基于模糊PID的三容水箱液位控制

毕业论文开题报告毕业学校：西北民族大学指导老师：课题题目：基于模糊PID的三容水箱液位控制班级：姓名：联系方式：一、选题的目的意义及国内外对本课题涉及问题的研究现状：（1）本选题的目的、意义现在，随着工业化程度的不断提高，控制对象越来越复杂，控制精度要求越来越高，传统的控制方法已不能满足控制要求，先进控制理论方法的探索和研究显得尤为重要。三容水箱液位系统在非线性、大惯性过程控制研究应用中具有广泛代表性,近年来国内外许多学者对三容水箱系统的建模方法、控制算法及故障诊断等方面进行了探讨。进一步研究三容水箱系统的控制算法并构建现代实验教学系统，在工业控制领域和工程控制论教学中都具有较为重要的理论和实际应用价值。其次，工业上许多被控对象的整体或局部都可以抽象成三容水箱的数学模型，因此对三容水箱液位控制系统的研究对工业生产中液位的控制具有重要的指导意义。(2）国内外对本课题涉及问题的研究现状二、研究方法、研究手段和需要重点研究的问题及解决的思路（1）三容水箱模型图1三容水箱（2）三容水箱系统的特点三容水箱系统是有较强代表性和工业背景的对象，具有非常重要的研究意义和价值，主要是因为它具有如下特点：(1)通过改变各个阀门的关闭或打开状态可构成灵活多变的对象，如一阶对象、二阶对象或双入多出系统对象等；(2)三容水箱系统是典型的非线性、时延对象，所以可对其进行非线性系统的辨识和控制等的相关研究：(3)三容水箱系统可构造单回路控制系统、串级控制系统、复杂过程控制系统等，从而对各种控制系统的研究提供可靠对象；(4)由于对三容水箱系统的控制主要通过计算机来完成，所以，可由计算机编程实现各种控制算法来对水箱系统进行控制，为控制算法的研究提供了良好的试验平台。（3）三容水箱模型的建立三容水箱液位控制系统的被控对象是三容水箱，被控参数是T3的液位，控制参数为T1的进水量，使用电动调节阀改变其开度来控制其进水量。三容水箱是液位控制系统中的被控对象。若流入量和流出量相同，水箱的液位不变，平衡后当流入侧阀门开大时，流入量大于流出量导致液位上升。同时由于出水压力的增大使流出量逐渐增大，其趋势是重新建立起流入量与流出量之间的平衡关系，即液位上升到一定高度使流出量增大到与流入量相等而重新建立起平衡关系，液位最后稳定在某一高度上；反之，液位会下降，并最终稳定在另一高度上。由于水箱的流入量可以调节，流出量随液位高度的变化而变化，所以只需建立流入量与液位高度之间的数学关系就可以建立该水箱对象的数学模型。（4）假设及相关参数定义1.此液体流动性好，粘度可忽略不计。2.此系统所有阀门动作均无延时，且在其动作范围内遵循线性化准则。3.此系统中所有阀门性能参数均相同，且其液阻相等，并在整个控制过程中恒定。（5）执行器（阀门）的数学模型（6）数学模型的推导水槽1：水槽2：)(1231222QQAdtdh)(11211QQAdtdhin水槽3：这里iiiRhQ，其中)321(、、ihi为上中下三个水箱的液位，1R、2R、3R分别为阀门VT1、VT2、VT3的线性化液阻。则有如下公式111/RhQ222/RhQ333/RhQ按照流体力学原理，水箱流出量0Q与出口静压有关，同时还与调节阀门的阻力R有关，假设三者之间的变化关系为：通过对以上公式进行拉式变换，代入相关的数值，则可以得出三容对象关于第三级水箱液位h3的传递函数。)1)(1)(1(3210sTsTsTKGs式中：;1111RATT，第一个水箱的时间常数;2222RATT，第二个水箱的时间常数;3333RATT，第三个水箱的时间常数计算并得出此系统开环阶跃响应曲线。三、三容水箱模型的控制与仿真PID控制器是工程中应用最广泛的一类控制器，其具有结构简单、调节容易等优点。故本三容水箱液位控制系统也采用PID控制器进行控制。在此，本文采用简单PID和串级PID两种控制方法分别对系统进行调试。（1）三容水箱的简单PID控制PID控制器根据给定值R与实际输出值C构成偏差信号E=R-C。PID控制器的各个校正环节均有其作用：比例环节（P)能成比例地反映控制系统的偏差信号error(t)，偏差一旦产生，控制器立即产生控制作用，以减少偏差；积分环节（I)则主要用于消除静差，提高系统的无差度；微分环节（D)反映了偏差信号的变化)(12333oQQAdtdhRhQ0趋势（变化速率），并能在偏差信号变得太大之前，在系统中引入一个有效的早期修正信号，从而加快系统的动作速度，减少调节时间。PID控制器的公式为sKsKKsssKGcdicDDIC111，其中）（02.001.0。在此我们以T3的液位高度3h作为反馈信号，选择PID控制器构建控制系统，其控制原理图如下：设定值PID控制器执行器Gah3三容水箱系统Gs此系统的开环传递函数为sacopenGGGsRshG)()(3闭环传递函数为sacsacclosedGGGGGGsRshG1)()(3在MATLAB的仿真平台上搭建此控制系统，以PID控制器的输出信号作为阀门VT0的输入信号，以h3作为被控变量，画出框图并且构建好仿真平台后，开始进行PID参数的调节，结合计算机对参数自动进行整定，最终选定PID控制器的参数，得到此闭环系统的阶跃响应曲线。（2）三容水箱的串级PID控制在此我们以T3的液位高度3h作为反馈信号，选择PID控制器构建控制系统，其控制原理图如下：设定值PID控制器执行器Gah3三容水箱系统Gs在MATLAB的仿真平台上搭建此控制系统，以PID控制器的输出信号作为阀门VT0的输入信号，以h3作为被控变量，画出框图并且构建好仿真平台后，开始进行PID参数的调节，结合计算机对参数自动进行整定，最终选定PID控制器的参数，得到此闭环系统的阶跃响应曲线。四、进度计划2014年11月23日--2014年12月5日布置毕业设计任务，讲解毕业设计的方法和步骤，查找相关文献资料；2014年12月6日--2015年1月10日初步拟定系统采取的研究方法，完成文献综述；2015年1月11日--2015年2月10日整理相关资料，确定系统完成的主要功能，绘制系统流程图，完成开题报告；2015年3月5日--2015年4月8日进行详细的系统分析，完成控制过程原理图的设计，每周汇总问题和进度一次；2015年4月9日--2015年5月3日并多次进行修改，总体设计完成；2015年5月4日--2015年5月26日完成毕业论文并提交；2015年5月27日--2015年5月29日毕业论文答辩五、主要参考文献[1]居滋培过程控制系统及其应用机械工业出版社[2]朱晶．基于模糊PID的三容水箱液位控制系统研究：[硕士学位论文]．大连理工大学[3]李伟．三容水箱液位控制系统．黑龙江科技学院学报[4]杨叔子，杨克冲．机械工程控制基础．武汉：华中科技大学出版社，2002：1-203[5]侯燕．三容水箱液位控制系统的研究：[硕士学位论文]．武汉：华中科技大学，2005：4-18[6]李智，张雅婕，杨浩．基于实验的三容水箱数学模型．湖北：武汉工程职业技术学院，430080[7]赵禹淞．水箱水位模糊控制系统建模仿真．东北林业大学