基于模糊自适应PID算法的液位控制系统设计.doc

1、编号本科毕业设计（论文）题目基于模糊自适应PID算法的液位控制系统设计LEVELCONTROLSYSTEMDESIGNBASEDONFUZZYADAPTIVEPIDALGORITHM学院专业班级学号姓名指导教师职称完成日期I诚信承诺我谨在此承诺本人所写的毕业论文基于模糊自适应PID算法的液位控制系统设计均系本人独立完成，没有抄袭行为，凡涉及其他作者的观点和材料，均作了注释，若有不实，后果由本人承担。承诺人（签名）年月日基于模糊自适应PID算法的液位控制系统设计II摘要【摘要】由于液位系统存在非线性、参数时变、随机干扰多等特性，用传统的PID控制策略已经很难达到理想的控制效果。所以本论文采用模糊

2、PID控制方法。本文通过对AE2000A型过程控制装置中的双水位控制系统的分析，建立相对应的模糊PID控制策略，对双容水箱进行串级控制，其中主控调节器采用模糊PID控制，副控调节器采用常规PID控制。在MCGS组态软件运行环境中实现对双容水箱液位控制系统的液位控制，并通过MCGS组态软件记录、采集相应的数据，在这些数据的基础上分析、总结模糊PID的控制效果。由实验结果表明，采用模糊PID控制双容水箱的下水箱液位，其响应速度快，能够较快的达到稳定状态，明显改善了系统的性能。【关键词】模糊PID；MCGS；液位控制；模糊控制。IIILEVELCONTROLSYSTEMDESIGNBASEDONFU

3、ZZYADAPTIVEPIDALGORITHMABSTRACT【ABSTRACT】BECAUSEOFTHELIQUIDLEVELSYSTEMISANONLINEAR,TIMEVARYINGPARAMETERS,MUCHRANDOMINTERFENCESYSTEM,APPLYINGTHEETRADITIONALPIDCONTROLMETHODISDIFFICULTTOACHIEVETHEIDEALRESULTSSOWEOFTENTAKETHEFUZZYPIDCONTROLMETHODINTHISPAPER,BYANALYSISTHETWOTANKWATERSYSTEMOFAE2000AEXPER

4、IMENTALDEVICE,CORRESPONDINGTOFUZZYPIDCONTROLSTRATEGY,CASCADECONTROLTOTHEDUALTANKWATER,MASTERREGULATORUSINGTHEFUZZYPIDCONTROLANDVICECONTROLUSINGTHECONVENTIONALPIDCONTROLOPENTHEMCGSCONFIGURATIONSOFTWARETOACHIEVETHELEVELCONTROLOFDUALTANKWATERLEVELCONTROLANDRECORDS,COLLECTINGTHECORRESPONDINGDATAANALYSIS

5、ONTHEBASICOFTHESEDATA,SUMMARIZETHEEFFECTOFFUZZYPIDCONTROLTHEEXPERIMENTALRESULTSSHOWTHATTHEFUZZYPIDCONTROLTOCONTROLTHELEVELOFLOWERWATERTANKHAVINGAFASTRESPONSEITISABLETOQUICKLYREACHTHESTEADYSTATEANDSIGNIFICANTIMPROVEMENTSINSYSTEMPERFORMANCE【KEYWORDS】FUZZYPID；MCGS；LIQUIDLEVELCONTROL；FUZZYCONTROL。基于模糊自适

6、应PID算法的液位控制系统设计IV目录摘要IIABSTRACTIII目录IV1绪论111液位控制的研究背景112过程控制的概述及发展113课题研究意义和背景22液位控制实现所需的硬件与软件介绍321系统所需的硬件和软件322系统的设计目的及流程323AE2000A型过程实验系统的介绍324MCGS组态软件介绍7241MCGS组态软件的特点8243MCGS的设计925MATLAB仿真软件123PID控制系统1431PID控制概述14311比例P调解14312积分（I）调节15313比例积分（PI）调节15314比例积分微分（PID）调节1632数字PID控制器16321PID控制参数对系统性能的

7、影响17322PID参数的整定1833过程控制系统的性能指标204模糊PID控制系统2141模糊控制概况21411模糊控制中常用的数学原理2342模糊自适应PID控制器的设计25421液位控制系统中的模糊化26422建立模糊推理规则2643模糊PID控制算法285串级控制系统2951串级控制29511串级系统的特点及适用场合29512主、副调节器的选择3052数学模型的建立3053MATLAB仿真33531设备的连接和相关检查3454模糊PID在液位控制系统中的应用36V参考文献41致谢43附录4411绪论11液位控制的研究背景液位控制是工业中常见的过程控制，是自来水厂、化肥厂、锅炉厂、炼铁厂

