液位模糊控制系统设计的应用.doc

液位模糊控制系统设计的应用Application of De ign of Fuzzy Level Control Sy tem丁肇红（上海应用技术学院机电分院，上海200233）摘要采用S7 - 300 可编程序控制器设计了一个模糊控制器，将控制器的模糊输出反模糊化后作为实际输出控制调节阀的开度，使中位水箱的液位达到给定值，直接利用控制经验知识使得控制品质达到良好要求。关键词模糊反模糊化模糊控制器模糊输入模糊输出Abstract A fuzzy controller is designed by adopting S7 - 300 programmable controller. The fuzzy output of the controller is defuzzied as practical output to controlvalve opening and make the water level in tank to meet the set point. By using control experience and knowledge directly，excellent requirement of controlquality is reached.Keywords Fuzzification Defuzzification Fuzzy controller Fuzzy input Fuzzy output0 引言传统的自动控制有一个共同的特点，即控制器的综合设计都要建立在被控对象准确的数学模型基础上1。但是在实际工业生产中，系统的影响因素往往很多，十分复杂，而且大多数实际系统都是非线性的，建立精确的数学模型特别困难。基于这种情况，模糊控制就显得意义重大。因为模糊控制不用建立数学模型，根据实际系统的输入输出结果数据，参考现场操作人员的运行经验就可对系统进行实时控制。因此利用模糊控制思想来设计液位控制系统将更直接，更有效，是非线性控制的一种更有力的控制手段。模糊控制技术日趋成熟和完善2 3，各种模糊控制产品也充满了日本、西欧和美国等市场4。本文设计的自调整模糊控制器已成功应用于实际的液位控制系统且在运行半年时间中取得了良好的控制效果。1 液位模糊控制系统结构我们的过程控制实验装置是基于工业过程物理模拟对象，集自动化仪表技术、计算机技术、通信技术、自动控制技术为一体的多功能实验装置，包括流量、温度、液位、压力等热工参数。过程控制系统的被控对象包括上位水箱、中位水箱、下位水箱，控制装置有传感器、调节阀、交流变频器、流量传感器、调节器等。本文所论述的液位模糊控制系统构造如下：被控双容对象为上位水箱和中位水箱；采用液位传感器扩散硅压力变送器感测上位水箱和中位水箱液位，仪表变送器通电预热后分别在零压力和满量程压力下检查输出电流值。在零压力下调整零点电位器，使输出电流为4mA，在满量程压力下调整量程电位器，使输出电流为20mA。传感器精度为0.5 级。因为二线制，故工作时需提供24V 直流电源；采用电/ 气动调节阀作为执行机构，其输入信号气动为（0.02 0.1）MPa，电动为0 10、4 20mA（带电/ 气阀门定位器）；控制器的硬件选用S7 - 300 可编程控制器。该液位模糊控制系统框图如图1 所示。图1 液位模糊控制系统框图2 模糊控制器设计2.1 输入设计定义中位水箱的液位测量值与液位给定值偏差E作为模糊输入，并将E 模糊化。根据实际的液位情况定义偏差的最小值为- 1000mm，最大值为1000mm（即最大正负偏差为1000mm）根据隶属函数遵循的基本原则5设置重叠范围为120mm，附近模糊隶属度函数的范围为360mm，则根据公式重叠率= 重叠范围 附近模糊隶属度函数为范围得出重叠率为0.33，这样的控制效果好且曲线平滑。据此设计了7 个模糊子集及隶属函数负偏差非常大（Nvig），隶属函数为梯形（ -1000，- 1000，- 360，- 240）；负偏差较大（Nmid），隶属函数为三角形（ - 360，- 240，- 120）；负偏差较小39液位模糊控制系统设计的应用丁肇红（Nsmall），隶属函数为三角形（ - 240，- 120，0）；偏差为零（Zero），隶属函数为三角形（ - 120，0，120）；正偏差较小（Psmall），隶属函数为三角形（0，120，240）；正偏差较大（Pmid），隶属函数为三角形（120，240，360）；正偏差非常大（Pbig），隶属函数为梯形（240，360，1000，1000）。