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摘 要

随着现代社会不断地发展，水箱控制系统的在工业中的应用也已经十分广泛，被控对象为水箱的控制可以研究更为复杂的非线性系统的基础，双容水槽的研究具有较强的理论性，属于比较基础的研究。对于双容水箱普遍存在的溶积延迟的问题，还有传统的PID控制难于达到控制要求的各种特点，本文提出了基于串级控制的模糊PID双容水箱的液位系统控制。系统将根据双容水箱的特点，采用模糊PID控制技术、MCGS组态软件来实现双容水箱的液位高精度控制。

将模糊控制器和常规的PID控制器结合起来, 模糊PID控制器既具有模糊控制灵活且适应性强的优点,又具有常规PID控制精度高的特点,在工业控制中得到广泛应用。在随机的环境中可以在线调整 PID 控制的参数，在被控对象存在扰动情况下控制系统仍然保持良好的性能。

关键词：双容水箱 仿真 PID控制 模糊PID控制器

Design and implementation of fuzzy PID based on double tank water level system

Abstract

With the continuous development of modern society, the application of tank control system has been very extensive, the control of the tank can be used as the basis to study more complex nonlinear systems, but also has a strong theoretical and applied basic research belonging. For the solution of problems accumulated delay widespread Two Tanks, as well as the problems that the traditional PID control is difficult to achieve the control requirements of the various features, this paper based on the cascade control of fuzzy PID system double-tank liquid level control. The system will be based on the characteristics of the double-tank, using fuzzy PID control technology and MCGS configuration software to achieve double-tank level precision control.

Fuzzy controller combined with conventional PID controller. fuzzy PID controller has the advantages of flexible and adaptable fuzzy control, it also has a high precision characteristics of conventional PID control has been widely used in industrial control. In random environments PID control parameters can be adjusted online, and in the presence of controlled objects control system disturbances still maintain good performance.

Key Words: Two tanks; Simulation; PID control; Fuzzy PID controller

目 录

摘 要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1 引言 1

1.2 课题研究的背景与意义 1

1.3 过程控制的现状及发展趋势 2

1.4 模糊PID控制的研究现状 3

1.5 本文的主要研究内容 3

第二章 双容水箱的数学建模 5

2.1 双容水箱液位系统的组成 5

2.2 水箱的数学模型 6

2.2.1 水箱系统的介绍 6

2.2.2 水箱系统模型的参数辨识 7

2.3 双容水箱在MCGS中的组态 9

第三章 模糊PID控制器的设计 13

3.1 常规PID控制器 13

3.1.1 PID控制器的参数 13

3.1.2 模拟PID调节器 13

3.1.3 数字PID控制算法 14

3.2 模糊控制理论 16

3.2.1 模糊控制系统的组成 16

3.2.2 模糊控制算法 17

3.3 模糊PID控制器 17

3.3.1 模糊控制器的工作原理 17

3.3.2 模糊控制器的设计内容 18

3.3.3 模糊控制规则设计 20

第四章 控制系统的仿真 23

4.1 常规PID控制的仿真 23

4.2 模糊PID控制器的仿真 25

4.2.1 构建模糊控制系统的仿真模型 25

4.2.2 模糊推理系统编辑 26

4.2.3 模糊控制系统的仿真结果 28

4.3 扰动后对系统的影响 30

第五章 总结与展望 32

参考文献 33

致谢 34

附录 35

第一章 绪论

1.1 引言

随着工业的极速发展，人们对工业的控制系统的精度、响应速度、系统稳定性与适应能力的要求越来越高了。而实际的工业生产过程中的被控对象往往具有延时、非线性、不稳定等特点，想要达到理想的控制效果，只用传统的或常规的控制手段很难实现想要的目的效果^[1]。所以，研究对非线性、时延对象的先进控制策略，以此来提高系统的控制水平，具有重要的实际意义。

本文主要研究的对象就是双容水箱的液位。水箱的液位控制系统是以水箱液位为主要被控对象的控制系统。水箱控制在工业中的各个领域都有极其广泛的应用，尤其是在工业生产过程中，有许多地方需要对控制对象进行液位控制，这样使水位能高精度地保持在给定的数值^[2]。

1.2 课题研究的背景与意义

本文针对以液位控制系统的水箱为研究对象，水箱的液位为被控对象参数，采用串级控制，这样其副回路可以很快的消除作用于内回路的扰动，以此来改善其调节过程中的动态性能。通过PID控制器与模糊控制器相结合的方法，论述了模糊PID控制器的设计与仿真，并且结合了MCGS组态软件及Matlab / simulink仿真软件更好地完成了设计，实现了当液位控制系统的模型参数变化时，系统能具有良好的控制效果^[3][4]。

自动控制理论的形成和发展经历了三个阶段，它们是经典控制理论、现代控制理论以及智能控制理论。经典控制理论和现代控制理论全都是建立在精确的数学模型的基础上的，而智能控制理论是建立在精确的数学模型基础上的，它比较适合用来解决系统模型和环境本身的不确定问题。现今，以PID为原理的各种控制器仍是过程控制中不可缺少的基本控制方法。PID控制算法在世界的范围内90%多的工业过程中被采用，控制已到达了很好的发展，研究者也陆续提出了许多控制系统设计和参数调整的方法^[5][6]。

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