單容水箱液位模糊控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究

楊 杰，齊向東

（太原科技大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，山西 太原 030024）

0 引言

液位是工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中的四大熱工參數(shù)之一，因此，液位控制已成為工業(yè)生產(chǎn)中研究的重要課題［1］。傳統(tǒng)的液位控制系統(tǒng)大多采用常規(guī)PID控制，由于常規(guī)PID控制器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用方便，被廣泛使用［2－6］，但常規(guī)PID在系統(tǒng)參數(shù)、工作環(huán)境發(fā)生改變時(shí)控制效果較差，且液位控制系統(tǒng)對(duì)穩(wěn)定性和快速性要求較高，這樣不依賴數(shù)學(xué)模型的模糊控制給這類問(wèn)題的解決帶來(lái)了新思路［7］。

本文基于VB開(kāi)發(fā)環(huán)境設(shè)計(jì)了一個(gè)采用模糊控制方法的液位控制系統(tǒng)，主要包括硬件系統(tǒng)搭建和軟件開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)。以THSA－I型過(guò)程控制綜合自動(dòng)化控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)為研究平臺(tái)，采用該平臺(tái)的計(jì)算機(jī)作為直接控制器，通過(guò)數(shù)據(jù)采集模塊實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)和傳感器或執(zhí)行器之間的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，通過(guò)設(shè)計(jì)模糊控制器，在VB開(kāi)發(fā)環(huán)境實(shí)現(xiàn)液位控制。實(shí)驗(yàn)分別采用常規(guī)閉環(huán)PID控制和模糊控制對(duì)單容水箱液位進(jìn)行控制，并對(duì)比控制效果，驗(yàn)證了模糊控制在單容水箱液位控制上的優(yōu)越性。

1 單容液位過(guò)程模糊控制器設(shè)計(jì)

1．1 確定模糊控制器的結(jié)構(gòu)

根據(jù)單容液位過(guò)程控制的特點(diǎn)和控制要求，模糊控制器選用二維結(jié)構(gòu)，如圖1所示。系統(tǒng)給定r，以液位的偏差e和液位偏差的變化ec為輸入變量，經(jīng)過(guò)量化后得到E、EC，然后經(jīng)過(guò)控制表得到控制量的數(shù)字量UC，經(jīng)過(guò)去模糊化z－1得到輸出量u，控制液位過(guò)程。其中k1、k2、k3是對(duì)應(yīng)變化中的比例系數(shù)。

圖1 離散控制器結(jié)構(gòu)框圖

1．2 確定輸入輸出變量的基本論域

在單容液位控制系統(tǒng)中，液位的給定值為Sp，由液位傳感器測(cè)量并變化的水位值為PV，則可以得到水位偏差E和水位偏差的變化EC為：

將E（k）和EC（k）作為液位控制器的輸入量，輸出量u為執(zhí)行器電動(dòng)調(diào)節(jié)閥的開(kāi)度。根據(jù)實(shí)驗(yàn)情況，考慮到傳感器的偏差，確定輸入和輸出的論域，要求液位偏差E的范圍為［－15，＋15］，偏差變化EC的范圍為［－0．1，＋0．1］。液位控制量為輸出變量u（即電動(dòng)閥的開(kāi)度），它的范圍為0%～100%，相應(yīng)的控制信號(hào)為4mA～20mA。

1．3 定義模糊子集及隸屬函數(shù)

在本設(shè)計(jì)中，輸入變量E的模糊子集為 ｛負(fù)大，負(fù)中，負(fù)小，零，正小，正中，正大｝、EC的模糊子集為｛負(fù)大，負(fù)中，負(fù)小，零，正小，正中，正大｝；輸出控制量u的模糊子集為｛負(fù)大，負(fù)中，負(fù)小，零，正小，正中，正大｝。

1．4 建立模糊控制規(guī)則表

當(dāng)偏差為負(fù)大時(shí)，若偏差變化為負(fù)，這時(shí)偏差有減小的趨勢(shì)，為盡快地消除已有的負(fù)大偏差并抑制偏差變大，因此，控制量的變化取負(fù)大；當(dāng)偏差為負(fù)中時(shí)，控制量的變化應(yīng)該使偏差盡快消除，基于該原則，控制量的變化選取與偏差為負(fù)大時(shí)相同；若偏差變化為正時(shí)，系統(tǒng)本身有消除負(fù)小偏差的趨勢(shì)，選取控制量變化為正小即可。根據(jù)上述選取控制量變化的原則就可以確定單容液位模糊控制器的控制規(guī)則表，如表1所示。

