模糊PID控制研究及其在水箱过程控制系统中的应用

论文摘要

常规PID控制器结构简单、鲁棒性好,可靠性高,被广泛用于过程控制系统中,但在科学技术日新月异的今天,工业控制系统中往往存在大时滞、非线性的复杂系统,这种系统较难整定其PID参数,因而难以达到预期的控制效果。模糊控制系统有不依赖数学模型,适应能力强的优点,为复杂系统控制开拓了新的方法。本文首先采用机理建模和实验建模的方法建立了水箱液位系统的数学模型,采用液位-液位串级控制方案,其主调节器采用了传统PID控制和模糊PID控制,副调节器采用比例控制。针对被控对象特性设计了合适的模糊控制器,计算出相应的模糊控制表。使用Matlab仿真软件对此串级控制方案进行仿真,分析比较了传统PID控制和模糊PID控制的性能,仿真结果表明模糊PID在动态性能、抗干扰性以及鲁棒性方面都较好。本文通过以上仿真的结果,进一步将模糊PID算法应用于实际的双容水箱过程控制系统中。实验的过程在THJ-1型现场总线过程控制设备上完成。通过西门子S7-300PLC系统及其组态软件STEP7,设计出了常规PID和模糊PID算法,并将之应用于双容水箱的液位控制。模糊PID控制算法在控制系统中的实现采用两种方法,第一种方法采用了MATLAB离线计算参数,并在STEP7中建立在线参数查询表的方法来实现,从而将模糊控制算法在PLC控制器中实现；第二种方法是利用WinCC的全局脚本编辑器,将自行开发的模糊控制算法嵌入WinCC中,通过WinCC与PLC之间的通讯,实现模糊控制策略。使用WinCC监控组态软件,设计了监控软件,对实验过程进行实时监控,实验结果表明,模糊PID控制在超调量、响应速度等方面有更好的控制品质。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 过程控制发展概况
• 1.1.1 过程控制系统现状
• 1.1.2 先进过程控制算法及现状
• 1.1.3 模糊控制发展概况
• 1.2 本文工作
• 第二章 双容水箱对象建模及控制系统
• 2.1 液位系统构成
• 2.2 双容水箱对象建模
• 2.2.1 机理建模
• 2.2.2 实验辨识建模
• 第三章 模糊PID控制器设计
• 3.1 PID控制
• 3.1.1 PID控制概述
• 3.1.2 PID控制原理
• 3.1.3 数字PID控制算法
• 3.2 模糊逻辑控制原理与模糊PID控制器设计
• 3.2.1 模糊逻辑控制原理
• 3.2.2 模糊逻辑控制器构成
• 3.2.3 模糊PID控制器设计
• 第四章 液位串级系统仿真
• 4.1 常规PID算法仿真
• 4.2 模糊PID控制仿真
• 4.3 仿真结果分析
• 第五章 模糊PID控制在S7-300PLC中实现及应用
• 5.1 控制系统硬件组成
• 5.1.1 S7-300PLC
• 5.1.2 编程软件Step7
• 5.2 模糊PID算法在S7-300PLC中的实现
• 5.2.1 常规PID算法的实现
• 5.2.2 模糊PID算法的实现
• 5.2.3 基于WinCC的监控软件设计
• 5.2.4 基于WinCC实现模糊PID算法
• 5.3 实验结果分析
• 第六章 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的研究成果
• 致谢