三容水箱液位的PID控制技术
基于模糊PID的三容水箱液位控制系统应用研究的开题报告
基于模糊PID的三容水箱液位控制系统应用研究的开题报告一、研究背景和意义在现代产业中，水箱具有重要的作用，是一种常用的储水设备。
水箱液位控制技术的发展，对于保障工业生产的正常运行、降低能源的消耗和延长水箱的使用寿命都具有重要作用。
目前，水箱液位控制主要采用经典PID控制算法进行控制，但是由于水箱液位受多种因素影响，导致水箱液位变化不稳定，因此，传统的PID控制算法无法满足对水箱液位控制的精准度和鲁棒性的要求。
模糊控制可以处理系统模型模糊、误差信号模糊的情况，是一种非线性、模型无关的控制方法，具有较好的鲁棒性和适应性，在实际应用中得到了广泛的应用。
如何将模糊控制应用于水箱液位控制系统中，是当前研究的热点之一。
本研究将采用基于模糊PID控制算法的水箱液位控制系统，通过建立水箱液位控制模型，根据模型的特性采用模糊PID控制策略，实现水箱液位的自动控制，提高水箱液位控制的精准度和鲁棒性。
二、研究内容和方法本研究的主要研究内容和方法如下：1. 系统建模：建立三容水箱液位控制系统的数学模型，包括水箱的物理模型和控制系统的数学模型。
2. 控制算法设计：根据水箱液位的特性和传统PID控制算法的不足，设计基于模糊PID控制算法的控制策略。
3. 系统仿真：利用MATLAB/Simulink仿真工具，建立水箱液位控制系统的仿真模型，进行系统仿真，验证系统的控制效果。
4. 实验研究：通过实验平台，在实际的水箱液位控制系统中验证模糊PID控制算法的控制效果，与传统PID控制算法进行比较。
三、预期研究成果和意义本研究的预期研究成果和意义如下：1. 建立基于模糊PID控制算法的三容水箱液位控制系统研究模型，为水箱液位控制系统的研究提供了一种新的思路和方法。
2. 设计和实现了基于模糊PID控制算法的水箱液位控制系统，并进行了实验验证，实验表明，该算法在水箱液位控制方面具有比传统PID 控制算法更好的控制效果。
3. 本研究的成果可以在实际的工程应用中，提高水箱液位控制的精准度和鲁棒性，为提高工业生产效率和节省能源做出贡献。
水箱液位控制PID的MATLAB参数整定及仿真
水箱液位控制PID的MATLAB参数整定及仿真摘要：PID控制器主要针对控制对象来进行参数调节。
PID的归一参数整定法和试凑法费时，费力。
针对这一问题，探讨MATLAB实现PID参数整定及仿真，同时观察控制参数对PID控制规律的影响。
关键词：PID；参数整定；仿真1 引言PID控制器又称为PID调节器，是按偏差的比例P、积分I、微分D进行控制的调节器的简称，它主要针对控制对象来进行参数调节。
因为它算法简单、稳定性好、工作可靠、鲁棒性好，在工程上易于实现，但PID控制器的参数整定方法复杂，通常采用PID归一参数法和试凑法来确定，但较费时、费力。
针对这一问题，文中探讨用MATLAB实现PID参数整定及仿真的方法及控制参数对PID控制规律的影响。
利用MATLAB强大的计算仿真能力，解决了利用试凑法来整定参数浩繁的工作，可以方便、快速地找到使系统达到满意性能指标的参数。
2 PID控制器的原理与算法图1是典型PID控制系统结构图。
在PID调节器作用下，对误差信号分别进行比例、积分、微分控制。
PID控制算法的模拟表达式为μ (t) =Kp [ + +Td de(t) dt ]相应的传递函数为：Gc(s)= Kp(1 +S + TdS)3 水箱水位调节系统：一个典型的水箱水位自动控制系统如下图所示。
这个水位控制系统中，水池的进水量Q1来自手动控制开度的进水阀门，通过调节出水阀门调节出水量Q2，使水箱水位保持设定水位不变。
这个系统是个典型单冲量自动调节系统，在该系统中：系统中各组成单元的模型如下：水箱对象模型：G(s)=液位传感器：量程0~40cm执行阀：对应0~100%开度系统的方框图如图所示：4 PID控制器的MATLAB仿真PID控制器的参数Kp、Ti、Td分别对系统性能产生不同的影响。
在控制过程中如何把Kp、Ti、Td 3参数调节到最佳状态，需要深入了解PID控制中3参数对系统动态性能的影响。
下面讨论水箱水位调节系统中当一个参量发生变化，对应曲线的实时变化。
三容水箱的非线性pid控制
