基于TWINCAT平台的液位模糊控制系统研究

论文摘要

本文以液位控制系统为研究对象。虽然常规PID控制器以其算法简单,鲁棒性好等特点被广泛应用于工业过程控制中,但是存在一定缺限,它不能根据被控对象参数的变化作出动态调整。而在液位控制系统中,常常存在大滞后、时变、非线性的环节,针对这样的系统,传统的PID控制不能满足控制要求。所以将不需要精确数学模型的模糊控制技术与传统PID控制技术相结合,利用各自的优点,对液位进行控制,具有一定的实用价值。本论文对PID控制器、模糊控制器、模糊自适应控制器的构成,调节规律,模糊控制规则进行了研究。分析了模糊控制系统中,误差的量化因子、误差变化率的量化因子、比例因子对系统性能的影响。对本次实验用到的设备:“ACSK”自动化综合实验系统,德国倍福公司推出的基于PC-based技术的TwinCAT控制平台进行详细介绍。对PC-based控制技术,和TwinCAT平台所用到的现场通讯协议Profibus-DP也作了一定的描述。对液位控制系统的被控对象水箱,应用阶跃响应法建立其数学模型。在控制程序的编写过程中,利用TwinCAT工控软件提供的接口程序组件,与VC++开发工具进行连接,进行混合编程研究,编制出基本模糊控制算法和监控画面。最后,针对过程对象中参数的时变性和实验系统的特点,设计了基本模糊控制器,模糊自适应PID控制器,并用Matlab/Simulink对液位控制系统进行实验仿真。通过仿真比较了PID控制器,模糊控制器,模糊自适应控制器,带修正因子的模糊控制器的控制效果。仿真结果表明,模糊控制与传统PID控制比较,具有良好的动态性能和稳态性能;模糊自适应PID具有很强的鲁棒性;带修正因子的模糊控制器控制效果取决于修正因子的的选择。常规PID控制实验和模糊控制实验结果表明:模糊控制的动态稳态性能更好。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 课题研究的背景
• 1.1.1 模糊控制的发展及特点
• 1.1.2 PC-based 控制技术的特点
• 1.1.3 现场总线的技术特点
• 1.2 课题研究的目的和意义
• 1.3 本文所作的主要工作
• 第二章 模糊控制系统的基本原理及设计
• 2.1 模糊控制的基本思想
• 2.2 模糊控制系统的工作原理
• 2.2.1 模糊控制的研究对象和数学工具
• 2.2.2 模糊控制系统的组成
• 2.2.3 模糊控制的基本原理
• 2.3 模糊控制器的设计方法
• 2.3.1 模糊控制器结构
• 2.3.2 精确量的模糊化
• 2.3.3 建立模糊控制器的控制规则
• 2.3.4 模糊推理
• 2.3.5 控制量的模糊量转化为精确量
• 2.4 论域、量化因子、比例因子的选择
• 2.4.1 论域及基本论域
• 2.4.2 量化因子和比例因子
• 2.5 液位模糊控制器的设计
• 2.5.1 PID 控制器的原理
• 2.5.2 液位模糊控制器设计
• 2.5.3 模糊自适应PID 控制器的设计
• 本章小结
• 第三章 液位控制系统的特性
• 3.1 单容水箱的动态数学模型
• 3.1.1 阶跃响应法求传递函数
• 3.1.2 半对数图解法求传递函数
• 3.2 双容水箱的动态数学模型
• 本章小结
• 第四章 系统的硬件组态
• 4.1 过程对象系统ACSK 简介
• 4.1.1 系统组成
• 4.1.2 被控对象
• 4.1.3 检测装置
• 4.1.4 执行机构
• 4.2 TwinCAT 平台
• 4.3 上位机与 TwinCAT 平台的通讯
• 4.3.1 现场总线Profibus 通讯
• 4.3.2 通讯连接
• 本章小结
• 第五章 系统的软件设计及仿真
• 5.1 TwinCAT 工控软件介绍
• 5.1.1 TwinCAT 系统的基本配置要求
• 5.1.2 TwinCAT 软件系统的构成
• 5.2 VC++与 TwinCAT 混合编程研究
• 5.2.1 VC++与TwinCAT 接口的实现步骤
• 5.2.2 混合编程实现
• 5.2.3 上位监控系统设计
• 5.3 MATLAB 仿真研究
• 5.3.1 Simulink 仿真
• 5.3.2 MATLAB 程序仿真
• 5.4 系统实验
• 5.5 调试问题及解决方法
• 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文
• 致谢