智能控制系统设计与工业应用

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3.0 陈辉 2024-11-19 6 4 2.2MB 59 页 15积分
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摘要
首先，本文介绍了作为工业中常用到的双容水箱液位系统的数学模型建立的
两种方法：解析法和系统辨识法。并用系统辨识法确定了实验室已有的双容水箱
系统的数学模型。在此基础上，重点介绍了液位控制的几种算法：PID 控制算法、
模糊控制算法、模糊积分控制算法、模糊 PID 算法，然后，应用 MATLAB 7.0 软
件对各种控制算法进行了仿真，通过仿真结果对各种控制算法的性能进行了详细
的分析。
另外，在学校已有的液位流量控制系统实验装置的基础上，针对其存在的不
足，实际改造成了智能水箱液位控制系统。介绍了该智能水箱液位控制系统的总
体硬件结构，各种组成部件的结构特性，分析了整个系统的工作原理，确定了实
验方案；介绍了在 WINDOWS XP 平台下，如何利用 VC++6.0 可视化编程软件开
发系统的上位机软件系统。详述了软件系统中开发通讯模块、实时显示模块、控
制算法模块的具体实现过程，介绍了系统软件平台的工作原理。
最后，用 C/C++语言实现了对 PID 算法、模糊控制算法、模糊积分算法和模
糊PID 算法的编程，并将这些算法成功的应用到了智能液位控制系统当中去。得
到了实时的控制响应曲线，实现了液位系统的自动控制。通过系统正常运行，充
分证明了系统的硬件和软件设计比较合理，系统运行比较稳定、可靠，有实际的
应用价值。
关键词： 智能控制系统 计算机控制 液位控制 模糊控制 模糊
PID 控制
ABSTRACT
At first, the thesis specifies two methods of establishing the mathematical model of
two-capacity water tank level control system which is commonly used in industry:
analytical method and system identification method. Established the system’ model
using system identification method. Mainly introduces liquid level control algorithms:
PID algorithm, fuzzy algorithm, fuzzy integral algorithm and fuzzy-PID algorithm, and
all of these algorithms are simulated application MATLAB 7.0 software.
Second, On the basis of Process Control System experiment device, intelligent water
tank level control system is built. Introduces the overall hardware structure of intelligent
water tank level control system, the characteristics of various components and the
experimental scheme, analyses the working principle of the control object. Introduces in
the WINDOWS XP platforms, develop communication module, real-time display
module and control algorithm module using VC++6.0. And introduce the software
platform of the system.
At last, PID algorithm, fuzzy algorithm, fuzzy integral algorithm and fuzzy-PID
algorithm are programmed C/C++ language and have been used in level control system
successfully. Get the real-time response curve, realized the automatic control of level
system. Through the system operation, it proofs that hardware and software designing of
the system is reasonable and the system operation is stable and reliable, has practical
application value.