分类号:学校代码: 10128 U D C :学 号: 20061198硕士学位论文题 目：三容水箱的非线性PID 控制英文题目：Nonlinear PID Control for Three-tankWater研究生：段慧学科专业：控制理论与控制工程指导教师：王生铁 教授张计科 讲师二○○九年五月摘要三容水箱是工业生产过程中多容流程对象的抽象模型，具有很强的代表性，可模拟工业过程中一阶或多阶次、线性或非线性、单容或多容、耦合或非耦合等特性、验证各种控制策略的性能优劣，因而研究三容水箱的控制具有重要的理论意义和实际应用价值。
本文在对三容水箱结构形式和工作机理分析的基础上，首先建立三容水箱的非线性数学模型，然后根据流量特性的特点，采用分段线性化的方法设计了变参数PID 控制器，仿真分析指出该控制策略在给定大范围变化时动态和静态性能较差的不足。
在此基础上研究了非线性变参数PID控制和非线性模糊PID控制策略，这两种控制策略引入了非线性特性，在液位差较大时，采用不同参数的PI控制；液位差在小范围时采用变参数PID或模糊PID达到加快动态调节过程和保证液位调节精度的目的。
从仿真和实验结果来看，非线性PID控制可以实现液位控制的“粗调”和“精调”，保证液位给定大范围变化情况下控制的快速性和准确性，验证了本文所研究控制策略的正确性和可行性。
关键词：三容水箱；非线性变参数PID；非线性模糊PID内蒙古工业大学科研基金项目(X200415)AbstractAs an abstract and typical model of industrial production process, three-tank water can be used to simulate the characteristics of first order or multiple order, linear or nonlinear, single-capacity or multiple-capacity, coupling or non-coupling industrial processes, and verify the validity of various control strategies, so that it is of an important theoretical significance and application value to study control of three-tank water.In this thesis, based on the analysis of the structure and mechanism for three-tank water, the nonlinear mathematical model of the three-tank water is established, and according to its flow characteristics, variable parameter PID is designed by using the piecewise linearization method. Simulation results indicate that the control strategy has poor dynamic and steady performance under large variation in set water level. Nonlinear variable parameter PID and nonlinear fuzzy PID are put forward to overcome the drawback of variable parameter PID. By the introduction of nonlinear characteristics, these two controllers use the PI with different parameters under a larger change in water level set, and use nonlinear variable PID or fuzzy PID under a smaller set level variation to speed