表1 控制規(guī)則表（u）

2 液位控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

2．1 硬件系統(tǒng)組成

本設(shè)計(jì)系統(tǒng)是在 “THSA－1型過(guò)程控制綜合自動(dòng)化控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)”上搭建起來(lái)的，由實(shí)驗(yàn)控制對(duì)象、實(shí)驗(yàn)控制臺(tái)及上位監(jiān)控PC機(jī)3部分組成?！癟HSA－1型過(guò)程控制綜合自動(dòng)化控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)”是一套集自動(dòng)化儀表技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、通訊技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)及現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)為一體的多功能實(shí)驗(yàn)設(shè)備。液位控制系統(tǒng)組成框圖如圖2所示。

圖2 液位控制系統(tǒng)組成框圖

通過(guò)標(biāo)度轉(zhuǎn)化，將液位高度信號(hào)轉(zhuǎn)化為1V～5V的電壓信號(hào)，由ICP7017采集傳送給計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)調(diào)用相應(yīng)的算法計(jì)算后，將控制信號(hào)再次經(jīng)過(guò)標(biāo)度轉(zhuǎn)化變換成4mA～20mA信號(hào)，由ICP7024傳送給電動(dòng)調(diào)節(jié)閥，最終通過(guò)控制閥門(mén)的開(kāi)度達(dá)到控制液位高度的目的。

2．2 軟件設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

目前，液位過(guò)程控制主要采用PID控制，本文為驗(yàn)證模糊控制器的優(yōu)良性，在VB開(kāi)發(fā)環(huán)境下，先設(shè)計(jì)閉環(huán)PID控制窗口，然后同模糊控制對(duì)比控制效果。閉環(huán)PID控制界面及控制效果如圖3所示。

模糊控制測(cè)試窗口包含以下功能：①可以設(shè)置采樣周期與液位設(shè)定值；②有啟動(dòng)和停止功能；③能夠顯示水箱的液位實(shí)時(shí)曲線；④可以設(shè)置模糊控制器量化因子和比例因子。模糊控制測(cè)試窗口如圖4所示。

3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

為了達(dá)到更好的控制效果，需要改變模糊控制器中的輸入量化因子和輸出比例因子。根據(jù)分析輸入輸出論域的變化及所設(shè)置的液位設(shè)定值將偏差量化因子Ke設(shè)為0．8。然后通過(guò)實(shí)驗(yàn)比較和對(duì)水箱的實(shí)際觀察，決定偏差變化量化因子Kec的取值為60。

圖3 閉環(huán)PID測(cè)試窗口

圖4 模糊控制測(cè)試窗口

通過(guò)對(duì)比閉環(huán)PID控制和模糊控制兩組實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，分析兩種控制的優(yōu)劣。將兩組控制液位曲線在同一坐標(biāo)下進(jìn)行比較，如圖5所示。

圖5 PID與模糊控制比較圖

從圖5中可以看出，在相同的條件下，比例微分PD控制有較大超調(diào)，有震蕩，但反應(yīng)速度較比例積分PI的速度要快；雖然比例積分PI反應(yīng)速度較慢，但動(dòng)態(tài)品質(zhì)較好且能消除靜態(tài)偏差。模糊控制沒(méi)有超調(diào)，且上升速度和穩(wěn)定速度都是最快的，但存在靜態(tài)偏差，由于傳感器有誤差，因此測(cè)量值有震蕩?？傊?，可以看出模糊控制方法對(duì)單容水箱液位的控制效果要比常規(guī)閉環(huán)PID控制的效果更好，提高了控制系統(tǒng)的快速性，保證了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，達(dá)到了較好的控制效果，符合單容水箱液位控制的要求。

4 結(jié)論

本文針對(duì)傳統(tǒng)工業(yè)單容水箱液位控制過(guò)程中存在的穩(wěn)定性差、響應(yīng)慢等問(wèn)題，提出了一種模糊控制方法對(duì)液位進(jìn)行控制，并設(shè)計(jì)了單容液位控制系統(tǒng)。在相同實(shí)驗(yàn)條件下，采用傳統(tǒng)方法與本文提出的方法分別對(duì)單容液位進(jìn)行控制，通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了本文采用的模糊控制與閉環(huán)PID控制的效果相比，穩(wěn)定性更好、響應(yīng)速度更快，對(duì)液位控制的控制性能明顯提高。

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