8、水处理等系统的重要环节，它对生产的影响不容忽视。它直接影响到产品的质量及经济效应。但这些系统普遍存在着非线性、参数时变、耦合、随机干扰、数学模型难以建立等特点。由于液体本身的属性及控制结构摩擦、噪声等的影响，控制对象具有一定的纯滞后和容量滞后的特点，液位上升过程缓慢，呈非线性。所以，液位控制装置的可靠性与控制方案的准确性是影响整个系统性能的关键。采用传统的PID或单一的控制方法难以满足现场控制性能的要求，其效果并不理想，系统响应的调节时间也较长。因此，对具有非线性、参数时变、纯滞后的控制对象的控制策略的研究，找到一个好的控制策略，提高整个系统的控制水平，具有非常重大的意义。12过程控制的概述及

9、发展工业自动化涉及到很多内容，具有很多分支，而过程控制（PROCESSCONTROL）可以说是工业自动化分支中最重要的一个。它主要所谓六大参数，即温度、压力、流量、液位或物位、成分和物性等参数的控制问题。它覆盖许多工业部门，诸如石油、化工、电力、冶金、轻工、纺织等等，因而，过程控制在国民经济中占有极其重要的地位。过程控制具有以下特点1、被控过程复杂多样工业生产是多种多样的，生产过程本身大多比较复杂，规模大小不同，生产的产品千差万别，因此过程控制的被控过程也是多种多样。生产过程中充斥着物理变化、化学反应、生化反应，还有物质和能量的转换盒传递，生产过程的复杂性决定了对它进行控制的艰难程度。2、对象

10、动态特性纯在滞后和非线性生产的过程许多是在很大的生产设备的内部进行，例如，热工程中锅炉、换热器、动力核反应堆等，对象的储存能力大，惯性也较大，设备内介质的流动或热量传递都存在一定的阻力，并且往往具有自动转向平衡的趋势。因此，当流入（流出）对象的质量、能量等属性发生改变时，由于存在惯性、阻力等因素，被控参数不能马上产生响应，这种现象称为纯滞后。一般来说，热工过程大多具有较大的滞后，它对任何信号的响应都会延迟一些时间，使输出/输入之间产生相移，容易引起反馈汇入产生振荡，对自动控制会产生十分不利的影响。同时大多数生产过程都具有非线性特性，因此弄清楚非线性的原因及非线性的实质是极为重要的。基于模糊自适

11、应PID算法的液位控制系统设计23过程控制方案丰富多样由于工业过程的复杂性和多样性，决定了过程控制系统的控制方案的多样性。为了满足生产过程中越来越高的要求，过程控制方案也也来越丰富。通常有单变量控制系统，也有多变量控制系统；有常规仪表过程控制也有计算机集散控制系统；有提高控制品质的控制系统也有实现特殊工艺要求的控制系统；有传统的PID控制，也有先进的控制系统，例如自适应控制、预测控制解耦控制和模糊控制等。4过程控制系统有规范化的过程检测控制仪表组成过程控制系统由过程检测、变送和控制仪表、执行装置的组成，通过各种类型的仪表完成对过程变量的检测、变送和控制，并经执行装置作用于生产过程。传统的简单过

12、程控制系统是由过程检测控制仪表（包括测量元件、变送器、调节器和执行器）组成和被控过程连接部分组成，从过程控制的基本组成来看，过程控制系统总是包括对过程变量的检测变送、对信号的控制运算和输出到执行装置，完成所需操纵变量的改变，从而达到所需的控制指标。13课题研究意义和背景随着工业生产水平的快速发展，人们对控制系统的精度、响应速度、稳定性和适应能力的要求也越来越苛刻，然而实际工业生产过程中的系统往往具有非线性、时变性、滞后性等特点。在这些因素的影响下，系统难以建立精确的数学模型，更别说确定控制器的参数。因此研究非线性、时滞对象的先进控制策略，对提高系统的控制水平具有重大意义。液位控制是工业生产过程

13、中经常会碰到的控制对象，由于液体本身属性及控制机构磨擦、噪声等的影响，控制对象具有一定纯滞后和容量滞后的特点，液位上升过程缓慢，呈现非线性。因此，液位控制装置的可靠性与控制方案的准确性是影响整个系统性能的关键3。虽然模糊控制与PID控制是工业控制中两种常用的控制方法，然而，随着工业控制系统的复杂程度及对控制精度要求的日益提高，单一的模糊控制或PID控制已无法适应并满足控制系统对复杂程度和控制精度的要求4。为此，本设计决定研究模糊PID控制在液位系统中的应用。模糊PID控制就是将模糊控制思想与常规PID控制器相结合，吸收了模糊控制与常规PID控制两者的优点。它以传统PID控制器为基础，引入模糊集