up the dynamic adjustment process and to ensure steady regulation accuracy. Simulation and experimental results show the "coarse tuning" and "fine tuning" of nonlinear variable parameter PID and nonlinear fuzzy PID control have been achieved under a larger variation in water level set, and verify the correctness and feasibility of the control strategies proposed in the thesis.Key Words: Three-tank water; nonlinear variable parameter PID; nonlinear fuzzy PIDThis project is funded by Natural Science Foundation of Inner Mongolia University of Technology(X200415)目 录第一章引言 (1)1.1课题背景及意义 (1)1.2三容水箱实验系统发展概况 (1)1.3三容水箱控制策略研究现状 (2)1.4本文主要工作 (3)第二章三容水箱的数学模型及变参数PID控制 (4)2.1三容水箱的系统组成 (4)2.2 三容水箱的数学建模 (9)2.2.1单容水箱的线性模型 (9)2.2.2单容水箱的非线性模型 (12)2.2.3三容水箱的数学模型 (14)2.3三容水箱的变参数PID控制 (14)2.3.1分段线性化模型 (15)2.3.2 控制器的设计 (15)2.3.3 仿真研究 (16)第三章三容水箱非线性PID控制策略及仿真研究 (22)3.1非线性变参数PID控制策略 (22)3.1.1控制器结构及原理 (22)3.1.2 控制器设计 (23)3.2非线性模糊PID控制策略 (23)3.2.1控制器的结构及原理 (23)3.2.2控制器设计 (23)3.3非线性PID控制的仿真研究 (25)3.3.1非线性变参数PID控制 (25)3.3.2非线性模糊PID控制 (27)3.3.3 性能比较 (29)第四章三容水箱非线性PID控制策略的实验研究 (30)4.1系统硬件结构 (30)4.2力控组态软件开发环境 (31)4.3软件的实现 (32)4.3.1界面的设计 (32)4.3.2数据库的设计 (34)4.3.3 控制算法编程 (36)4.4实验结果及分析 (41)第五章总结 (45)参考文献 (46)致谢 (49)个人简介 (50)附录 (51)第一章引言1.1课题背景及意义液位是生产生活中常见且重要的物理量。
三容液位定值控制实验
三容液位定值控制实验是一种常见的控制工程实验，用于演示和研究在不同流量输入条件下，如何通过控制阀门开度来实现三个容器的液位保持在设定值上。
以下是一个简单的三容液位定值控制实验的步骤：
1. 实验装置准备：
- 准备三个相互连接的容器，可以使用玻璃容器或塑料容器。
- 在每个容器中安装液位传感器，用于测量液位。
- 在每个容器上安装控制阀门，用于调节液位。
- 连接液位传感器和控制阀门到控制系统或数据采集设备。
- 连接流量控制装置或泵到容器的进水口。
2. 设定液位控制参数：
- 根据实验目的和要求，设置每个容器的液位设定值。
- 设定控制系统的采样时间和控制算法。
3. 启动实验：
- 打开流量控制装置或泵，使液体流入容器。
- 启动控制系统，开始实时监测液位，并根据设定值调节控制阀门的开度。
4. 数据记录和分析：
- 实时记录每个容器的液位数据和控制阀门的开度。
- 分析液位控制的稳定性和响应性能，评估控制系统的性能。
5. 参数调整和再次实验：
- 根据实验结果，可以调整控制系统的参数，如控制增益、积分时间等。
- 再次进行实验，观察和比较不同参数设置下的液位控制性能。
通过这个实验，可以帮助学生理解和实践液位控制的基本原理和方法，培养他们在控制工程中的实验和问题解决能力。