Key Words: Intelligent Control System, Computer Control, Level
Control, FUZZY Control, FUZZY PID Control
目录
中文摘要
ABSTRACT
第一章 绪论 ......................................................... 1
§1.1 课题背景 ..................................................... 1
§1.2 智能控制系统国内外发展现状 .................................. 2
§1.2.1 智能控制系统的引入 ..................................... 2
§1.2.2 智能控制系统的定义 ..................................... 3
§1.2.3 智能控制系统的特点 ..................................... 3
§1.2.4 国内外发展现状 ......................................... 4
§1.3 智能控制理论的国内外发展现状 ................................. 4
§1.3.1 模糊控制 ............................................... 5
§1.3.2 专家系统 ............................................... 5
§1.3.3 神经网络控制 ........................................... 6
§1.3.4 遗传算法 ............................................... 6
§1.4 液位控制系统 ................................................ 6
§1.4.1 串联双容水箱的特点 ..................................... 7
§1.4.2 液位控制系统国内外发展现状 ............................. 7
§1.5 本文的主要内容及安排 ........................................ 8
第二章 双容水箱数学模型的建立 ....................................... 9
§2.1 解析法 ...................................................... 9
§2.2 系统辨识法 ................................................. 10
§2.3 本章小结 ................................................... 12
第三章 控制算法的研究 .............................................. 13
§3.1 PID 控制算法 ................................................ 13
§3.1.1 数字 PID 控制算法 ...................................... 14
§3.1.2 PID 控制器参数整定 ..................................... 16
§3.1.3 采用 PID 控制算法控制效果 .............................. 18
§3.2 模糊控制算法 ............................................... 20
§3.2.1 模糊控制的基本结构和组成 .............................. 20
§3.2.2 模糊控制的设计 ........................................ 21
§3.3 模糊积分控制 ............................................... 26
§3.4 模糊 PID 控制 ............................................... 26
§3.4.1 模糊 PID 控制器的结构 .................................. 27
§3.4.2 模糊 PID 控制器的设计 .................................. 28
§3.4.3 模糊 PID 控制器控制规则设计 ............................ 30
§3.5 算法比较 ................................................... 31
§3.6 本章小结 ................................................... 33
第四章 液位计算机智能控制系统设计 .................................. 34
§4.1 双容水箱的硬件组成 ......................................... 35
§4.1.1 水箱主体 .............................................. 35
§4.1.2 检测装置 .............................................. 36
§4.1.3 气动调节阀 ............................................ 38
§4.1.4 数据采集卡 ............................................. 39
§4.2 系统的模块组成 ............................................. 41
§4.2.1 通讯模块 ............................................... 42
§4.2.2 实时显示模块 ........................................... 42
§4.2.3 控制算法模块 ........................................... 42
§4.3 系统的控制界面 ............................................. 42