14、合论，将PID参数根据偏差和偏差变化值的大小而动态变化，这样显然更符合被控对象真实的控制规律，使模糊控制得到更广泛的应用。它是解决PID参数在线调整问题一种有效方法，比常规PID控制器控制性能好，可靠性更高。32液位控制实现所需的硬件与软件介绍21系统所需的硬件和软件构造一个双容水箱液位控制系统所需的硬件有AE2000A型实验对象控制台、压力传感器、电动调节阀（执行机构）、远程数据采集模块ICP7017、ICP7024。软件包括MCGS组态软件、MATLAB等。22系统的设计目的及流程本课题主在研究基于模糊PID自适应算法在液位控制系统的应用研究，在MATLAB仿真的基础上，研究模糊PID算法

15、，并通过AE2000A过程控制实验系统的双容水箱液位系统，借助于MCGS组态软件，在计算机控制系统上实现对模糊PID控制策略的研究。水位控制系统的流程框图如图21所示，把储水槽中的水通过水泵来输出，上水箱的进水的流量由电动调节阀来调节，同时对上水箱和下水箱的水位进行双闭环串级控制，使下水箱的水位保持不变，同时通过液位传感器对上水箱、下水箱的水位进行实时的测量。液位控制系统流程框图如图21图21液位控制系统流程框图23AE2000A型过程实验系统的介绍AE2000A型过程控制实验装置是根据工业自动化及相关专业教学特点，吸取了国外同类装置的优点，并与工业自动化现场紧密联系，采用了工业上广泛使用并处

16、于领先的AI智能仪表加组态软件控制系统、DCS分布式集散控制系统，经过精心设计而推出的一套基于本科学习，着重于研究生教学的实验设备。整套系统实用美观，功能多样，操作方便，既能进行验证性与设计性实验，还能进行综合性实验，可以满足不同层次的教学和研究要求5。AE2000A过程控制实验装置中的水位控制包括有蓄水箱（长宽高850450400MM）、以透明有机玻璃为材料的上水箱（250370MM）、下水箱（250270MM）、管道等相应的装置。主调节器副调节器电动调节阀上水箱液位液位液位传感器1液位传感器2下水箱液位液位扰动扰动给定值基于模糊自适应PID算法的液位控制系统设计4双容水箱如图22图22双容

17、水箱其中，本系统使用的动力支路由单相水泵、电动调节阀、涡轮流量计、不锈钢管道和需通过手动来切换的多个阀门组成。对象AE2000A型实验装置结构图，如图23所示5图23AE2000A系统结构图其中实验装置中包含一些检测变送的元件和执行的元件。例如，液位、温度等相应的传感器，以及涡轮、电磁等流量计，还有压力测量表、电动调节阀和电磁阀等。本课题所必须用到的元件分别为液位传感器和电动调节阀。（1）液位传感器工作原理当被测介质（液体）的压力作用于传感器时，压力传感器将压力信号转换成电信号，经归一化差分放大和输出放大器放大，最后经V/A电压电流转换器转换成与被测介质（液体）的液位压力成线性对应关系的420

18、MA标准电流输出信号5。接线如图24所示基于模糊自适应PID算法的液位控制系统设计6图24液位传感器接线说明传感器的端子位于中继箱内，电缆线从中继箱的引线口接入，直流电源24V接中继箱内正（），中继箱内负（）接负载电阻，负载电阻接24V，输出420MA电流信号，通过负载电阻转换成电压信号，两线制接法。在负载电阻250/50两端取信号电压，当负载电阻接250时信号电压为15V，当负载电阻切换成50时信号电压为021V。零点和量程调整零点和量程调整电位器位于另一侧的中继箱内。校正时打开中继箱盖，即可进行调整，左边的（Z）调零电位器，右边的（R）调增益电位器。（2）电动调节阀工作原理电动调节阀接受0

19、10MA/420MA/05V/15V等控制信号，改变调节阀的开度，实现对压力、温度、流量、液位等参数的调节。电动调节阀，如图25图25电动调节阀（3）远程数据采集模块ICP7017、ICP7024亚当ICP7017模块面板如图26所示，24V供电，提供了4通道的输入端口，A/I0，A/I1，A/I2，A/I3。7图26远程数据采集模块ICP7017ICP7024模块面板如图27所示，24V供电，提供了4通道的输出端口，A/00，A/01，A/02，A/03。图27远程数据采集模块ICP7024每一通道根据功能表可输入允许范围的电压或电流，支持485通讯5。24MCGS组态软件介绍MCGSMON