同时，可以对比不同控制算法和参数设置对控制系统性能的影响，进一步提高学生对控制系统设计和调节的理解和掌握。
三水箱的液位控制
包括上水箱、中水箱、下水箱和储水箱。
2、管道及阀门
整个系统管道由不锈钢管连接而成，手动阀门
3、压力传感器（液位传感器）
三个压力传感器分别用来对上、中、下三个水箱的液位进行检测。
4、电动调节阀
精确度高精确到0.0001使用和校正非常方便。
5、磁力驱动泵
四．硬件系统的设计及仿真
1.若采用单闭环控制系统，其硬件系统的组成如图：
若在下水箱上加一个范围-1~1随机扰动，则其simulink仿真程序修改为：
仿真时间设置为10秒，其它相关的参数以及仿真的连接图不变，启动仿真，则可得如下的仿真结果：
从仿真结果可以看出该扰动只引起中水箱短暂的微弱的波动，下水箱仍然能稳定的达到设定值，且上水箱中水箱输出稳定。由于下水箱无超调，ts更小，系统稳定性较之强单闭环控制系统，与三闭环控制系统，有更快的响应时间，更优越的稳定性。
2，三闭环控制系统
上图是三闭环控制系统的框图，它很显然属于串级控制系统，但与典型的串级控制系统不同的是，他有三个调节器，暂且不论两副调节器是比例控制还是PID控制，其主环回路采用PID控制,起着细调的作用，而两个副调节器起着粗调的作用。主调节器有着自己的设定值，它与下水箱的压力变送器反馈对比，实现下水箱的主控，及对下水箱液位的设定。主调节器的输出作为副调节器的设定值，而副调节器的输出作为副调节器2的设定值，副调节器二直接控制电磁调节阀。与第一套方案相比，当在某水箱上有扰动的时候，在其外环反馈后会有迅速的动作解决扰动问题。这样也会较有效的缓解和解决滞后较大的问题。
若我们设两个副对象，及上水箱和中水箱的对象特性为：
G=1/T1S+1 ,
主对象特性为：
G=1/T2S+1
又设T1=T2=10,则三闭环控制系统的SIMULINK仿真如下：
三容液位过程的内模PI控制系统设计
三容液位过程的内模 Ｐ 控制系统设计 Ｉ
Ｄｅ ｉ ｎ ｏ ＭＣ－Ｐ Ｃｏ ｔ ｌＳｙ ｔ ｍ ｏ ｈ ｅ －ｔ ｎ ｅ ｅ ｒ ｃ ｓ ｓｇ ｆ Ｉ Ｉ ｎ ｒ ｓｅ ｆ ｒ Ｔ ｒ ｅ ａ ｋ Ｌ ｖ ｌＰ ｏ ｅ ｓ ｏ
一
１
数学模型为：
） ＝
ｎ
・－ ０ 吾． ５ ５
＝
个 可 调参 数 ， 决 定 着 系 统 的 动 态 特 性 和 鲁 棒性 ， 越 小 ， 系
可 以 计 算 出 双 容 液 位过 程 的 时 间 常数 Ｔ 和 Ｔ ， 终 求 得 其 ２ ３最
统 响 应越 快但 鲁 棒 性 变 差 ， 易 引起 振 荡 ， 之 ， 容 反 入越 大 ， 统 鲁 系 棒性 越 好 ， 响应 过 程 缓 慢 。 因此 ， 以根 据 系 统 的 期 望 特 性 在 但 可
刘 宁 （ 山西省 自 动化研究所 ， 山西 太原 ０ ０ １ ） ３ ０ ２
摘
要
介 绍 了 三容 液 位 过 程 内模 控 制 系统 的 设 计 与 实 现 。系统 由三 容 水 箱 、 能 电动 调 节 阀 、 程 数 据 采 集模 拟 量 输 入／ 出 智 远 输
模 块 以及 压 力 变送 器等 构 成 。利 用 实验 方 法 建 立 了被控 过程 的数 学模 型 ， 虑 到 系统 设 计 的 方便 性 与 稳 定 性 ， 三 阶 过 程 考 将
水 箱 流 量 过 程 的 时 间 常数 Ｔ ， １ 得其 模 型 为 ：
｛．．． ．．．． ．．。。 。．．． ．．．． ．。．
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图 １ 三容液位过担控制系统结构图
三容水箱液位控制系统的PID
目录目录 (1)摘要 (3)第一章概论 (5)1.1 课题来源 (5)1.2 水箱控制策略的研究 (6)1.3 本文研究课题 (6)第二章三容水箱系统简介及数学模型 (8)2.1 三容水箱系统的总体结构及工作原理 (8)2.1.1 三容水箱试验系统的总体结构 (8)2.1.2三容水箱试验台控制结构的组成 (9)2.1.3单入单出一阶对象的结构 (10)2.2 三容水箱系统的特点 (10)2.3 实验建模法推导三容水箱系统的数学模型 (11)2.4 系统的性能分析 (13)2.5 本章小结 (15)第三章基于三容水箱系统的PID控制算法研究 (16)3.1PID控制原理简介 (16)3.2 基于Z-N的算法实现 (17)3.2.1 数字PID控制算法简介 (18)3.2.2 积分分离PID控制算法 (19)3.2.3 基于Z-N整定法的Kp、Ki、Kd控制参数整定 (20)3.3 基于遗传算法的PID控制的设计 (24)3.3.1 遗传算法简介 (24)3.3.2 基于遗传算法PID参数整定的算法设计 (26)3.4 适应度目标函数讨论 (33)3.5 基于自适应遗传算法改进的PID参数整定 (34)3.5.1自适应遗传算法 (34)3.5.2基于自适应遗传算法求解最优化模型 (36)3.6基于自适应遗传算法的改进 (38)3.7 本章小结 (40)第四章总结 (41)4.1 结论 (41)4.2 后续工作 (41)参考文献 (42)致谢 (43)附录1 常规遗传算法PID整定程序 (44)附录2 计算目标函数值的子程序chap5-3f.m (48)附录3 基于自适应遗传算法的PID整定程序 (50)附录4 快速仿真曲线程序 (56)摘要三容水箱系统是工业过程控制中许多被控对象的典型抽象模型，在非线性、大惯性过程控制研究应用中具有广泛代表性。
近年来国内外许多学者对三容水箱系统的建模方法、控制算法及故障诊断等方面进行了探讨。
基于模糊PID的三容水箱液位控制
毕业论文开题报告毕业学校：西北民族大学指导老师：课题题目：基于模糊PID的三容水箱液位控制班级：姓名：联系方式：一、选题的目的意义及国内外对本课题涉及问题的研究现状：（1）本选题的目的、意义现在，随着工业化程度的不断提高，控制对象越来越复杂，控制精度要求越来越高，传统的控制方法已不能满足控制要求，先进控制理论方法的探索和研究显得尤为重要。
三容水箱液位系统在非线性、大惯性过程控制研究应用中具有广泛代表性,近年来国内外许多学者对三容水箱系统的建模方法、控制算法及故障诊断等方面进行了探讨。
进一步研究三容水箱系统的控制算法并构建现代实验教学系统，在工业控制领域和工程控制论教学中都具有较为重要的理论和实际应用价值。
其次，工业上许多被控对象的整体或局部都可以抽象成三容水箱的数学模型，因此对三容水箱液位控制系统的研究对工业生产中液位的控制具有重要的指导意义。
(2）国内外对本课题涉及问题的研究现状二、研究方法、研究手段和需要重点研究的问题及解决的思路（1）三容水箱模型图1 三容水箱（2）三容水箱系统的特点三容水箱系统是有较强代表性和工业背景的对象，具有非常重要的研究意义 和价值，主要是因为它具有如下特点：(1)通过改变各个阀门的关闭或打开状态可构成灵活多变的对象，如一阶对象、二阶对象或双入多出系统对象等；(2)三容水箱系统是典型的非线性、时延对象，所以可对其进行非线性系统的辨识和控制等的相关研究：(3)三容水箱系统可构造单回路控制系统、串级控制系统、复杂过程控制系统等，从而对各种控制系统的研究提供可靠对象；(4)由于对三容水箱系统的控制主要通过计算机来完成，所以，可由计算机编程实现各种控制算法来对水箱系统进行控制，为控制算法的研究提供了良好的试验平台。
（3）三容水箱模型的建立三容水箱液位控制系统的被控对象是三容水箱，被控参数是T3的液位，控制参数为T1的进水量，使用电动调节阀改变其开度来控制其进水量。
三容水箱是液位控制系统中的被控对象。
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三容水箱液位的PID控制技术
三容水箱系统是一种典型的过程控制系统，通常可用作工业控制的模型。
该控制系统具有祸合性强、惯性大和非线性化等特点。
对三容水箱控制系统的分析和研究具有现实意义。
模糊PID控制算法作为较为前言而又成熟的系统控制理论，应用于控制系统十分广泛，可以根据系统性能的不同要求，完成相应的控制目的。
把模糊PID控制策略三容水箱的液位控制，构成模糊PID复合控制，是改善和提高三容水箱控制精度和响应速度的有效途径。
标签：三容水箱；PID控制技术；仿真
1 三容水箱液位控制结构
液位控制是工业控制过程中的常用的控制参数，具有易于观察、便于测量以及过程时间常数相对比较小等优点。
因此，以液位过程控制构成的实验系统，可有效实现各种不同的控制方案和进行灵活地组态控制。
三容水箱液位控制系统试验装置主要是模拟现代工业生产中对水位和流量参数的测量过程、控制并观测其参数变化。
