基于模糊PID控制的乳化液液位控制系统的设计

1、第4期2009年4月工矿自动化IndustryandMineAutomationNo.4Apr.2009文章编号:1671-251X(2009)04-0017-03基于模糊PID控制的乳化液液位控制系统的设计刘实现,朱华,王勇,朱丰沛(中国矿业大学机电学院,江苏徐州221116)摘要:针对综采工作面乳化液液位变化具有非线性及时滞性、其数学模型难以建立等问题,文章介绍了一种基于模糊PID控制的乳化液液位控制系统的设计。该系统将模糊控制与传统的PID控制相结合,在实测液位和设定液位相差较大时采用模糊控制,在实测液位和设定液位相差较小时采用PID控制,控制方式灵活,且鲁棒性好、抗干扰能力强。Matl

2、ab/Simulink仿真结果表明,、精度高,符合综采工作面乳化液液位的控制要求。关键词:综采工作面;乳化液;液位控制;模糊控制;中图分类号:TD355.4文献标识码:ADesignofControlBasedonFuzzy2PIDControl,Hua,WANGYong,ZHUFeng2pei(SchoolofandElectricalEngineeringofCUMT.,Xuzhou221116,China)Abstract:Aimingattheproblemsthatchangeofemulsionliquidleveloffullymechanizedcoalfacehadnonli

3、nearandtime2delay,itsmathematicalmodelwasdifficulttobeestablishedandsoon,thepaperintroduceddesignofacontrolsystemofemulsionliquidlevelbasedonfuzzy2PIDcontrol.ThesystemcombinesfuzzycontrolwithtraditionalPIDcontrol.Whendifferenceofpracticalmeasurementliquidlevelandsettingliquidlevelisbigger,thesystema

4、doptsfuzzycontrolandwhenthedifferenceissmaller,itadoptsPIDcontrol.Thecontrolwayisflexibleandhasgoodrobustperformanceandstronganti2interferenceability.TheresultofMatlab/Simulinksimulationshowedthesystemhasfastresponseandhighprecision,whichcanmeetcontrolrequirementsofemulsionliquidleveloffullymechaniz

5、edcoalface.Keywords:fullymechanizedcoalface,emulsionliquid,levelcontrol,fuzzycontrol,PIDcontrol0引言精确的数学模型等特点,已在铸轧机结晶器液位控制1、流量模糊估计2、跳汰机风阀控制3、水槽液位控制45等领域得到了广泛应用。因此,本文将模糊控制与传统的PID控制相结合,设计了一种基于模糊PID控制的乳化液液位控制系统,实测液位和设定液位误差较小时采用PID控制,实测液位和设定液位误差较大时采用模糊控制,从而提高了整个控制系统的响应速度和控制进度6,为解决综采工作面乳化液液位的自动控制提供了一种行之有效

6、的解决方案7。1系统组成综采工作面液压系统主要包括乳化液泵组、乳化液箱以及用液设备等。按规定比例配制好的乳化液贮存在乳化液箱中,经由高压管输送至液压支架等用液设备。为保证液压系统可靠地工作,必须对乳化液箱中的乳化液液位进行自动控制。而乳化液液位的变化具有非线性和时滞性,很难建立其精确的数学模型,用传统的控制方法难以达到预期的控制效果。模糊控制系统因具有鲁棒性好、抗干扰能力强、控制精度高、稳定性好以及不需建立被控对象收稿日期:2008-12-02作者简介:刘实现(1984-),男,中国矿业大学机电学院在读硕士研究生,研究方向为机械制造及其自动化。E2mail:lsx476600基于模糊PID控制

7、的乳化液液位控制系统主要由液位传感器、数据模糊化处理模块、数据模糊推理模块、数据逆模糊化处理模块、PID控制器以及电18磁阀等组成,如图1所示。工矿自动化2009年4月4,5,6,同时将其模糊论域划分为U=NB,NS,ZO,PS,PB,分别表示控制执行机构的动作为“发低液位报警,全开电磁阀”、“电磁阀开启度增加量大”“、液位正常,电磁阀开度不变”、“电磁阀开启度减小量小”“、发高液位报警,关闭电磁阀”。乳化液液位误差及电磁阀开启度的模糊集隶属图1基于模糊PID控制的乳化液液位控制系统组成框图度函数曲线分别如图2、图3所示。按规定比例配制好的乳化液经由电磁阀流入乳化液箱中,在乳化液箱中安装1个液

8、位传感器,将液位传感器检测到的液位信号与给定的液位信号进行比较,得到误差信号e=r-y,其中r为设定液位,y为实测液位。设eE为大小偏差的临界值,当|e|<eE时,系统采用PID控制;当|e|>eE时,系统采用模糊控制。2PID控制器设计PIDu=KPItdtTd(1)式中:u为PID控制器的输出信号;e为PID控制器的输入误差信号;KP为比例系数;TI为积分时间常数;TD为微分时间常数。PID控制器采用一般的增量或数字算法,其参图3电磁阀开启度的模糊集隶属度函数曲线数按常规整定。3模糊控制器设计3.1模糊控制器组成及变量设定为方便起见,将图2和图3所示的液位误差和电磁阀开启度的模

