双容水箱液位模糊串级控制系统的设计

1、测试与控制·2012年9月文章编号：10026673（2012）0513603机电产品开发与创新Development Innovation of M achinery E lectrical P roductsVol25,No5Sep ,2012双容水箱液位模糊串级控制系统的设计李光宇，李守军，徐青青（宿迁学院机电工程系，江苏宿迁223800）摘要：模糊PID 控制结合了PID 控制算法和模糊控制方法的优点，可以在线实现PID 参数的调整，使控制系统的响应速度快，超调量减少，振荡次数少，具有较强的稳定性。论文先对双容水箱进行数学建模，将模糊控制和PID 控制相结合，设计出了双容水箱

2、液位模糊PID 串级控制系统。然后参照经验选取了合适的模糊控制规则和隶属度函数，设计了模糊控制器，建立了模糊控制表，供在线模糊控制查询使用。关键词：PID 控制；模糊控制；模糊 PID 串级控制中图分类号：TB47文献标识码：Adoi:10.3969/j.issn.1002-6673.2012.05.055Liquid Misty String Class Control System of Design for Double Water TankLI Guang-Yu ，LI Shou-Jun ，XU Qing-Qing(Mechanicaland Electrical Engineerin

3、g Dept., Suqian College ，Suqian Jiangsu 223800，China Abstract:The misty PID control combined PID to control calculate way and faintness to control the advantage of method, the speed that can be on-line to carry out the adjustment of PID parameter, make to control responding to of system was quick, s

4、uper adjust quantity de -crease, flap to concuss number of times little, have a stronger stability. This text permits water tank to carry on mathematics model to the double first and combines together misty control and PID control and designed the double permit a water tank liquid misty PID string c

5、lass control system. Then according to experience to select by examinations accommodation of misty control rule with belong to one degree function, designed misty controller, build up misty control form, provide the on-line misty control the search use. Key words:PID control ；fuzzy control ；fuzzy PI

6、D cascade control0引言双容水箱液位控制系统，由于阀门的非线性、传输管道的纯滞后，用常规的PID 控制不能取得满意的控制效果。为此将模糊控制引入到双容水箱液位控制系统中来，根据人工控制的经验总结模糊控制的规律，用模糊控制和PID 控制对双容水箱进行串级控制，可以取得满意的控制效果。控制器、电动调节阀、上水箱、下水箱和液位变送器等组成。电动调节阀用于调节上水箱的进水量大小，液位变送器用于检测上水箱和下水箱的液位。控制器的输出量用于控制调节阀的开度。1双容水箱液位系统的组成双容水箱串级液位控制系统结构如图1所示。它由收稿日期：20120618基金项目：宿迁市市级科技计划项目（Z20

7、1111）；水泵电动机变频调速节能系统中负载匹配及最优运行策略研究（Z201114）；宿迁市宿迁学院科研基金项目（2010KY44）作者简介：李光宇，男，江苏宿迁人，本科（学士），助理实验师。主要从事机电类实验教学。李守军，男，山东成武人，硕士研究生，讲师。主要从事工业自动化方向教学工作。其串级控制系统方框图如图2所示。串级控制系统是由两个或以上的控制器串联连接组成复杂控制系统。其中前面控制器的输出作为后面控制器的设定值，最后一个控制器的输出控制调节阀。在控制过程中，副回路起“粗调”作用，主回路起“细调”作用。串级控制系统增加了副回路，使系统的控制性能有了较大的提高，136·测试与控

8、制·一旦量化因子选择后，系统的任何误差都可以量化到E 的论域之中。从上面的量化因子定义可见，一旦给定论域E ，即选定了误差变量的基本论域-e+e的量化等级n 之后，量化因子Ke 的取值大小可使基本论域-e+e的大小发生不同程度的缩小或放大变化，即当Ke 大时，基本论域-e+e缩小，而当Ke 小时，基本论域放大，这时对应的误差控制灵敏度将降低。因为系统增加了包含二次扰动的副回路。主要表现在：改善了被控过程的动态特性；能及时克服进入副回路的各种二次扰动；提高了系统的抗干扰能力；提高了系统的鲁棒性；具有一定的自适应能力。同理，若选定的误差变化率的模糊子集的基本论域为：EC=-n,-n+10

9、n-1,n其对应的误差变化率的量化因子Kec 定义为：Kec=n/ec。其中的误差变化率的量化因子Kec 与误差的量化因子Ke 具有相同的特性。本文的误差变化率的量化分档数n=6。对于系统控制量的变化u ，其控制量的变化基本论域为-u+u，基于量化因子的概念，定义控制量的量化因子：Ku=u/n。式中n 为控制量基本论域-u+u的量化分档数。在本系统中量化分档数n=6。由上式可见，比例因子Ku 与量化等级数n 之积便是实际加到控制对象的控制量。如果比例因子Ku 取得过大，则会造成被控过程阻尼下降；相反，若取得过小，则将导致被控过程得响应特性迟缓。2液位模糊控制器的结构模糊控制器最基本的形式是一种

10、称为“查询表”的模糊控制器，这种控制器将模糊控制规则最终转化为一个查询表又称控制表，存储在计算机中供在线查询使用。这种设计思想是其他形式模糊控制器的基础。如图3，SP 是液位设定值，Hl 是液位测量值，e=SP-Hl 是液位变化，e 为液位变化率，u 为控制量，Ke 为偏差量化因子，Kec 为偏差变化率量化因子，Ku2.3输入输出论域与空间的模糊分割在大量的控制领域问题中，消除被控对象或被控过程的输出偏差问题，是相当普遍的一大类问题。仿照这类问题的经验，设计的模糊控制器的结构，一般选择的输入变量为误差E 和误差变化率EC ，输出变量为控制清晰化因子。该系统的设计和工作过程如下。量U ，因此，它