动态过程控制系统一般具有惯性大、大时延长和非线性的特点，难以对其进行精确控制。
通过水箱液位控制系统实验研究，可以有效掌握控制理论、微机系统、仪器仪表等相关内容和现代控制技术，同时还可以了解生产过程中的工艺流程，便于人们从控制的角度掌握液位控制的的静态和动态工作特性。
因而容水箱液位控制系统试验装置成为了控制理论与控制工程、过程控制教学、试验和研究的理想实验平台。
三容水箱实验系统的控制结构由以下几部分组成：1、控制器；2、由计算机软件实现；3、主要实现各种控制算法，如神经网络式PID控制算法、模糊PID 控制算法等；执行机构，包括水泵、比例及其控制器、溢流阀等。
比例电磁阀用于控制向实验台的水箱容器注水，通过改变比例电磁流量阀控制的输入电压值可明显改变水箱出口流量Q，从而实现容器内液位高度自动的控制目的；溢流阀主要是保障整个系统压力在安全可控的范围内；由于被控对象为三容水箱，可测得被控量为圆柱型水箱内的液位高度；三容水箱实验系统的测量元件是三个应变式的压力传感器，一般被用作测量各容器内的液位高度的数值；模/数、数/模接口，通过数据采集卡的模/数转换功能可将传感器采集的模拟电信号转换成计算机可识别的数字信号，同时通过此数据采集卡的数/模转换功能，将预先设置的数字电压信号转换成相应的模拟电压信号，再传送给比例电磁阀，从而调节三容水箱实验系统得进水流量，劲儿执行各种控制算法。
2 模糊PID控制器的设计
PID控制器和被控对象共同组成了模糊PID控制系统。
其中，模糊PID控制器由模糊控制调节器和PID控制算法两部分组成。
模糊PID控制系统的输入变量包括以下三部分：控制系统的实际测量变量与系统设定初始值的差值和差值变化率，三个值是已知数值的确定量。
通过模糊控制调节器的模糊化、模糊推理以
及清晰化后间接的调节PID的比例、微分和积分系数，进而实现PID的控制算法的在线控制并最终获得可操作的确定值，而这值即是模糊PID控制器的输出值。
通过确定值的调节和控制，可以使得误差和误差变化率都趋近于零，从而实现被控系统处于稳定状态的目标。
在模糊PID控制器的整体结构和参数确定下来以后，可以根据该系统的的要求具体设计整个系统结构的模糊PID控制器。
但是无论选取何种结构的模糊控制器，其设计过程大致会包含以下有几步：首先确定控制系统的输入、输出变量；其次确定控制系统中包含的变量的模糊化条件；再设计控制规则库；再设计模糊推理结构；最后确定模糊判决的方法。
3 模型建立
时域法建模是表较常用的一种实验建模的方法，大致可分为系统阶跃响应法和矩形脉冲响应法。
相对来讲阶跃信号更容易获取，且节约信号的对象特性的测定方法也相对较多，故此本文主拟采用阶跃响应法，阶跃响应方法是给被控制对象施加阶跃信号，测定其阶跃响应变化曲线，然后根据该曲线的变化特点，求出被控制对象的整体传递函数。
对于单入单出的一阶函数对象的特征，根据物料守恒原理，容器内液体总量的变化率等于单位时间内流入液体的总量减掉单位时间内流出液体的总量。
推导可得容器内液位h的变化可列如下方程：
其中R称为阀门的液阻，A为容器截面积。
本文采用数据参数[1]如下：
4 系统仿真
水箱系统选定在在180-360mm液位高度，由Ziegler-Nichols[2]整定公式：
其中，Kp为控制系统的比例参数，Ki为积分时间参数，Kd为微分时间参数，K为被控对象的增益，即K=0.086，T为被控对象的时间参数，即T=34 s，T为被控对象的延迟时间，即T=2 s。
本文控制中采样周期Ts=0.3s[3]，从而根据式（3）、式（4）确定积分式PID控制器的参数分别为：
由此，通过MATLAB软件，通过变化相关参数，可得出较为理想的（响应速度快、稳定）水箱液位变化曲线，从而较好的控制水箱液位。
5 总结
本文分析了三容水箱液位控制系统结构，对PID的控制算法实施控制的原理进行了讨论与研究。
在此基础上，应用系统仿真对三容水箱液位控制系统进行了建模仿真，研究了系统的运行特点，对系统运行过程中的系统参数进行了设定、控制，并且进行了相关分析，以期获得稳定精确的水箱液位控制手段。
参考文献：
[1]王晓静.基于三容水箱的模糊PID控制算法研究及实验教学系统开发[D].长沙：中南大学，2009：5-1.
[2]侯燕.三容水箱液位控制系统的研究[D].武汉：华中科技大学，2005：4-18.。