水位、温度远程控制.doc

模糊PID在水位控制系统中的应用殷兴光1 王晓华2 (1.陕西国防工业职业技术学院电子工程系, 陕西 西安 710300;2. 西安工程大学电子信息学院, 陕西 西安710048 ） 摘 要：为了解决造纸行业对恒定水位的控制问题，设计并应用了水位恒定控制系统中的模糊PID控制器。详细论述了模糊PID算法的设计过程，通过实验验证了此方法的可行性。实现了水位控制系统的PID参数的在线调整,达到了对水位的有效控制的目的。 关键词： 恒定水位 模糊PID 水位控制中图分类号TP273 文献标识码AWater level temperature long-distance controlYIN Xingguang1 WANG Xiaohua2(1.Shanxi Vocational and Technical College of Defence Industry,Xian 710300;2. School of Electronics and Information of Xian Polytechnic University ,Xian, 710048)Abstract: In order to solve the problem on the strict control of the constant water level in Paper industry,This paper designs and applies a fuzzy PID controller of the constant water level control system, discusses in detail the design process of the fuzzy PID algorithm. Through the experiment this method feasibility has been confirmed .it achieves adjusting PID parameters of the water level control system online,and reaches the goal that the waterlevel can be effectively controlled.Key word： the constant water level fuzzy PID control the water level 0 引 言水位控制系统在造纸行业中得到了广泛的应用。如果液位控制不好，液位高了或低了，会影响纸张的质量。本文将模糊控制和PID 控制结合起来, 实现PID 参数的在线调整, 可以有效地解决系统的非线性和不确定性, 同时随时根据系统的输入与反馈的偏差及偏差率来调节水位, 实现水位的恒定。实验结果表明,这样既能防止超调又能提高响应速度,明显地改善了系统的动态和静态性能,在水的压力及负载变化的情况下也能保持水位的恒定。1 水位控制系统本系统的控制对象如图1所示：假若液罐和液罐里面均是水，由液罐的水通过进水管的水泵将水输送到液罐。水位的控制过程如下：水位变送器检测到的水位值通过PLC送到控制器中，该值与控制器的设定值进行比较，如果检测到的值小于设定值，那么控制器将输出调节信号，经过PLC、手操器，最终将信号送至出水管的电动调节阀上，此信号将阀关小。如果检测到的值大于设定值，那么阀将开大。如果检测值与设定值正好相等时，这时的出水量应与水泵的进水量相等，保持动态平衡。 图1水位控制结构框图2 水位的模糊PID控制2.1 模糊PID的构成常规的PID 控制虽有着原理简单、使用方便等优点但却不具备在线调整参数P、I、D 的功能, 使其不能满足系统在不同条件下对PID 参数自调整的要求, 模糊控制器是一种近年来发展起来的新型控制器，其优点是不要求掌握被控对象的精确数学模型，而根据人工规则组织决策表，且由该表决定控制量的大小。模糊控制器代替了传统的控制器，它是模糊控制系统的核心部分。由输入量模糊化、模糊控制规则、模糊决策等几部分组成，如图2所示。Y(t)r +e(k)对象执行机构输出通道模糊控制器输入通道传感器 知识库规则库数据库模糊量化（量化因子）模糊推理决策模糊控制规则比例因子（减模糊）判决模糊控制器（微机系统）图2 模糊控制系统原理框图2.2 模糊PID控制原理模糊PID 控制器是以误差e 和误差变化率ec 作为输入, 根据不同的偏差和偏差率对PID参数进行在线调整,以满足不同时刻对控制参数的不同要求, 而使被控对象有良好的动、静态性能，如图3所示。图3自整定PID参数的模糊控制系统框图根据Kp、Ki、Kd 对控制精度的影响, 可得出在不同的水位偏差e 和偏差变化率ec 时系统参数自整定的原则:当e 较大时, 为了加快系统的响应速度, 应取较大的Kp, 同时为了避免过大的超调量, 应使Ki=0; 当e 和ec 为中等大小时, 即处于过渡过程时, 为了减小系统的超调量, Kp 的值应适中, 不能取太大, Ki 的值应取小一点; 当e较小时, 为了使系统具有较好的稳态特性, 应增大Ki, 而适当减小Kd, 因为Ki 的作用是消除系统的稳态误差, 而Kd 的作用是在响应过程中抑制偏差向任何方向变化, 对偏差进行提前预报, 以避免出现振荡现象。2.3模糊PID 控制器设计（1）模糊推理机构的确定模糊控制器采用两输入三输出结构。以系统的水位给定值与实际测量偏差及其偏差变化率ec 作为输入语言变量, 把PID 的3 个参数Kp、Ki、Kd作为输出。