基于模糊PID與組態(tài)技術(shù)的液位控制系統(tǒng)的研究

1、2009年9月第37卷第9期機床與液壓MACHINETOOL&HYDRAULICSSep12009Vol137No19DOI:10.3969/j1issn11001-3881120091091050基于模糊PID與組態(tài)技術(shù)的液位控制系統(tǒng)的研究胡開明,李躍忠,錢敏(東華理工大學(xué)電子與機械工程學(xué)院,江西撫州344000)摘要:以模糊PID控制與工業(yè)組態(tài)技術(shù)為基礎(chǔ)對單容水箱液位系統(tǒng)進行了研究,建立了液位系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型,創(chuàng)建了適合該系統(tǒng)的模糊PID控制規(guī)則,組建了系統(tǒng)的組態(tài),并進行了仿真。較好地解決了液位系統(tǒng)由于存在滯后環(huán)節(jié)而無法達(dá)到控制要求的問題。關(guān)鍵詞:模糊PID;組態(tài)技術(shù);仿真;滯后中圖

2、分類號:TP272文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A文章編號:1001-3881()9-150-3ResearchonFluidPositionControliQIANMinandMechanicalEngineering,EastChinaInstituteofTechnology,FuzhouJiangxi344000,China)Abstract:Thesingle2capacitywatertanksystembasingonthefuzzyPIDcontrolandtheindustryconfigurationtechnologywasstudied.Thesystemsmathematicalmod

3、elwasestablished,thesuitablefuzzyPIDcontrolrulewasfound,thesystemsconfigurationwassetup,andthesimulationwascarriedout.Thisdesigncanwellsolvetheproblemthatthefluidpositionsystemcannotmeettheneedbecauseofthedelaycomponent.Keywords:FuzzyPID;Configurationtechnology;Simulation;Delay0引言工業(yè)液體的液位控制系統(tǒng)是工業(yè)生產(chǎn)中比較

4、典型1的控制應(yīng)用之一,許多控制系統(tǒng)的模型與此類似。以往在該領(lǐng)域比較成熟的控制算法是PID算法。由于過程控制系統(tǒng)執(zhí)行機構(gòu)的復(fù)雜性、變量間的關(guān)聯(lián)性和非線性等原因,找到一組適合整個系統(tǒng)大范圍控制的合適的PID參數(shù)相當(dāng)困難,這對要求控制范圍寬、響應(yīng)快且連續(xù)可調(diào)系統(tǒng)就顯得力不從心了。另外液位控制對象一般具有純滯后、大慣性,因此液位變化緩2慢,系統(tǒng)一般呈非線性。用常規(guī)PID控制器來控制時,其效果不理想,系統(tǒng)響應(yīng)的調(diào)節(jié)時間較長。模糊控制與PID控制相結(jié)合則顯示了巨大的優(yōu)越性。模糊PID控制器既具有模糊控制靈活且適應(yīng)性強的優(yōu)點,又具有常規(guī)PID控制精度高的特點,在工業(yè)控制中得到廣泛應(yīng)用。1水箱液位系統(tǒng)建模圖1

5、為過程控制實驗室的液位過程控制系統(tǒng)的原理圖。A為液罐的截面面積,h為液位高度,h0為實際液位高度,Qo為系統(tǒng)輸出流量,Qi為系統(tǒng)輸入流量。利用水泵將儲水槽中的水輸出,通過電動調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)進水流量,采用閉環(huán)串級控制上、下水箱的液位,使水箱液位保持恒定,液位變送器對上、下水箱液位進行實時測量。根據(jù)質(zhì)量守恒定律:A圖1水箱液位控制圖=Qi(t)-Qo(t)dt(1)假定閥的開度為x(t)當(dāng)閥全開時,單位時間流過閥的液量為V,則(2)Qi(t)=Vx(t)根據(jù)流體學(xué)有:Qo(t)=mH(t)(3)式(3)中m是罐裝閥的結(jié)構(gòu)決定的系數(shù),對于固定閥m值不變,將式(2)、(3)代入式(1)中有A=Vx(t)-

