模糊pid在三容水箱控制系统中的应用(附件)【字数：10334】
摘 要三容水箱液位控制系统是典型的工业模拟对象，其具有很重要的代表意义，其涉及到计算机，通信和自动化等技术，在对三容水箱液位控制系统进行设计的过程中，会涉及到很多参数，需要能够实现对多种参数进行控制，因此对三容水箱的研究对工业控制系统有非常重要的作用。模糊控制是一种智能控制，其不依赖控制系统的数学模型，对控制系统具有较强的鲁棒性，而PID作为一种比较典型的模糊控制系统，其主要依据偏差的比例（P）、积分（I）、微分（D）来实现对系统的控制，PID控制能够满足相当多工业对象的控制要求，因此基于模糊PID对三容水箱控制系统进行研究有非常重要的意义。本文首先对三容水箱控制系统进行数学建模，根据三容水箱的工作原理推导三容水箱的传递函数，然后在数学建模的基础上对PID的相关控制理论进行研究，对模糊控制的模糊化，模糊推理及清晰化等结构进行介绍，并对模糊PID和数字PID的相关控制算法进行详细的介绍，在数学建模和PID相关理论介绍的基础上对模糊PID控制器进行设计及仿真，在仿真中对模糊PID的模糊集，模糊规则及模糊规则库进行介绍，并对控制器进行仿真，最后得出仿真结果表明，设计的模糊控制器控制输出在波动产生后较短的时间内，重新进入收敛状态。过程反应灵敏，动作迅速，可靠性高。从而验证了模糊PID控制器具有良好的控制效果，所建立模糊系统的各项指标具有实用性和可行性,基本达到了设计要求。
目 录
第一章 绪论 3
1.1研究背景及意义 3
1.1.1研究背景 3
1.1.2研究意义 3
1.2研究现状 4
1.2.1控制对象研究现状 4
1.2.1控制算法研究现状 4
1.3研究内容及章节安排 5
第二章 三容水箱控制系统的数学建模 7
2.1数学建模概念 7
2.2三容水箱液位控制系统结构 7
2.3三容水箱液位控制的建模 8
第三章 PID控制理论研究 12
3.1模糊控制的基本结构 12
3.1.1模糊化 12
3.1.2知识库 13
3.1.3模糊推理 14
3.1.4清晰化 15
3.2模糊控制的特 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ￥351916072$
点 15
3.3PID控制算法 15
3.3.1PID的概念 15
3.3.2模拟PID 16
3.3.3 数字PID 17
第四章 模糊PID控制器的设计及仿真 19
4.1模糊PID控制器组织结构 19
4.2模糊PID控制器设计 19
4.2.1模糊集 19
4.2.2模糊规则 20
4.3 模糊PID控制的仿真 23
4.3.1FIS编辑器 23
4.3.2 隶属函数 23
4.3.3 模糊规则库 24
4.4 对模糊控制器编程仿真 26
第五章 总结与展望 32
5.1总结 32
5.2展望 32
第一章 绪论
1.1研究背景及意义
1.1.1研究背景
生产控制是自动化的一个部分，在电力，建材等工业领域都会使用到生成控制，伴随着自动化的普及及应用，自动化控制得到了重视，自动化控制能够实现劳动力的节省，还能够使经济效益提高。
伴随着工业生产的迅速发展，人们对自动化控制水平的要求随之增高，但是，自动控制相关的学术研究成果不能够立即在实际生活中得到应用，需要历经很多年的验证试验才可以被应用到实际生产中。与此同时，一般先进性越高的控制理论传播的范围越小，这使得先进的控制技术不能够在实际生活中得到应用，并且在进行控制理论进行推广时，需要先找到一种典型的试验装置。三容水箱液位控制系统作为一种比较典型的工业模拟对象，有必要对其进行研究，该系统是一个非线性，时延系统，该系统涉及计算机，通信和自动化等技术，能够实现参数辨别。因此有必要对三容水箱的控制进行数学建模，并对三容水箱控制系统进行研究。
1.1.2研究意义
