控制器结构.................................................................................14
3.3.3 模糊控制表的合成运算.....................................................................17
3.3.3.1 模糊控制规则..................................................................................17
3.3.4 模糊储罐液位控制系统的设计................................................................19
3.4.1 模糊化.................................................................................................20
3.4.2 定义模糊控制器的集合以及其隶属度函数表.................................20
3.4.3 建立模糊储罐液位控制体系的控制规则表.....................................21
3.5 模糊储罐液位控制系统的simulink仿真.....................................................22

III

目 录

第四章	模糊PID储罐液位控制系统的设计及其MATLAB的仿真.........................23
4.1	PID控制的原理...........................................................................................23
	4.1.1 PID控制器的模型................................................................................23
4.2	PID储罐液位控制系统的MATLAB仿真..................................................25
4.3	模糊PID控制原理.........................................................................................27
4.4	模糊PID储罐液位控制系统的设计.............................................................28
	4.4.1 模糊PID液位控制器的模糊化...........................................................28
	4.4.2 模糊PID储罐液位控制系统控制规则的设计.................................28
4.5	模糊PID的储罐液位控制系统的Simulink仿真..........................................30
总结..	.........................................................................................................................32
参考文	献.....................................................................................................................33
致谢..	.........................................................................................................................34

IV

目 录

第一章绪论

1.1 引言

储罐的液位控制系统是以控制液位的高度为目的控制系统，其被广泛的应 用于工业生产过程的各个领域之中。例如在玻璃砖窑中，液位的稳定队玻璃砖 窑的寿命起到至关重要的作用。同时，液位控制还要求当遇到干扰时，液位控 制系统能够迅速，准确的回到要求液位的高度。

在本设计中，以储罐液位系统的储罐作为研究对象，储罐的液位为被控制 量。为了达到快速、准确、稳定的目的，储罐液位控制系统主要采取模糊控制 以及PID相结合的方法进行控制调节。同时，本文还将论述PID控制器，模糊控 制器，模糊PID控制器的设计。

1.2 研究的目的和意义

在实际应用中传统的控制理论基本能够满足工程技术及各种其他领域的要 求。然而。随着工业和现代化技术的发展，许多的领域对自动控制的控制精确 性、相应速度、系统稳定性与适应能力提出了越来越高的要求，应用的范围也 要求更加广泛。尤其电子计算机的快速发展和迅猛的更新换代，推动了控制理 论的更深入的开展，并且进入了一个新的时代。控制理论的迅速发展，伴随着 出现了许多的新的算法。但是，以PID为基本原理的各种控制器仍然是过程开 展中不可或缺的基本开展单元。至今，90％以上的工业过程中采用PID控制算 法，PID控制技术已经得到了很好的发展，研究者提出了许多控制系统设计和 参数调整的方法。这是因为PID控制具有结构简单、容易实现、控制效果好等 特点。

面对变化多端的工业生产，PID控制器就无法随时变化，以适应不同的情 况。尽管，可以让人来在线调整，但是这种整定工作不仅需要熟练地技巧，而 且还特别费时。此外，更重要的是，当被控制的对象发生变化时，需要PID控

第一章绪论

制器参数作出相应的变化。PID控制器没有这种“自适应”能力，必须依靠人工 对其参数重新进行整定。在工业生产过程中，连续性的要求以及参数整定所需 要的时间，这种重新整定是很难进行的。于是把模糊控制和PID，就是为解决 这种问题应用而生的。

自第一篇关于模糊理论的论文发表以来，模糊理论得到了迅速的发展，同 时人们理论奠定了基础，模糊逻辑控制成为非线性控制系统建模和控制的一种 有效方法。

模糊控制从诞生到现在，不过短短的几十年时间，却在医学、经济、军事 尤其是在工业生产过程中取得了巨大的发展。还被人们应用于生活和生产的许 多新的领域之中。模糊逻辑倍受广大工程人员的欢迎，各种新的应用和新的产 品层出不穷。相比于精确逻辑，模糊逻辑具有以下特点：

（1）控制系统的设计不需要知道被控对象的精确数学模型，只需要相关人 员的经验。

（2）具有良好的鲁棒性，对解决变化复杂的工业可以实施很好的控制。

（3）由于加入了人的经验，所以可以解决变化复杂的系统不好控制的问 题。

（4）选用语言作为变量，易于构成专家的“知识”。

1.3 模糊PID控制的研究现状

PID控制器的参数整定与系统的控制质量是直接相关的，而控制质量显著影 响着经济效益。一次。PID控制器的参数成为过程研究的主要方向之一。常规 的PID存在着许多的问题。虽然现在有一些整定PID控制器参数的方法。而且， 还可以使用计算机来寻找PID参数方法。然而这些都具有局限性，采用的辨识 必须建立在控制对象精确的数学模型基础上，当被控对象存在着结构非线性、 参数时变或者模型不确定时，其辨识结果便显得无能为力了。总而言之，由于 常规PID控制器不具有在线整定参数的能力，进而影响控制的效果。把模糊控 制与PID结合，可以利用模糊推理对系统的参数进行整定，产生良好地效果。

