度，并对液位控制系统进行模拟与仿真。 本次设计的具体工作包括下面几个方面:

(l)对模糊及 PID 控制算法的发展进行简单说明，对水箱控制系统的构成进行 了介绍。

(2)对该系统结构进行阐述，分析其系统各个状态信息，从而给出了该水箱 系统的模型。

(3)介绍模糊控制的基本概念，PID 控制器的基本结构组成与 PID 控制算法 的特点。

(4)研究模糊 PID 控制器在液位控制系统中的作用，并和常规 PID 控制算法 进行了仿真比较，在跟踪设定值、适应对象参数变化和抗扰动特性方面对两种方 法进行比较，结果模糊 PID 控制算法比常规 PID 控制算法响应动作快，超调量

小，鲁棒性强。模糊 PID 控制算法与数字 PID 相比，从仿真曲线可以看出，在 响应速度、超调量、扰动性、适应对象参数变化特性等方面具有明显的优势。

2 液位控制系统的结构和建模

2。1 水箱系统的结构组成

水箱液位控制系统的结构原理图如图 2-1 所示。水箱由一个回收水槽、三个 玻璃容器、两个连接阀门、三个泄水阀门及两个调整进水阀门的步进电机、一根 导线和管道组成。

三个水箱由链接阀门 1 与链接阀门 2 连接，水箱由各自的泄水阀门进行排水，

排出的水进入回收水槽，潜水泵将回收水槽里的水通过阀门 1 和阀门 2 排入水箱， 从而构成一个循环系统。

图 2-1 液位控制结构图

整个系统有浮漂和滑动变阻器来监测液位的变化，用两个步进电机调节进水 速度，通过调节阀门的转开角度从而实现进水量的大小。系统将采集到的模拟信 号先通过数据采集卡，将模拟信号转化成数字信号，并传送给计算机，同时计算 机执行各种控制算法处理信号，将处理结果通过并行端口输送到步进电机的驱动 器中，从而产生输出脉冲，控制进水量。

2。2  控制系统的二阶对象的结构原理

系统输出为水阀门 1 的开度，系统输入为水箱 2 的液位信号，打开连接阀

门 1 和泄水阀门 2，模拟二阶惯性对象。通过对泄水阀门 2 和进水阀门 1 的开度 进行调节，由于浮漂液位传感器的不灵敏性包括进水管的长度，可对二阶系统中

的纯滞后环节进行模拟。图 2-2 就是其原理图。

图 2-2 二阶对象的原理图

2。3  双容水箱系统的建模

由于对控制过程及其特性了解的必要性本文建立了一个数学模型，以便更 清楚了解本系统的控制过程及其特性。系统的动态方程如式（2-1）和式（2-2）

其中 Q 12 是水箱 1 到水箱 2 的流量，Q 1 是水箱 1 的进水流量。Q 20 是水箱 2 的出水流量， X 1 是阀 1 的开度， 12 是水箱 1、2 之间管道的流量系数， 20 是水箱 2 出水管道的流量系数，S n 是连接水管的截面积，g 是重力加速度 sign

为符号函数。

3  控制算法的研究与分析

3。1 PID 控制算法

PID 调节是工业控制的主要技术之一，应用十分广泛。有些场合无法使用 常规的理论方法来解决相关问题，这时就需要依靠操作者丰富的经验和熟练的技 巧来实现控制，此时本论文中使用的控制方法优点就尤为明显。

PID 控制有三种算法，分别是比例、积分、微分三种调节方式。 比例调节作用（P）:  比例控制器在控制输入信号变化时，只改变信号的幅

值而不改变信号的相位，采用比例控制可以提高系统的开环增益。该控制为主要 控制部分[8]。论文网

积分调节作用（I）: 积分是一种累加作用，它记录了系统变化的历史，因 此，积分控制反映的是控制中历史对当前系统的作用。积分控制往系统中加入了 零极点，可以提高系统的型别（控制系统型别即为开环传递函数的零极点的重数， 它表争了系统跟随输入信号的能力），消除静差，提高系统的无差度，但会使系 统的震荡加剧，超调增大，动态性能降低，故一般不单独使用，而是与 PD 控制 相结合[8]。