11、是一个二维的模糊控制器。对误差E 、误差变化率EC 和控制量U 的模糊集及其论域定义如下：2.1液位模糊控制器的设计本文是以模糊控制器作为主控制器的串级液位控制系统，现结合液位控制系统设计一个合理的二维模糊控制器。NL,NM,NS,ZO,PS,PM,PLE 的模糊集为：NL,NM,NS,ZO,PS,PM,PLE 和EC 的论域为：-6,-5,-4,-3,-2,-1,0,1,2,3,4,5,6U 的论域为：-6,-5,-4,-3,-2,-1,0,1,2,3,4,5,6量化在线整定时要求论域为离散，因此对论域采用均匀量化，量化后的E 、EC 、U 的隶属度函数表见表1。2.2量化因子的选择通过现场

12、观察，测取误差及其变化率的大致范围，分别记为-e,e、-ec,ec分别称为误差及误差变化输入变量的基本论域，其中e 和ec 表示误差及其变化率大小精确量；确定调节阀的动作范围，记为-U,U，称为输出变量的基本论域，其中的U 表示执行机构的动作范围大小的精确量。这些量可以先大致确定，根据实际可再作适当的调整。模糊控制器中的误差E 的模糊子集论域为：E=-n,2.4隶属度函数在设计一个语言变量的隶属函数时，必须考虑的因素：隶属函数的个数、形状、位置分布和相互重叠程度等。根据三角隶属函数确定误差E 、误差的变化EC 以及控制量U 的各模糊子集赋值表见表2。-n+10n-1,n。其中n 称为将在0-e

13、 范围内连续变化的误差离散化后分成的档数，它将构成论域E 的元素，本文取n 1=6。在实际的控制系统中，误差的变化一般不是论域E 中的元素，在这种情况下，需要通过量化因子进行论域的转换。其中的量化因子Ke 定义为：Ke=n/e。2.5建立控制规则基于IF-THEN （条件一结果）的产生式规则结构简单、易于修改、易于掌握， 是目前模糊规则主要表示方137·测试与控制·表1E 、EC 、U 隶属度函数量化等级变化区间量化等级变化区间表3U 的模糊控制规则U NBNM NS ZO PS PM PBNB PB PB PM PM PM ZO ZONM PB PB PM PM PS Z

14、O ZONS PB PB PS PS ZO NM NMEC ZO PB PB PS ZO NS NB NBPS PM PM ZO NS NS NB NBPM ZO ZO NS NM NM NB NBPB ZO ZO NM NM NM NB NB-6-5-4-3-2-10-2.5-2.0）-2.0-1.5）-1.5-1.25）-1.25-1.0）-1.0-0.75）-0.75-0.25）-0.250.25）1234560.250.75）0.751.0）1.01.25）1.251.5）1.51.75）1.752.0）ER 2=(NBE ×(NMEC T×(PBU R 3=(NB

15、E ×(NMEC T×(PBU这样可计算得到49个模糊关系R i （i=1、249），通过49个模糊关系的“并”运算，可以得到控制液位的总的模糊关系R ：R=R1R 2R 49其中的模糊关系R i （i=1、249）及R 可离线求得。本表2数值方法描述的隶属度隶属度文利用Matlab 软件，运用其中的一些函数如:newfis，模糊集合NB NM NS ZO PS PM PB-610000000000.510.500-50.750.50.2500001000.250.750.750.250隶属度模糊集合NB NM NS ZO PS PM PBe 、ec 、-40.510.50

16、000e 、ec 、20000.2510.50u 的论域-3-20.2500.750.50.75100.25000000u 的论域3450000000000000.750.50.250.7510.50.250.50.75addvar ，addmf ，addrule ，evalfis 等编写Matlab 程序。可-100.250.750.750.250060000001离线求得二维模糊控制查询表，如表4所示。表4模糊控制决策表-6-5-4-3-2-176777766666676767776666644454444454444451122200-112120-30000-3-3000-2-4-40

17、00-2-4-4000-2-4-4E 07676410-4-4-6-7-6-71444310-1-4-4-6-7-6-72444200-1-4-4-6-7-6-73222000-1-3-3-6-6-6-64000-1-1-3-4-4-4-6-7-6-75000-1-1-2-4-4-4-6-6-6-66000-1-1-1-4-4-4-6-7-6-7-6-5-4-3-2-1EC 0123456法，其中，“条件”为控制量的要求，“结果”为控制执行量。模糊控制规则应遵循原则：当误差大或较大时，模糊控制量的选择以消除误差为主；当误差较小，而误差变化率较大时，模糊控制量的选择以系统的稳定为主，防止系统超调。模糊控制的规则一般是从实际经验中提取出来的，带有很大的主观性，这里所选用的控制规则一方面根据专家和熟练操作人员的经验，另一方面根据对过程动态特性的分析来建立。具体模糊控制规则这里省略不做赘述，简单表示成表3的形式。3结论本文利用二维模糊控制器和常规PID 控制器对水箱的液位进行模糊控制，达到了减小超调量和稳态误差效果，而且此系统抗干扰能力也大大加强。参考文献：1胡寿松. 自动