20、ITORANDCONTROLGENERATEDSYSTEM嵌入版组态软件是北京昆仑通泰自动化软件科技有限公司专门开发用于MCGSTPC的组态软件，主要是用来现场数据的采集与监控，前端数据的处理与控制。同时MCGS嵌入版组态软件能够与其他的相关的硬件设备结合，可以快速、方便的开发各种用型号功能I7107模拟量输入分辨率16BIT输入通道8路差动采样率10HZ电压输入/150MV/500MV/1MV/5V/10V电流输入/20MA型号功能I7024模拟量输出分辨率14BIT输出通道4路差动电压输出/10V/5V010V05V电流输出020MA420MA基于模糊自适应PID算法的液位控制系统设计8于

21、现场采集、数据处理和控制的设备。同时MCGS能够对通过这些设备采集来现场数据进行处理，并以画面显示，报表的输出等多种方式向用户提供各种能够解决实际的工程问题的方案，在工业自动化领域应用广泛。241MCGS组态软件的特点1操作界面简单灵活，可视化，而且全中文，符合国人的使用习惯，入门容易。2实时性很强，且并行处理系统的性能良好。3多媒体画面生动、丰富，能够为使用人员及时的提供相关实时信息。4强大的安全机制，能够为多个不同级别的用户设定相应的操作权限。5通讯良好，具有很强大的网络功能。6能够支持各种用于现场采集、数据处理和控制的设备。242MCGS组态软件的构成MCGS组态系统由组态环境、运行环境

22、两大部分组成。其中文件MCGSSETEXE为MCGS组态系统的组态环境，文件MCGSRUNEXE为MCGS组态系统的运行环境1。两个环境的图标如图28所示图28MCGS图标用户的一切组态的配置过程都需要在MCGS的组态环境中进行，组态环境就好比是相一套完整的工具件，它能够帮助用户设计并构造自己想要的应用系统1。运行环境的含义它是一个独立的运行系统，它是以组态结果数据库中用户指定的方式进行处理，完成用户组态设计的目标和功能。运行环境本身没有任何意义，必须与组结果数据库一起作为一个整体，才能构成用户应用系统。一旦组态工作完成，运行环境和组态结果数据库就可以离开组态环境而独立运行在监控计算机上。MC

23、GS系统就是通过组态结果数据库，完成了从组态环境向运行环境的过渡的过程，它们之间系如下图29所示。9图29MCGS组态系统的构成关系由MCGS系统生成的用户应用系统，其结构主要由主控窗口、用户窗口、设备窗口、实时数据库和运行策略五个部分构成1，如下图210所示。图210MCGS系统结构243MCGS的设计首先，建立一个新的工程，用鼠标单击“新建工程”选项，如果MCGS安装在D盘根目录下，则会在DMCGSWORK下自动生成新建工程，如图211MCGS主控窗口设备窗口运行策略实时数据库用户窗口系统菜单系统参数启动参数设备构件N设备构件1动画构件图符数据对象图元退出策略循环策略启动策略存盘处理警报处

24、理自定义策略组态环境组态生成应用系统运行环境解释执行组态结果组态结果数据库。基于模糊自适应PID算法的液位控制系统设计10图211主控窗口界面其次，开始制作工程画面，双击新建的窗口，进入组态画面，如图212图212系统元件库MCGS提供了8种图元对象、27个图符对象和19个动画构件，我们可以根据实际的需要及图像11美观性的要求画出一个图形界面，再对所选择的元件设置属性，与实时数据库中的变量建立，某些作为显示输出，某些作为控制信号写入，这样一个用户窗口就完成了。我们可以根据自己不同的要求建立多个用户窗口，来实现不同的功能。接着是实时数据库的建立，实时数据库是MCGS工程的数据交换和数据处理中心。

25、数据对象是构成实时数据库的基本元件，建立实时数据库的过程也就是定义数据库对象的处理过程。定义数据对象的内容主要包括1指定数据变量的名称、类型、初始值和数值范围。（2）确定与数据变量存盘相关的参数，如存盘的周期、存盘的时间范围和保存期限等。如图213图213实时数据库的建立在完成实时数据裤的创建之后，开始在运行策略窗口里编写脚本程序如图214基于模糊自适应PID算法的液位控制系统设计12图214运行策略窗口最后进行动画连接，对这些图形对象进行动画设计，真实的描述外界对象的状态变化，达到过程实时监控的目的。25MATLAB仿真软件MATLAB是MATRIXLABORATORY（矩阵实验室）的缩写，