模糊变量E 的隶属函数如图2 所示。图2 模糊变量E 的隶属函数2.2 输出设计模糊控制器的输出是给阀门的开度u，阀门开度的变化间接控制中位水箱的液位高度。根据实际现场调试中的情况可知，如果设置过多的模糊输出子集，将使曲线的上升/ 下降过程过于平缓，达到液位给定值的响应时间过长。考虑到液位控制的特性，经过反复试验设计了Open = 0%、Equal = 72%和Cpose = 100%这3个模糊子集，对应有3 个隶属度函数，这样运行后的曲线跟踪性能更好，能更快速达到液位给定值。由于调节阀采用的是气闭阀，所以最小值为0%（全开），最大值为100%（全关）。即： u 是Open 时对应0%，输出4mA，对应调节阀的工作气压为0.02MPa； u 是Equal 时对应72%，输出15.52mA，对应调节阀的工作气压为0.0776MPa； u 是Close 时对应100%，输出20mA，对应调节阀的工作气压为0.1MPa。模糊变量u 的隶属函数如图3 所示。图3 模糊变量u 的隶属函数2.3 模糊控制规则确定当偏差为正的时候，即测量值大于给定值时，要求阀门开度变小，使中位水箱的进水量小于出水量，液位降低；当偏差为负的时候，即测量值小于给定值时，要求阀门开度变大，使中位水箱的进水量大于出水量，液位下升。根据经验和试验对象的控制过程知识，经过反复研究与实验建立了模糊控制规则如下：若E 为负偏差非常大（Nbig），则u 为Open +1| E| ；若E 为负偏差较大（Nmid），则u 为Open +1| E| ；若E 为负偏差较小（Nsmall），则u 为Open +|E| ；若E 为偏差为零（Zero），则u 为Equal；若E为正偏差较小（Psmall），则u 为Close -| E| ；若E 为正偏差较大（Pmid），则u 为Close -2| E| ；若E 为正偏差非常大（Pbig），则u 为Close -2| E| 。因子取0.1 0.2 之间和1、2因子取0.2 0.5之间都能使液位达到良好的控制效果，从而实现了对模糊控制规则的自调整。3 模糊控制器软件实现首先进行硬件组态，然后采用PLC 编制软件程序。整个程序写在OB1 中，OB35 模块用于每隔100ms调用一次模糊控制功能程序模块。FC1 为模糊控制功能程序模块，其中包括了FC30、FB30、FC31 这3 个程序模块。由FC30 模块对送来的偏差模糊化，送FB30 后根据模糊控制规则由偏差的大小算出相应的输出信号的大小，再送FC31 进行反模糊化得到精确量，送模拟输出来控制电气阀门的开度。将编制软件程序下载到PLC 中运行，设置好组态王各参数以后运行组态王，液位会显示在画面中，从而可以实现集中控制。如图4 所示，可以观察到4 次液位测量值PV 跟踪液位给定值SP 变化的运行曲线。图4 组态王运行系统曲线图从图4 所示的运行曲线可以看出：四次液位测量值PV 都能很好跟踪液位给定值SP 的变化，第四次PV稳态值（54.95cm）与给定值SP（55cm）的误差绝对值为0.05cm，所以偏差很小，又无超调量且响应速度也较快，因而达到了良好的控制效果。由此能够说明系统有较强的稳定性。实际的液位输出能完全跟踪给定的液位高度，从而证实了所设计的液位自调整模糊控制器取到了良好的控制效果。4 结束语本文突破了常规PID 的控制理念，无须建立被控对象数学模型，直接通过SimaticS7 对液位偏差进行模糊化处理，利用控制经验知识建立液位模糊控制规则，再通过反模糊化输出改变调节阀的开度来改变中位水箱的液位，以达到用模糊控制方法来控制中位水箱液（下转第43 页）40自动化仪表第26 卷第12 期2005 年12 月PROCESS AUTOMATION INSTRUMENTATION Vol.26 No.12 December 2005在周期中断子程序中将计算所得的值送到比较寄存器，并置相应标志位。主程序则根据标志位来判断是否已完成一个周期的操作：标志位置1，则清标志位，调计算占空比子程序，然后进入等待状态；否则直接进入等待状态。