取其偏差e 的语言值为 负大( NB) , 负中( NM) , 负小( NS) , 零( ZO) , 正小( PS) , 正中( PM) , 正大( PB) , 分别表示当前水位值y 相对于水位设定值yd 为“极小”、“很小”、“偏小”、“正好”、“偏大”、“很大”和“极大”。偏差变化率ec的语言值为 负大( NB) , 负中( NM) , 负小( NS) , 零( ZO) , 正小( PS) , 正中( PM) , 正大( PB) , 分别表示当前水位的变化为“快速减小”、“中速减小”“减小”、“不变”、“增大”、“中速增大”和”快速增大“。输出变量Kp、Ki、Kd 的语言值为: 负大( NB) , 负中( NM) , 负小( NS) , 零( Z0) , 正小( PS) , 正中( PM) , 正大( PB) ，以上变量的隶属度函数如图4、5所示。NB NM NS O PS PM PB -6 -5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 5 6 图4输入E、EC的隶属度函数NB NM NS O PS PM PB -6 -5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 5 6 图5输出Kp、Ki、Kd的隶属度函数（2）建立模糊控制表根据专家经验知道, 控制品质的好坏很大程度上在于Kp、Ki、Kd 的选取,比例环节作用是成比例的反映控制系统的偏差信号e，因此，当偏差e较大时，为提高响应速度，KP增大；在偏差较小时，防止超调过大产生振荡，KP减小；当偏差很小时，为使系统尽快稳定，则KP应继续减少同时考虑ec因素；当ec和e同号时，输出朝偏离稳定值方向变化，KP适当增大；反之，KP减小。积分环节主要用于消除静差，提高系统的无差度。当偏差e大或较大时，为避免系统超调，Ki取零值；当e较小时，积分环节有效，随e的减小而增大，以消除系统的稳定误差，提高控制精度。微分环节能反映偏差信号的变化趋势，并能在偏差信号值变得太大之前加入一个修正信号。当偏差e较大时，为避免偏差瞬间变化，造成微分溢出，Kd应取小些；在偏差较小时，综合考虑系统的抗振动能力和系统响应速度，应使Kd适当取值。根据以上的控制原则, 总结工程设计人员的技术知识和实际操作经验, 可以制定如下的控制规则表,见表1。（3）模糊推理运算根据各模糊子集的隶属度赋值表和各参数模糊控制模型, 根据Fuzzy推理合成规则运算，根据每一条推理规则，都可以求出相应的模糊关系，如R1、R2、Rn 。因此整个系统的总控制规则所对应的模糊关系R为R=R1R2Rn，相应的比例变化的模糊集为Kp、Ki、Kd。表1 Kp，Ki，Kd 的模糊规则表E ECNBNMNSOPSPMPBNBPB, O, PSP B, O, PSPS, NB,OPM, NM,OPS, NM,OPS, O,PBO, O,PBNMPB, O, NSPB, O ,NSPS, NM,NSPM, NM,NSPS, NS, OO, O,PSO, O,PMNSPM, O, NBPM, O,NBNS, NS,NMPS, NS,NSO,O,ONS, O,PSNM,O,PMOPM, O, NBPS, O,NMO, NS,NMO, NM,NSNS, PS,ONM, O,PSNM,O,PMPSPS, O, NBPS, O,NMO, O,NSNS, PS,NSNS, PS,ONM, O,PSNM, O,PSPMO, O, NMO, O,NSNS, PS,NSNM, PM,NSNM, PM,ONM, O,PSNB, O,PSPBO, O, PSNS, O,ONS, NS,ONM, PM,ONM, PM,ONB, O,PB NB, O,PBKp（EEC）RKp Ki（EEC）RKi Kd（EEC）RKd将Fuzzy集合变换到精确的输出量（去模糊化），我们可用模糊判决，对本控制器，采用重心法的离散表达式来求取输出量的清晰值。2.4 方案实施在上位机上编程实现模糊控制器，该程序从组态王软件中获得实时的偏差，并计算得到偏差的变化量，经过模糊化、模糊规则选择等处理，得到最后的修正参数，并将这三个修正参数送回到组态王软件中。组态王软件接受来自运行画面送过来的初始参数值，然后与修正参数叠加之后参与到PID运算过程中。3 结论图6为常规PID控制，图7为模糊PID控制。系统运行后设定水位为55厘米的高度,如图6、7上绿线（水平直线部分）所示，红线（波浪线）为测量值的大小。两个算法经过对比后发现PID模糊控制来对大时滞的水位控制回路实施控制，可以看到回路的稳定时间、超调等都有了明显改善。通过实际应用表明，采用模糊PID算法控制器不仅具有良好的动态及稳态特性，而且对系统时延和阶次具有鲁棒性，实现了对水位的在线恒定控制，其控制品质是优秀的。 图6常规PID水位控制 图7模糊-PID 水位控制参考文献1 俞光昀， PIC系列单片机应用技术M， 北京：电子工业出版社， 2000，10，122-168.2 黄继昌等， 传感器工作原理及应用实例， 北京： 人民邮电出版社，1998,5 155-1713 2003 亚控公司, 组态王6.5使用手册 ,北京：北京亚控科技发展有限公司 1999,4 286-4554 A.Halm;O.Ahava.Automatic tuning of PID and other simple regulators in a digital process