26、它自从1984年由美国MATHWORKS公司推出以来，经过不断改进和发展，现已成为国际公认的优秀的工程应用开发环境。其中，MATLAB的主要优势如下（1）简单移用的程序语言2MATLAB语言是以现在最流行的一种语言，C语言为基础的，所以语法的表示与C语言很相似，甚至更加的简单、容易，更加的符合使用人员对数学表达式的书写习惯。使它能够被更多的非计算机专业的人使用，具有很广泛的使用范围。而且MATLAB语言还具有很强的可移植性和极强的可扩展性，这也是MATLAB仿真软件之所以能够被广泛的深入到各种的科学研究以及各种的工程计算当中去的一个很重要的原因。（2）具有强大的数据处理和科学计算能力2MATL

27、AB仿真软件包含600多个工程当中经常要用的数学计算函数，可以满足用户所想要的各种计算功能。在具有相同的计算要求的情况下，使用MATLAB仿真软件能够大大减少使用人员的工作量。（3）模块化的设计和系统仿真2自MATLAB面世以来，其应用范围越来越广，软件工具越来越完善，特别是MATLAB的控13制系统相关工具箱及SIMULINK的问世，给控制系统的分析和设计带来了极大的方便，现已成为风行国际的、有力的控制系统计算机辅助分析工具。SIMULINK是MATLAB的一个重要分支产品，它的主要功能就是实现对工程的模型化以及对工程的动态仿真。在当前模型化流行的背景下，SIMULINK正好体现了这种模块化

28、的设计思想，让建模和仿真变得十分简单。SIMULINK对仿真的实现可以应用很多的领域，例如在信号控制、金融财会等诸多领域都有广泛的应用。SIMULINK库包含许多控制系统方框图所需的模块，如输入源（SOURCES）、输出方式（SINKS）、连续系统模型（CONTINUOUS）、数字运算（MATH）等。根据控制系统的结构，用户可以从输入源、输出方式、连续系统模型、数字运算等模型库中“拖入”各种模块，按要求连接并修改各模块的参数，即可完成系统模型的建立。SIMULINK提供了一个系统建模、仿真和综合分析的环境。在该环境中，通过简单直观的鼠标操作，就可构造出复杂的系统。同时，SIMULINK具有结构

29、和流程清晰、仿真精细、适应面广、贴近实际、效率高等优点，基于以上优点SIMULINK已被广泛应用于控制理论和数字信号处理的复杂仿真和设计。基于模糊自适应PID算法的液位控制系统设计143PID控制系统31PID控制概述在实际的工程中，比例、积分、微分控制是在工业工程当中应用最多的调节器控制规律，简称PID控制，又称PID调节。PID控制器的提出到现在已有近70多年的历史了，它凭借着简单的结构、良好的稳定性和可靠性，而且调整方便等特点，使之成为工业控制的主要技术之一。当被控对象的结构和参数不能完全掌握，或得不到精确的数学模型时，控制理论的其它技术难以采用时，系统控制器的结构和参数必须依靠经验和现

30、场调试来确定，这时应用PID控制技术最为方便。即当我们不完全了解一个系统和被控对象，或不能通过有效的测量手段来获得系统参数时，最适合用PID控制技术。PID控制，实际中也有PI和PD控制。PID控制器就是根据系统的误差，利用比例、积分、微分计算出控制量进行控制的。作为经典的控制理论，PID控制仍然在当今工业控制行业中占据主导的地位，是最主要的控制方式，无论要控制的系统是简单还是复杂，PID控制一般都可以获得很好的效果，当然PID参数的选取必须恰当，合适。可以说，通过适当的PID参数，PID控制可以得到各种输出响应特性，也就是说，只要给定PID参数适当、合适，PID控制都能很好的完成控制任务。P

31、ID控制具有以下的优点1原理简单，PID控制是有P、I、D三个环节的通过不同的组合而成，可以单独的使用P控制，也可以同时进行PI控制或PID控制。2适应性强，应用广泛，在化工、热工、冶金、煤油等各种生产部门都以PID控制为主。3鲁棒性强，即其控制品质对被控制对象特性的变化不大敏感。311比例P调解比例（P）控制是最简单的一种控制方式，当一个系统只存在比例控制时，其输出往往存在稳态误差，其传递函数为PCKSG13式中，KP为比例系数，有些传统的控制器会经常用比例带（PROPORTIONALBAND，PB）来取代比例系数KP，比例带是比例系数的倒数，比例带也称为比例度6。比例（P）控制只改变系统的