在大量实验后，将其应用于一个20kW 的电主轴上，其效果与实验基本一致。4 结束语TMS320F240 的功能很强且运算速度很快，利用其事件管理器能产生SPWM 等各种脉宽调制信号，适用于三相交流电机的控制。而且控制电机的算法和控制磁悬浮系统的PID 控制算法可合用一个CPU，这样能充分发挥微机的性能，降低了磁悬浮电主轴的成本。参考文献1 G. 施韦策，H. 布鲁勒，A. 特拉克斯勒著. 主动磁轴承. 虞烈，袁崇军译. 新时代出版社，19972 陈伯时，陈敏逊. 交流调速系统. 机械工业出版社，19983 TMS320F/ C24x. DSP Controllers Reference Guide. CPU and Instruction Set.Literature Number：SPRU160C，June 19994 TMS320F/ C240.DSP Controllers Reference Guide. Peripheral Library andSpecific Devices. Literature Number：SPRU161C，June 19995 TMS320F/ C240. TMS320F240DSP Controllers. SPRSO42D， RevisedNovember 1998国家高技术研究发展计划（编号：2001AA423310）。修改稿收到日期：2004 - 08 - 23。第一作者张建生，男，1958 年生，1993 年毕业于江苏理工大学，获得硕士学位，现为上海大学在读博士研究生；主要研究方面是控制理论与控制工程。（上接第38 页）设计者必须从硬件和软件两方面着手。硬件抗干扰设计是整个系统抗干扰设计的主体，是软件抗干扰设计的基础。没有硬件电路的可靠工作，再好的抗干扰软件也是没有用武之地的。3.1 硬件抗干扰措施系统采用抗干扰电源。供电系统通常会带来过压、欠压、浪涌、下陷和降出、尖峰电压和射频干扰等，危害十分严重，所以电源的抗干扰能力必须要强；如果应用环境恶劣，必须考虑电磁屏蔽；如果过程通道传输的信号频率过高，要考虑传输线上分布电容、分布电感及漏电阻影响；印刷线路板是电源线、信号线及元器件的高度集合体，它们在电气上会相互影响，因此，在设计上必须考虑电源线如何布置、地线如何布置、信号线如何分类走线、元器件如何布置及去耦电容如何配置等问题。3.2 软件抗干扰措施软件抗干扰的方法较多，由于是数据交换而不是数据采集，所以一些常规的数据采集抗干扰方法还不是很适用，应将其改造后再使用。常用的方法是将传输、交换、读取或写入的数据重复一次（或几次），读取或交换的数据可将后一次的结果与前一次比较，相同则为真，不相同则再重复、再比较。也可根据需要对重要的数据进行重点处理。总之，数据交换的准确性关键在于硬件，如果硬件措施得当，软件措施可不采取，或关键数据进行处理。4 结束语单片机是作为专门的嵌入式应用而推出的，它开创了嵌入式系统应用的先河。在一个系统中应用多个单片机为整个系统设计、维护带来了极大的方便：首先简化了系统软硬件设计，使软硬件设计便于模块化，便于多人投入、参与，缩短了产品更新、改造、升级的周期；其次简化了维护过程，由于一个系统中使用多个单片机，构成了系统多点互相监测，使得故障区域的诊断更加迅速、准确。总之，将多单片机应用在一个系统中其优点是不言而喻的。参考文献1 胡汉才编著. 单片机原理及系统设计. 清华大学出版社，2002（1）2 窦振中编著. 单片机外围器件实用手册存储器分册. 北京航空航天大学出版社，1998（4）收稿日期：2005 - 04 - 18。作者张念鲁，男，1960 年生，1982 年毕业于沈阳工学院，获得学士学位，高级工程师，北京市高等学校电工学研究会理事；主要从事单片机教学及应用，发表论文10 余篇。（上接第40 页）位的目的。实际运行结果也证明了模糊控制的良好控制品质。参考文献1 丁肇红，袁震东. 时变系统的Laguerre 模型辨识及设计变量1，华东师大学报.2002（4）2 P. J.King，et. The Application of Fuzzy Control System to Industrial Processes.Automat. 1975，13（3）3 W. J. M. Kickert，et. A