6、mdt(t)(4)收稿日期:2008-09-03基金項目:東華理工大學(xué)校長基金資助項目(DHXK0839)作者簡介:胡開明(1977),安徽安慶人,教師,研究生。主要從事控制理論、檢測與控制裝置領(lǐng)域的教學(xué)與研究工作。電話E-mail:hukm11051631com。第9期胡開明等:基于模糊PID與組態(tài)技術(shù)的液位控制系統(tǒng)的研究6151用泰勒公式線性式(3)化為A+H(t)=x(t)dtA2Ao3經(jīng)過拉氏變換得到系統(tǒng)的傳遞函數(shù)Gp(s)=s+為2Ao在工程應(yīng)用中為Gp(s)=2Ao=1,因此系統(tǒng)的控制模型212模糊控制器的設(shè)計設(shè)理想的液位為h0,實際測得的水位高度為h,選

7、擇液位差為e=h=h0-h。將偏差e作為觀測值,將偏差和偏差變化率分別記為E與Ec,其論域均取為-3-2-10123,KP、KI、KD模糊論域取-2-1012,E與Ec的模糊子集記為NBNMNSZOPSPMPB,分別表示負(fù)大、負(fù)中、負(fù)小、零、正小、正中、正大。隸屬度函數(shù)形狀均選三角形,如圖3所示。s+m/A,后時間t=l/v,G0(s)=s+m/Ats圖3E、Ec與KP、KI、KD模糊子集PID參數(shù)模糊自整定是找出PID3個參數(shù)與E和Ec模糊關(guān)系。在運行中不斷檢測E和Ec,根據(jù)模糊這樣就將該系統(tǒng)的過程數(shù)學(xué)模型的結(jié)構(gòu)確定了,是含純滯后的一階慣性環(huán)節(jié),也是控制系統(tǒng)中比較典4型的結(jié)構(gòu)。2模糊PID液

8、位控制器原理及設(shè)計211模糊PID控制器原理PID控制算法是應(yīng)用最廣泛的一種控制規(guī)律之一,在常規(guī)控制PID控制系統(tǒng)中,PID控制作用的一般形式為U(k)=KPe(k)+KIe(j)+KDe(k)j=0k式中:KP、KI、KD分別為比例、積分、微分系數(shù);e(k)為第k次采樣時的偏差值;e(k)為采樣開始到第k次采樣時刻之間偏差的累積;e(k)為第k次采樣時刻輸入的偏差與第k-1次采樣時刻輸入的偏差之差;u(k)為第k次采樣時的控制器輸出值;T為采樣周期。模糊PID控制器以偏差和偏差變化率作為輸入量,KP、KI、KD為輸出量,在線調(diào)整PID參數(shù)5。圖2所示為模糊PID液位控制原理圖?？刂圃韥韺?

9、個參數(shù)進行在線修改,以滿足不同的E和Ec時對控制參數(shù)的要求,使系統(tǒng)具有較好的靜動態(tài)性能的要求。針對不同的e和e,總結(jié)出了一7套KP、KI與KD整定方法。(1)當(dāng)|e|較大時,為加快響應(yīng)速度應(yīng)取較大的KP,同時為了避免e的瞬間變化可能出現(xiàn)的微分飽和超出控制范圍應(yīng)取較小KP。為避免出現(xiàn)較大的超調(diào),對積分作用加以限制,取KI=0。(2)當(dāng)|e|和|e|中等時,為使系統(tǒng)具有較小的超調(diào),KP應(yīng)取得小些。此時KD的取值對系統(tǒng)的影響較大,應(yīng)取適中一些,KI的取值要適當(dāng)。(3)當(dāng)|e|較小時,為使系統(tǒng)具有較好的穩(wěn)定性能,應(yīng)取較大的KP和KI,KD的取值要恰當(dāng),以避免在平衡點附近出現(xiàn)振蕩。同時為避免系統(tǒng)在設(shè)定值