32、增益而不影响相位，它主要对系统的稳态误差和稳定性产生影响，增大比例系数KP，使得系统的动作灵敏，响应速度加快，但会使振荡次数增加，调节时间拉长，甚至使系统趋向不稳定。对稳态特性的影响，加大KP，在系统稳定的情况下可以减小静差ESS，提高控制精度，但不能消除静差。因此，在系统校正和设计中P控制一般不单独使用。具有比例控制器的系统结构如图31所示。15图31比例调节器控制框图其特征方程式为01SHSGKSDP23312积分（I）调节具有积分控制规律的控制称为积分控制，即I控制，I控制的传递函数为SKSGIC33其中，IK称为积分系数。控制器的输出信号为TIDTTEKTU043或者说，积分控制器输出

33、信号TU的变化速率与输入信号TE成正比，即TEKDTTDUI53积分控制往往使得系统的稳定性下降，积分时间常数TI变小，会使系统震荡次数增加，甚至不稳定，积分时间常数TI变大，则对系统动态性能的影响减小。对稳态特性的影响，积分控制往往能消除系统的静差，提高系统的控制精度，但是如果积分时间常数TI太大，会使积分作用太弱，就无法减少误差。因此，积分控制一般不单独使用，通常结合比例控制器构成比例积分PI控制器6。313比例积分（PI）调节具有比例积分控制规律的控制称为比例积分微分控制，即PI控制，PI控制的传递函数为STSKSTKKSGIPIPPC1163其中，PK为比例系数，IT称为积分时间常数，

34、两者都是可调的参数。控制器的输出信号为KPG（S）HSRSCS_基于模糊自适应PID算法的液位控制系统设计16TDTETKTEKTUIPPT073PI控制器可以使系统在进入稳态后无稳态误差。所以在实际工程中，PI控制器通常用来提高系统的稳定性能。314比例积分微分（PID）调节比例积分微分（PID）调节，即PID控制，其传递函数为SKSTKKSGPIPPC183其中，PK是比例系数，IT是积分时间常数，为微分时间常数，这三个都是可以调的参数。它的结构框图如图32图32PID结构框图其中输出信号为DTTDEKDTTETKTEKTUPTIPP093其传递函数为SSTSTTKSESUIIIP1210

35、3PID控制跟PI控制相比，它不但结合了前者的优点，还通过加入微分作用，能够很好的改善系统的动态性能，如减少系统的超调量，加快响应速度，减少调节时间。32数字PID控制器比例积分微分对象模型PID控制器RTETUTYT17数字PID控制在工业生产中是应用最广泛的一种控制方法。在经典PID控制理论中，其基本数学模型有两种（位置型、增量型）7。1位置型PID控制算法在计算机上实现PID控制算法时，必须把微分方程改为差分方程。为此，偏差E可以如下近似TKIITEDTTE00（311）TKEKEDTTDE1（312）式中，T为采样周期，K为采样序号，N为控制周期序号，EN为第N次控制周期的偏差。上述离

36、散化过程中，为了保证有足够的精度，采样周期T必须足够短。由式34、35和36可得出其控制算式为10KEKETTDIETITKEKPKUKI313这种算法的缺点是，由于全量输出，所以每次输出均与过去的状态有关，计算时要对EK进行累加，计算机运算的工作量大。而且UK的大幅度变化会引起执行机构位置的大幅度变化，这种情况往往是生产实践中不允许的，在某些场合，还可能造成重大的生产事故。为了避免这种情况的发生，因而产生了增量型PID算法。2增量型PID控制算法所谓增量型PID是指数字控制器的输出是控制器的增量U。当执行机构需要的不是控制量的绝对值，而是其增量时，应采用增量型PID控制7。PID增量式控制算

37、式211210KEAKEAKEAKUKUKU314它适用于系统输出执行机构为积分元件的情况。增量式与位置式控制算式在本质上是一致的，只是它需使用有附加积分环节作用的执行机构。321PID控制参数对系统性能的影响PID控制器的参数，KP，TI,TD对系统性能的影响可以归纳为以下几个方面（一）比例系数KP对系统性的影响1对动态特性的影响比例系数KP增大大，使得系统的动作灵敏，响应速度加快。KP偏大，振荡次数会增加，使调节时间拉长。当K太大时，甚至使系统趋向不稳定。若KP太小，又会使系统变缓慢。2对稳态特性的影响比例系数KP加大，系统在稳定的情况下，可以减小静差，提高控制精度。但只能减小稳态误差，基