三容水箱液位控制系统的作用是模拟比较复杂的工业控制系统，研究该系统的目的是：
1）实现理论验证的实物支撑。
一种新的理论，不仅需要在理论上具有说服力，还需要能在实物应用上具有说服力。三容水箱系统能够对一阶、二阶和三阶模拟，首先根据实际应用状况对三容水箱系统进行建模，然后将控制理论应用于该模型，从而实现模拟效果。
2）实现最大化的工业生产价值
三容水箱液位控制系统是一个较复杂的系统，不能使用传统控制理论，先进的控制理论应用在三容水箱液位控制系统中，不仅能够对先进的控制理论实现验证，还可以提高传统控制理论水平，提高了工业生产效率与质量，从而提高经济效益。
3）创造有利于控制理论研究的条件
基于对研究控制理论条件的缺乏，导致我国对控制理论的研究与国外有比较大的差距，目前随着被控对象的复杂性增加，对控制理论的要求逐步提高，光有理论研究是不够的，需要将理论应用到实际中。因此开发出一套能够模拟现场的装置是非常重要的，三容水箱液位控制系统作为一种复杂的装置，不经能够实现满足研究需求，还能够对提升我国控制水平起到非常重要的作用。
1.2研究现状
目前对三容水箱控制系统的研究很多，主要的研究点在于：控制对象研究和控制算法研究。下面对控制对象研究和控制算法研究的现状进行简单的介绍。
1.2.1控制对象研究现状
国内外主要研究的三容水箱系统是德国Amira开发的，该系统价格贵，国内也仅有清华、浙大等少数高校有能力购买该设备，国内制造三容水箱液位控制系统的也仅只有少数几家，如固高科技有限公司研制的GWT系列和浙江省的天皇科技实业有限公司研制的THJx型三容水箱。GWT三容水箱经过三年实践证明，该系统在教学、实验有重要研究价值，同时GWT系列系统能够进行PID设计和调试。THJx型三容水箱的型号主要有THJ2，THJ3和THJ4；THJx系列不仅能使用在学校的课堂教育上，还可以使用在科研人员对复杂控制系统的模拟学习。
从以上研究现状可以看到，国外生成的三容水箱系统价格不菲，国内很多企业都不能够使用该系统，仅仅只有部分高校和科研院所能够使用该系统，并且使用的程度也不高，只可以做简单的实验，这些都对我国的控制理论研究是不利的，因此加强我国的三容水箱系统的研究是非常有必要的，可以推动我国三容水箱系统发展，也可以推动我国的控制技术发展。
1.2.1控制算法研究现状
控制系统能够分为一阶控制系统和二阶控制系统，相关的控制算法主要有单回路、串级、前馈、SIMTH预估补偿和解耦等。
SMITH预估补偿和解耦控制方法是一种传统的控制算法，其算法依赖控制系统数学模型，使得该算法在非线性系统的控制效果较差。
目 录
第一章 绪论 3
1.1研究背景及意义 3
1.1.1研究背景 3
1.1.2研究意义 3
1.2研究现状 4
1.2.1控制对象研究现状 4
1.2.1控制算法研究现状 4
1.3研究内容及章节安排 5
第二章 三容水箱控制系统的数学建模 7
2.1数学建模概念 7
2.2三容水箱液位控制系统结构 7
2.3三容水箱液位控制的建模 8
第三章 PID控制理论研究 12
3.1模糊控制的基本结构 12
3.1.1模糊化 12
3.1.2知识库 13
3.1.3模糊推理 14
3.1.4清晰化 15
3.2模糊控制的特 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ￥351916072$
点 15
3.3PID控制算法 15
3.3.1PID的概念 15
3.3.2模拟PID 16
3.3.3 数字PID 17
第四章 模糊PID控制器的设计及仿真 19
4.1模糊PID控制器组织结构 19
4.2模糊PID控制器设计 19
4.2.1模糊集 19
4.2.2模糊规则 20
4.3 模糊PID控制的仿真 23
4.3.1FIS编辑器 23
4.3.2 隶属函数 23