第一章绪论

在现实中，多数的模糊控制器是模糊PID 型的。模糊控制技术在模糊控制 中扮演者至关重要的角色，并且还将是将来研究与应用的重要技术之一。从过 去传统到现在控制技术的应用历史置中，我们完全可以理解这种情况。现代控 制理论在许多控制应用中取得了巨大的成功。许多的范例证明反馈是一个非常 好的思想。反馈的广泛应用对显著提高性能起着革民性的影响。而且PID控制 器是迄今为止应用最为广泛的反馈形式，90％以上的控制回路都采用PID控制 器。然而，对于复杂的系统PID控制器就无法实现良好地效果。于是人们对其 进行不断地改进，使其更加适用于工业生产。所以，PID技术的研究吸引了大 批学者与过程技术研究人员对其进行不懈的研究，特别是最近的几十年内，重 新掀起了对于PID控制技术研究的热潮。同时研究表明，模糊PID不仅可以解决 简单的线性系统的控制问题，而且对于许多复杂的非线性、高阶、时延性等的 系统具有良好的控制效果。模糊PID实际上市一种变增益或自调节PID。根据模 糊推理机输出量的直接物理含义。现如今又出现了将PID和模糊PID结合的控制 器、PID和模糊PID交叉使用控制器。这些新型的的控制器会有更好的控制效 果。例如，在一般稳定运行的情况下，采用PID控制，一旦遇到干扰，就将控 制器切换到模糊PID控制器上，以适应变化，从而达到良好的控制效果。

1.4 常规液位控制系统采用模糊PID控制的可行性

面对变化多端的工业生产过程，以及难以预料的干扰因素时，就控制参数 就需要调整。自适应控制应用于现代控制理论，可以对辨识对象实施在线控 制，实时改变其控制策略，从而使控制系统达到较好的控制效果。然而，人的 经验不容易描述，而且在控制过程当中有存在着许多的难以描述清楚地变量， 而模糊控制正是针对这种情况的。

有以上分析可知，模糊PID可以应用在具有明显非线性系统中，如储罐的液 位控制系统，也可以获得很好的可知效果。同时，大量的理论研究和实践也充 分证明了模糊PID针对复杂的系统，如非线性系统等，实施较好的控制。这是 因为他将模糊控制的和PID控制的优点集于一身。所以在储罐液位控制系统中 采用模糊PID控制。

1.5 本文研究的主要内容

第一章绪论

• （1）首先建立起被控对象的模型。

（2）对于储罐液位控制系统，设计出模糊控制隶属函数、模糊规则以及模糊 控制器。然后对模糊控制的储罐液位控制系统进行仿真，并且与储罐液位系统 的模型改变后进行比较，观察对系统的影响。

（3）对于储罐液位控制系统，设计出PID控制器，然后对PID储罐液位控制 系统进行仿真，并且与储罐液位控制系统的模型参数变化后进行比较，观察对 系统的影响。

（4）对于储罐液位控制系统，设计器隶属函数和模糊规则，以及模糊PID控 制器。然后在MATLAB中进行仿真，并且与储罐液位控制系统的模型参数变化 后进行比较，观察对系统的影响。

第二章储罐液位控制的硬件设计及系统模型的建立

第二章储罐液位控制的硬件设计及系统模型的建立

2.1 储罐液位控制系统

储罐液位控制系统的主要目的是控制储罐的液位，主要干扰源有：随机流 入储罐的液体及其向下的冲力、密封地储罐内由于液体体积的变化而引起的气 压变化。在控制过程中，需要考虑的是：储罐液位上涨不能超过警戒线，且液 位不能低于规定的值。

2.1.1 储罐液位控制系统的组成

储罐液位控制系统的结构图如图2-1所示。

图2-1 储罐液位控制系统的结构图

它有控制器、电动阀门、储罐、液位变送器、手动阀门组成。电动阀门用 于调节储罐的流入量的大小，液位变送器用于检测储罐的液位，控制器控制电 动调节阀门的开度。

• 2.1.2 储罐液位控制系统的控制目标

第二章储罐液位控制的硬件设计及系统模型的建立

储罐液位控制系统的设计目标是的被控制的液位能够稳、准、快地稳定在 所给定的液位值上，稳态液位误差不超过5mm，储罐的液位变化范围为0到 200mm。

2.2 储罐液位控制系统硬件的设计

建立模糊PID储罐液位控制系统的最终目的，是为了能够实现对现实中硬 件电路的设计，然后完成对被控制的对象的控制，从而实现工业的生产。而工 业生产的目的就是在保证质量、产量、效率的情况下，对于原材料、能源以及 其它一些要素最大限度的节省，从而实现经济效益的最大化。具体来说，控制 的目的可以分为下面三个方面：

能够确保在控制过程中，过程稳态以及动态工况处在最优处。在工业生产 过程中，需要确保的是产品的质量过硬以及生产过程必须保证人员和设备的安 全。在满足这两个基本条件之后，最重要的目标就是实现经济效益的最大化。 而这就需要保证在生产过程中各个环节的稳定运行以及在动态变化时，能够迅 速做出调整，使得工况处在最优环节。

（1）在外界有干扰的情况之下，能够实现快速的抑制。由于在工业生产 过程中会遇到各种各样的干扰，而这些干扰会对工业的生产带来巨大的影响。 在种情况之下，快速抑制干扰就显得尤为重要。

（2）生产过程需要保持稳定。在控制工程中会遇到许多的干扰，我要做 的不仅是是系统能够快速抑制干扰，还需要时系统能够保持在预定的条件之下 运行。这主要是为了针对那些生产过程本身就是不断变化的生产过程。

本设计针对这些有以下几部分组成：

（1）PC机；

• （2）控制器；

• （3）执行器；

• （4）测量仪表以及敏感元件。

2.2.1 储罐液位控制系统的硬件系统的具体组成部分的介绍