38、于模糊自适应PID算法的液位控制系统设计18不能消除静差。（二）积分时间常数TI对系统控制性能的影响1对动态特性产生的影响TI太小时，系统将会不稳定，TI偏小，则系统振荡次数较多。TI太大，则对系统动态性能的影响减小。2对系统稳态特性的影响积分控制能够消除系统的静差，控制精度使系统控制精度提高。但是若TI太大时，积分作用就会太弱，则不能减小静差。（三）微分时间常数TD对系统控制性能的影响微分控制能够改善系统是的动态特性，如超调量减小，调节时间缩短，允许加大比例控制，使稳态误差减小，提高控制精度。322PID参数的整定PID控制器的参数整定是控制系统设计的核心内容。它是根据被控过程的特性确定PI

39、D控制器的比例系数、积分时间和微分时间的大小10。PID控制器参数整定的方法很多，概括起来有两大类一是理论计算整定法。如频率特性法、根轨迹法。这类整定方法主要依据被控对象的数学模型（如传递函数、频率特性），通过理论计算确定控制器参数。由于所得到的数学模型都是相似的，此外，实际调节器的动态特性往往与理想的调节器的动作规律也有一些差别，所以在过程控制中，通过理论计算求得的整定参数一般不是很可靠的，还必须通过工程实际进行调整和修改。二是工程整定方法，它主要依赖工程经验，直接在控制系统的试验中进行，且方法简单、易于掌握，在实际的工程中被广泛采用。PID控制器参数的工程整定方法，主要有临界比例法、反应曲

40、线法和衰减法。三种方法各有其特点，其共同点都是通过试验，然后按照工程经验公式对控制器参数进行整定。但无论采用哪一种方法所得到的控制器参数，都需要在实际运行中进行最后调整与完善。现在一般采用的是临界比例法。利用该方法进行PID控制器参数的整定步骤如下1首先预选择一个足够短的采样周期让系统工作；2仅加入比例控制环节，直到系统对输入的阶跃响应出现临界振荡，记下这时的比例放大系数和临界振荡周期；3在一定的控制度下通过公式计算得到PID控制器的参数。进行PID控制时，可以把PID的PV连接在实际的测量值上，OP连接在PID实际的输出值上。这样，在实时数据库运行时，就可以自动对其进行PID控制。PID参数

41、的调整在PID参数进行整定时如果能够有理论的方法确定PID参数当然是最理想的，但是在实际应用中，更多的是通过凑试法来确定PID的参数。我们需要注意的是确定最佳的PID整定参数以后，并不能简单的认为它一直都会是最佳的，19当由外界的扰动发生根本性的改变时，我们就必须重新根据实际情况，必须重新进行最佳PID参数的整定。这也是能够保证PID控制有效的一个重要环节。在调节PID的参数时，首先需要确定控制器参数的初始值，如果初始参数取的较好，可以为参数整定带来不小方便。所以确定PID参数初值也有其重要意义。扩充响应曲线法是一般确定初值经常用到的方法。具体步骤如下（1）把系统的反馈断开，令KP1，使之成为

42、一个比例控制器，同时给一个阶跃给定信号加在系统的输入端，通过测量并且画出包括执行机构在内的广义的被控对象的开环阶跃响应曲线。绝大多数被控对象的响应曲线如图33所示图33被控对象阶跃响应曲线（2）在曲线斜率最大的地方作一条切线，以此求得T和，即被控对象的时间常数和纯滞后时间。（3）求出系统的控制度。所谓控制度，是指计算机直接数字控制（简称DDC）与模拟控制器的控制效果之比。其控制的效果一般通过误差平方的积分值函数来表示，即模拟控制度0202EDTTEDTTDDC（315）当控制度为105时，认为二者控制效果相当。（4）根据求出的纯滞后时间、时间常数T和控制度的值，查表31，求得PID控制器得KP

43、、TI、TD和TS。控制度控制方式KPTITDTS105PIPID084T/115T/34200450100512PIPID078T/10T/361905505016基于模糊自适应PID算法的液位控制系统设计2015PIPID068T/085T/391620650503420PIPID057T/06T/42150820806表31扩充响应曲线法参数整定表用上面所述的方法得到的4个参数值一般只能用来当作初步的参考值，之后还得通过闭环调试来取得良好的控制效果，并根据得到的闭环阶跃响应曲线的特征，反复的调整PID控制参数，使系统得到最佳的PID参数，以达到最好控制效果。33过程控制系统的性能指标过程

44、控制系统的性能指标由两部分组成一种是稳态，此时系统没有受到任何外来干扰，同时设定值保持不变，因而被调量也不会随时间变化，整个系统处于稳定平衡的工况。另一种是动态，当系统受到外来干扰的影响或者在改变了设定值后，原来的稳态遭到破坏，系统中各组成部分的输入输出量都相继发生变化，尤其是被调量也将偏离原稳态值而随时间变化，这时就称系统处于动态7。系统的性能可用系统的稳定性、能控性、能观性、动态特性和稳态特性来表征，衡量系统优劣的指标通常用稳定裕量、动态指标、稳态指标和综合指标等。稳定性对控制系统最基本的要求。一个控制系统只有稳定，才可能工作，也才能谈得上控制系统的优劣。常用控制理论中的离散系统稳定性分析