10、附件振蕩,|e|較大時KP可取小一些。根據(jù)3個參數(shù)之間的相互作用關(guān)系及控制規(guī)律,建立了合適的模糊控制規(guī)律表。如表1、2、3所示。表1KP模糊控制規(guī)則表eNBNMecNBNBNSNSZONSNSNBNMNSNSNSZONSNSNSNSNSZOZOZOZONSNSZONSNSZOZOZONSNSPSZOZOPSPBPSZOZOPMZOZOPSPBPSPSZOPBZOPSPSPBPSPSZO圖2模糊PID控制原理圖NSZO圖中:KP=KP+KP,KI=KI+KI,KD=KD+KD式中:KP、KI、KD為設(shè)定值,KP、KI、KD為模糊控制器輸出。PSPMPB152表2KI模糊控制規(guī)則表eNBNMNSZ

11、OPSPMPBecNBPBPSPSNSNBNSZONMPBPSPSNSNSZOPSNSPBPSPSNSZOPSPSZOPSPSPSZOPSPSPSPSPSPSZOPSPSPSPBPMPSZONSPSPSPSPB機床與液壓第37卷PBZONSNBNSPSPSPB能,能夠?qū)崿F(xiàn)人機交換控制界面和網(wǎng)絡(luò)控制功能。該軟件在系統(tǒng)中主要實現(xiàn)了創(chuàng)建組態(tài)窗口實時數(shù)據(jù)曲線設(shè)備窗口組態(tài)及控制策略、完成人機交換界面的設(shè)置,液位系統(tǒng)的主控界面、實時曲線及動畫效果等功能。4系統(tǒng)仿真8-015e,分別在單位階躍輸入下s+115仿真出系統(tǒng)的輸出曲線,圖5(a)為模糊PID控制輸取G0(s)=表3KD模糊控制規(guī)則表eNBNMNS

12、ZOPSPMPBecNBNSNSZOZOZOPBPBNMNSNSNSNSZOPSPSNSNSZOPSPSZONBNSZOPSPSPSNBSNSNSZOPSPSPMSNSNSZOPSPSPBSZOZOZOPBPB出圖形,ts3s。圖5(b)ID,系統(tǒng)由,ts4s,且穩(wěn)定PID的動態(tài)。模糊推理采用ifthen合成規(guī)則,ifeisNBandecisNBthenKPisNBKIisPBKDisNSifeisPBandecisPBthenKPisZOKIisZOKDisPB,共49條規(guī)則。清晰化采用加權(quán)平均值法,各e與e變化對應(yīng)的KP、KI、KD輸出如圖4所示。根據(jù)偏差與偏差變化率得出相應(yīng)的KP、KI、

13、KD,再乘以相應(yīng)得量化因子,從而得出PID實時參數(shù)KP、KI、KD。圖5系統(tǒng)仿真圖形5結(jié)論在液位控制系統(tǒng)中,由于存在著遲滯性,普通PID控制器參數(shù)難以較好地解決響應(yīng)速度與超調(diào)量間的關(guān)系。作者采用模糊PID對其性能進行優(yōu)化,實現(xiàn)了PID參數(shù)在線調(diào)整,能夠同時減小調(diào)節(jié)時間與超調(diào)量間,提高了系統(tǒng)的動態(tài)性能。參考文獻(xiàn):【1】李林,等.基于模糊PID算法的遠(yuǎn)程液位控制系統(tǒng)J.機電工程,2007(8):47-49.【2】李兵,等.模糊PID液位控制系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)J.合肥工業(yè)大學(xué)學(xué)報,2006,29(11):1370-1372.【3】陳夕松,等.過程控制系統(tǒng)M.北京:科學(xué)出版社,2005.【4】王再英,等.過程控制系統(tǒng)及儀表M.北京:機械工業(yè)出版社,2005.【5】馬秀坤,等.模糊控制在多變量液位控制系統(tǒng)中的應(yīng)用研究J.電氣應(yīng)用,2005,24(8):56-58.【6】劉金琨.先進PID控制及其MATLAB仿真M.