4.3.3 模糊规则库 24
4.4 对模糊控制器编程仿真 26
第五章 总结与展望 32
5.1总结 32
5.2展望 32
第一章 绪论
1.1研究背景及意义
1.1.1研究背景
生产控制是自动化的一个部分，在电力，建材等工业领域都会使用到生成控制，伴随着自动化的普及及应用，自动化控制得到了重视，自动化控制能够实现劳动力的节省，还能够使经济效益提高。
伴随着工业生产的迅速发展，人们对自动化控制水平的要求随之增高，但是，自动控制相关的学术研究成果不能够立即在实际生活中得到应用，需要历经很多年的验证试验才可以被应用到实际生产中。与此同时，一般先进性越高的控制理论传播的范围越小，这使得先进的控制技术不能够在实际生活中得到应用，并且在进行控制理论进行推广时，需要先找到一种典型的试验装置。三容水箱液位控制系统作为一种比较典型的工业模拟对象，有必要对其进行研究，该系统是一个非线性，时延系统，该系统涉及计算机，通信和自动化等技术，能够实现参数辨别。因此有必要对三容水箱的控制进行数学建模，并对三容水箱控制系统进行研究。
1.1.2研究意义
三容水箱液位控制系统的作用是模拟比较复杂的工业控制系统，研究该系统的目的是：
1）实现理论验证的实物支撑。
一种新的理论，不仅需要在理论上具有说服力，还需要能在实物应用上具有说服力。三容水箱系统能够对一阶、二阶和三阶模拟，首先根据实际应用状况对三容水箱系统进行建模，然后将控制理论应用于该模型，从而实现模拟效果。
2）实现最大化的工业生产价值
三容水箱液位控制系统是一个较复杂的系统，不能使用传统控制理论，先进的控制理论应用在三容水箱液位控制系统中，不仅能够对先进的控制理论实现验证，还可以提高传统控制理论水平，提高了工业生产效率与质量，从而提高经济效益。
3）创造有利于控制理论研究的条件
基于对研究控制理论条件的缺乏，导致我国对控制理论的研究与国外有比较大的差距，目前随着被控对象的复杂性增加，对控制理论的要求逐步提高，光有理论研究是不够的，需要将理论应用到实际中。因此开发出一套能够模拟现场的装置是非常重要的，三容水箱液位控制系统作为一种复杂的装置，不经能够实现满足研究需求，还能够对提升我国控制水平起到非常重要的作用。
1.2研究现状
目前对三容水箱控制系统的研究很多，主要的研究点在于：控制对象研究和控制算法研究。下面对控制对象研究和控制算法研究的现状进行简单的介绍。
1.2.1控制对象研究现状
国内外主要研究的三容水箱系统是德国Amira开发的，该系统价格贵，国内也仅有清华、浙大等少数高校有能力购买该设备，国内制造三容水箱液位控制系统的也仅只有少数几家，如固高科技有限公司研制的GWT系列和浙江省的天皇科技实业有限公司研制的THJx型三容水箱。GWT三容水箱经过三年实践证明，该系统在教学、实验有重要研究价值，同时GWT系列系统能够进行PID设计和调试。THJx型三容水箱的型号主要有THJ2，THJ3和THJ4；THJx系列不仅能使用在学校的课堂教育上，还可以使用在科研人员对复杂控制系统的模拟学习。
从以上研究现状可以看到，国外生成的三容水箱系统价格不菲，国内很多企业都不能够使用该系统，仅仅只有部分高校和科研院所能够使用该系统，并且使用的程度也不高，只可以做简单的实验，这些都对我国的控制理论研究是不利的，因此加强我国的三容水箱系统的研究是非常有必要的，可以推动我国三容水箱系统发展，也可以推动我国的控制技术发展。
1.2.1控制算法研究现状
控制系统能够分为一阶控制系统和二阶控制系统，相关的控制算法主要有单回路、串级、前馈、SIMTH预估补偿和解耦等。
SMITH预估补偿和解耦控制方法是一种传统的控制算法，其算法依赖控制系统数学模型，使得该算法在非线性系统的控制效果较差。
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