45、方法来分析稳定性，用稳定裕量来衡量稳定程度。动态指标能够比较直观的反映控制系统的过度过程特性。常用的时域指标有延迟时间TD、上升时间TR、峰值时间TP、调节时间TS和超调量。延迟时间TD指响应曲线第一次达到其终值一半所需的时间。上升时间TR指响应从终值10上升到终值90所需的时间；对于有振荡的系统，亦可定义为响应从零第一次上升到终值所需的时间11。峰值时间TP指响应超过其终值到达第一个峰值所需的时间。调节时间TS是从过渡过程开始到结束所需的时间。理论上它需要无限长的时间，但一般认为当被调量已进入其稳态值的土5范围内，就算过渡过程已经结束。因此，调节时间就是从扰动开始到被调量进入新稳态值的士5范

46、围内的这段时间。调节时间是衡量控制系统快速性的一个指标12。稳态指标是控制系统控制精度或抗干扰能力的一种度量，常用稳态误差ESS来表征。它表示系统的稳态输出量与期望值之间的差值，希望ESS越小越好。214模糊PID控制系统41模糊控制概况模糊逻辑控制FUZZYLOGICCONTROL简称模糊控制FUZZYCONTROL，是以模糊集合论、模糊语言变量和模糊逻辑推理为基础的一种计算机数字控制技术。1965年，美国的LAZADEH创立了模糊集合论；1973年他给出了模糊逻辑控制的定义和相关的定理。1974年，英国的EHMAMDANI首先用模糊控制语句组成模糊控制器，并把它应用于锅炉和蒸汽机的控制，在

47、实验室获得成功。这一开拓性的工作标志着模糊控制论的诞生。模糊控制实质上是一种非线性控制,属于智能控制的一种。模糊控制的一大特点是既具有系统化的理论，又有着大量实际应用背景。其经典的应用的例子体现在生产和生活中的个个方面。模糊系统的基本结构模糊控制系统的基本结构如图41，由图41可知模糊控制器是由模糊化、知识库、模糊推理和清晰化4个功能模块组成，各模块功能如下。图41模糊控制系统基本结构L模糊化所谓模糊化，就是把输入E和EC根据输入变量模糊子集的隶属度函数找出所定义的各个语言值的隶属度的过程，从而把精确量输入“模糊化”成不同的语言值，实现模糊控制的第一步。此外，为了按照一定的语言规则进行模糊推理

48、，还要事先确定输出量的隶属函数。模糊化模块的作用是将一个精确的输入变量通过定义在其论域上的隶属度函数计算出其属于各模糊集合的隶属度，从而将其转化成为一个模糊变量。以偏差E为例，假设其模糊论域上定义了负大，负中，负小，零，正小，正中，正大七个模糊集合8。2知识库模糊化知识库模糊推理去模糊化控制对象输入输出基于模糊自适应PID算法的液位控制系统设计22知识库中包含了具体应用领域中的知识和要求的控制目标，它通常由数据库和控制规则库两部分组成8。数据库中包含了与模糊控制规则及模糊数据处理有关的各种参数，其中包括尺度变换参数、模糊空间分割和隶属度函数的选择等。数据库提供所有必要的定义。所有输入、输出变量

49、所对应的论域，以及这些论域上所定义的规则库中所使用的全部模糊子集的定义，都存放在数据库中8。规则库存放模糊控制规则模糊控制规则是基于手动操作人员长期积累的控制经验和领域专家的有关知识，它是对被控对象进行控制的一个知识模型。在模糊控制中，通过一组语言描述的规则来表示专家的知识，专家知识通常具有如下的形式IF满足一组条件THEN可以推出一组结论。在IF一THEN规则中的前提和结论均是模糊的概念，常常称这样的IF一THEN规则为模糊条件句。因此在模糊控制中，模糊控制规则也就是模糊条件句13。模糊规则是设计模糊控制器的核心，建立模糊控制规则的常用方法是经验归纳法。3模糊推理模糊推理具有模拟人的运用模糊概念进行推理的能力。由于模糊控制规则实际上是一组多重条件语句，可以表示为从输入变量论域到被控制量论域的模糊关系矩阵，模糊推理其作用就是通过恰当的推理方法，把输入变量的模糊向量和模糊关系进行合成，由此得到被控制量的模糊向量8。4清晰化（去模糊化）通过模糊推理得到的是模糊