§4 .3.1 算法的选择 ............................................. 44
§4.3.2 液位值的设定 .......................................... 46
§4.3.3 显示实时液位值和控制值 ................................. 47
第五章 结论与展望 .................................................. 49
参考文献 ........................................................... 50
附录 ............................................................... 52
在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果 ..................... 56
致谢 ............................................................... 57
第一章 绪论
1
第一章 绪论
§1.1 课题背景
智能控制系统是近十几年来发展起来的一门新兴学科，它简化了建模程序，算
法简易，明显提升了控制系统的品质，并引起了国内外学者广泛的关注[1]。智能
控制系统是现在国内外自动化学科里一个十分活跃并且具有挑战性的领域[3,4,5]，
并且是一门新兴交叉的学科。它与自动控制、人工智能、运筹学、模糊数学、神
经网络理论、计算机科学、信息论、模式识别、进化论、认识心理学和仿生学等
都有着相当密切的关系，是相关的学科相互结合和渗透的产物[2]。目前已成功应
用于各种工业自动化、电力系统与核电安全运行、过程控制、冶金、智能机器人、
智能化仪器仪表、航空航天飞行器对接、智能通信网络和家电行业等领域，现已
形成一门新的智能自动化学科[6]。
在石油、化工、造纸、冶金、建材以及热力发电等工业生产领域中连续或者
按一定的周期进行的生产过程的自动控制，被称为生产过程自动化[7]。采用数字
或模拟控制的方式对生产中的某一种或者某些参数量进行自动控制被称为过程控
制。过程控制系统总体上可分为常规仪表的过程控制系统和计算机的过程控制系
统。其中计算机过程控制系统是近些年来，发展起来的以计算机为核心的控制系
统，它以其突出的强大的功能和优势，现在已成为过程控制的一个主流方向。
随着现代工业生产技术的飞快发展，人们对应用在生产过程自动化中的控制
方法的要求不断提高。每一种先进的、可实现的控制算法的出现都会巨大的推动
工业的生产水平[8]。然而，实际的生产应用技术水平与当今的学术研究并不同步，
甚至相差甚远。在我国，一些高深的、先进的控制理论智能局限于少数科研院所
等狭小的圈子内，远离了国民生产这个应用基地。有多个方面的原因，其中，一
个很重要的原因是理论研究缺乏实际背景支持，将理论算法应用于现场会遇到各
种实际的问题，制约了理论算法应用。目前在实验室中模拟真实的工业过程的条
件难以达到，所以，在实验室中设计具有典型对象特性的装置是一条将理论成果
转化为实际应用技术的捷径。
水箱液位控制系统，是基于工业过程的物理模拟对象。它是集计算机控制技
术、自动化仪表技术、自动控制技术、通讯技术为一体的多功能的实验装置。该
系统包括液位、压力、流量等参数，可以实现系统单回路控制、比值控制、串级
智能控制系统设计与工业应用
2
控制、前馈—反馈控制、解耦控制、参数的辨识等多种控制的形式。串联双容水
箱装置在工业过程中的应用非常广泛。其工作原理是，水首先进入到第一个水箱
中，然后从第一个水箱中进入到第二个水箱中并流出。这样与单个水箱相比，增
加了一个水箱，就使得被控量的在响应时间上更落后了一步，也就是存在着容积
延迟，从而导致了难以控制该过程。随着工业的发展，液位控制在各种过程控制
中的应用越来越广泛。
§1.2 智能控制系统国内外发展现状
自从 1932 年，奈魁斯特（H.Nyquist）发表反馈放大器的稳定性的论文以来，
控制理论这门学科的发展已走过了六十多年的历程[9,10]，其中前三十年是经典控
制理论的发展和成熟阶段，后三十年是现代控制理论的形成和发展阶段。60 年代
前后，由于计算机技术的成熟和普及，促使控制理论由经典理论向现代控制理论
的过渡。由于航天技术、信息技术和制造工业技术的革命，要求控制理论能够处
理更加复杂的系统控制问题。这些大型复杂的系统有大型工业生产过程、计算机
集成制造系统、空间飞行的各类复杂的设施和柔性机器人等。这些系统既有系统
运行行为和特性上的复杂性，也有不确定性从而导致的复杂性。对于这类系统的
研究涉及到非线性、鲁棒性、具有柔性结构和离散事件动态的系统等。这样就需
要对他们进行相对独立的研究，也必须按照具体的工程问题把他们中的几个方面
集成加以研究。从总体来看，其研究十分有限，有的问题甚至难以研究。特别是
那些那用数学模型描述的问题，单纯的数学工具显得无能为力，这对控制理论无
疑是一个新的挑战。
§1.2.1 智能控制系统的引入
当代科学技术的重大发展和变革，已经突破了旧的自动控制系统范畴向复杂
的自动控制系统方向发展[11]。单凭一种控制模式或者仅采用数学工具或计算机仿
真都难以解决这些复杂的自动控制系统。许多难以实现目标控制的复杂的生产过
程，但是通过专家、操作熟练的工人或技术人员却可以操作自如，并获得满意的
控制效果。这些专家、操作熟练的工人或技术人员的经验和知识若能与控制理论
相结合。并把它作为控制理论的一个补充的手段用来解决复杂生产过程，将是解
决复杂生产过程的一个突破性的进展。实际中，计算机技术的发展已经为其提供
了一个有效工具。计算机在符号逻辑、处理图像、知识、经验和模糊信息等方面
的能力，肯定能承担的起将熟练的操作工、专家和技术人员的知识经验和操作方
摘要：

摘要首先，本文介绍了作为工业中常用到的双容水箱液位系统的数学模型建立的两种方法：解析法和系统辨识法。并用系统辨识法确定了实验室已有的双容水箱系统的数学模型。在此基础上，重点介绍了液位控制的几种算法：PID控制算法、模糊控制算法、模糊积分控制算法、模糊PID算法，然后，应用MATLAB7.0软件对各种控制算法进行了仿真，通过仿真结果对各种控制算法的性能进行了详细的分析。另外，在学校已有的液位流量控制系统实验装置的基础上，针对其存在的不足，实际改造成了智能水箱液位控制系统。介绍了该智能水箱液位控制系统的总体硬件结构，各种组成部件的结构特性，分析了整个系统的工作原理，确定了实验方案；介绍了在WIND...

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