9、糊集隶属度函数以矢量的形式表示,如表1、表2所示。表1液位误差的模糊集隶属度函数表ENBNSZOPSPB-410000-30.50.5000-201000-100.50.5000001001000.50.5020001030000.50.5400001模糊控制器由数据模糊化处理模块、数据模糊推理模块以及数据逆模糊化处理模块3个部分组成。配制好的乳化液经由电磁阀进入乳化液箱,电磁阀开启度可调。将模糊控制器的输入取为液位误差和液位误差的变化率,输出取为电磁阀开启度,因此,模糊控制器选用双输入单输出的二维模糊控制器。取乳化液液位误差的语言变量为E,论域为X=-4,-3,-2,-1,0,1,2,3,4

10、,同时将其模糊表2电磁阀开启度的模糊集隶属度函数表U-6-5PB0PS0ZO0-4-3-20000000-1000010203456论域划分为E=NB,NS,ZO,PS,PB,分别表示当前液位为“高液位”“、液位偏高”“、正常”“、液位偏低”“、低液位”。取乳化液液位误差的变化率的语言变量为EC,论域为Y=-4,-3,-2,-1,0,1,2,3,4,同00000.330.67100.330.6710.670.33000000000000.330.6710.670.330000000NS00.330.6710.670.330NB10.670.330000时将其模糊论域划分为EC=N,Z,P,分别

11、表示当前液位变化为“液位下降”“、不变”“、液位上升”。取电磁阀开启度为控制量u,其语言变量为U,论域为Z=-6,-5,-4,-3,-2,-1,0,1,2,3,3.2液位模糊控制规则根据乳化液液位的控制策略以及液位误差、液位误差的变化率和电磁阀开启度的模糊集隶属度函数,笔者设计了模糊控制器的液位模糊控制规则,如2009年第4期刘实现等:基于模糊PID控制的乳化液液位控制系统的设计19表3所示。表3模糊控制器的液位模糊控制规则表ECENNBNSZOPSPBPBZONSNSNBZPBPSZONSNBPPBPSZOZONB图4基于模糊PID控制的乳化液液位控制系统响应曲线从表3可看出,液位模糊控制规

12、则共有15条,每条控制规则都可通过一个模糊关系R描述:R=(E(i)×EC(j)i,jT×U(i,j)(2)间内即达到1.4m,接近乳化液液位设定值1.5m,响应速度快;在液位误差较小即接近设定液位时,采用PID控制,控制精度高。5结语因此,共有R1、R2,R15这15条模糊关系,总的模糊关系为(R=R1R2R15因此,若已知液位误差EEC,U=)PID控制的优点,分别在不同,提高了整个系统的响应速度和控制精度,且鲁棒性好、抗干扰能力强。仿真结果表明,该系统控制灵活、响应快、精度高,符合综采工作面乳化液液位的控制要求,达到了预期的控制效果。参考文献:(4),如表4所示。表4

13、乳化液液位的模糊控制查询表ECE-451.50.5-351.51-2521.50-152.520.6053.531.50153.531.50253.531.50364.531.50464.531.50001曹光明,吴迪,张殿华.基于模糊控制决策的铸轧-4-3-2-101234机结晶器液位控制系统设计J.东北大学学报:自然科学版,2006,27(7):775778.2JEFFRIESM,LAIE,HULLJB.EstimationforUltrasound2basedFuzzyFlowLevelLiquid-1.5-0.6-3-3-3-2-2-3MeasurmentJ.EngineeringAp

14、plicationsofArtificialIntelligence,2002(15):3140.3于春风,张天开.用PLC实现风阀模糊控制的研究J.工矿自动化,2008(3):5456.4袁丽英,牟晓光.自适应液位模糊控制系统设计J.-1.5-1-1.5-1.5-1.5-1.5-1.5-1-3-3-3-2-1.5-1-4.5-4.5-3.5-3.5-3.5-2.5-2-6-5-5-5-5-5-5-1.5-1.5-5-5哈尔滨商业大学学报:自然科学版,2005,21(3):302307.5龚瑞昆,李奇平.实验室水槽装置液位模糊控制系统的在实时控制时,先通过离线计算得出模糊控制查询表,并将其存储于计算机中;根据液位传感器实时检测到的液位值,计算出液位误差E和液位误差的变化率EC,然后通过查询模糊控制查询表得到电磁阀的开启度U,从而控制电磁阀的开启度。4系统仿真设计J.河北理工大学学报,2001,23(3):2530.6李牡丹,李丽宏,雷张伟.基于模糊PID控制的配料秤系统的实现J.中国测试技术,2008,34(2):116119.7郭卫,孙战彬,樊小晶.乳化液泵的液位、温度