基于模糊PID与组态技术的液位控制系统的研究

1、2009年9月第37卷第9期机床与液压MACHINETOOL&HYDRAULICSSep12009Vol137No19DOI:10.3969/j1issn11001-3881120091091050基于模糊PID与组态技术的液位控制系统的研究胡开明,李跃忠,钱敏(东华理工大学电子与机械工程学院,江西抚州344000)摘要:以模糊PID控制与工业组态技术为基础对单容水箱液位系统进行了研究,建立了液位系统的数学模型,创建了适合该系统的模糊PID控制规则,组建了系统的组态,并进行了仿真。较好地解决了液位系统由于存在滞后环节而无法达到控制要求的问题。关键词:模糊PID;组态技术;仿真;滞后中图

2、分类号:TP272文献标识码:A文章编号:1001-3881()9-150-3ResearchonFluidPositionControliQIANMinandMechanicalEngineering,EastChinaInstituteofTechnology,FuzhouJiangxi344000,China)Abstract:Thesingle2capacitywatertanksystembasingonthefuzzyPIDcontrolandtheindustryconfigurationtechnologywasstudied.Thesystemsmathematicalmod

3、elwasestablished,thesuitablefuzzyPIDcontrolrulewasfound,thesystemsconfigurationwassetup,andthesimulationwascarriedout.Thisdesigncanwellsolvetheproblemthatthefluidpositionsystemcannotmeettheneedbecauseofthedelaycomponent.Keywords:FuzzyPID;Configurationtechnology;Simulation;Delay0引言工业液体的液位控制系统是工业生产中比较

4、典型1的控制应用之一,许多控制系统的模型与此类似。以往在该领域比较成熟的控制算法是PID算法。由于过程控制系统执行机构的复杂性、变量间的关联性和非线性等原因,找到一组适合整个系统大范围控制的合适的PID参数相当困难,这对要求控制范围宽、响应快且连续可调系统就显得力不从心了。另外液位控制对象一般具有纯滞后、大惯性,因此液位变化缓2慢,系统一般呈非线性。用常规PID控制器来控制时,其效果不理想,系统响应的调节时间较长。模糊控制与PID控制相结合则显示了巨大的优越性。模糊PID控制器既具有模糊控制灵活且适应性强的优点,又具有常规PID控制精度高的特点,在工业控制中得到广泛应用。1水箱液位系统建模图1

5、为过程控制实验室的液位过程控制系统的原理图。A为液罐的截面面积,h为液位高度,h0为实际液位高度,Qo为系统输出流量,Qi为系统输入流量。利用水泵将储水槽中的水输出,通过电动调节阀调节进水流量,采用闭环串级控制上、下水箱的液位,使水箱液位保持恒定,液位变送器对上、下水箱液位进行实时测量。根据质量守恒定律:A图1水箱液位控制图=Qi(t)-Qo(t)dt(1)假定阀的开度为x(t)当阀全开时,单位时间流过阀的液量为V,则(2)Qi(t)=Vx(t)根据流体学有:Qo(t)=mH(t)(3)式(3)中m是罐装阀的结构决定的系数,对于固定阀m值不变,将式(2)、(3)代入式(1)中有A=Vx(t)-

6、mdt(t)(4)收稿日期:2008-09-03基金项目:东华理工大学校长基金资助项目(DHXK0839)作者简介:胡开明(1977),安徽安庆人,教师,研究生。主要从事控制理论、检测与控制装置领域的教学与研究工作。电话E-mail:hukm11051631com。第9期胡开明等:基于模糊PID与组态技术的液位控制系统的研究6151用泰勒公式线性式(3)化为A+H(t)=x(t)dtA2Ao3经过拉氏变换得到系统的传递函数Gp(s)=s+为2Ao在工程应用中为Gp(s)=2Ao=1,因此系统的控制模型212模糊控制器的设计设理想的液位为h0,实际测得的水位高度为h,选

7、择液位差为e=h=h0-h。将偏差e作为观测值,将偏差和偏差变化率分别记为E与Ec,其论域均取为-3-2-10123,KP、KI、KD模糊论域取-2-1012,E与Ec的模糊子集记为NBNMNSZOPSPMPB,分别表示负大、负中、负小、零、正小、正中、正大。隶属度函数形状均选三角形,如图3所示。s+m/A,后时间t=l/v,G0(s)=s+m/Ats图3E、Ec与KP、KI、KD模糊子集PID参数模糊自整定是找出PID3个参数与E和Ec模糊关系。在运行中不断检测E和Ec,根据模糊这样就将该系统的过程数学模型的结构确定了,是含纯滞后的一阶惯性环节,也是控制系统中比较典4型的结构。2模糊PID液

8、位控制器原理及设计211模糊PID控制器原理PID控制算法是应用最广泛的一种控制规律之一,在常规控制PID控制系统中,PID控制作用的一般形式为U(k)=KPe(k)+KIe(j)+KDe(k)j=0k式中:KP、KI、KD分别为比例、积分、微分系数;e(k)为第k次采样时的偏差值;e(k)为采样开始到第k次采样时刻之间偏差的累积;e(k)为第k次采样时刻输入的偏差与第k-1次采样时刻输入的偏差之差;u(k)为第k次采样时的控制器输出值;T为采样周期。模糊PID控制器以偏差和偏差变化率作为输入量,KP、KI、KD为输出量,在线调整PID参数5。图2所示为模糊PID液位控制原理图。控制原理来对3

9、个参数进行在线修改,以满足不同的E和Ec时对控制参数的要求,使系统具有较好的静动态性能的要求。针对不同的e和e,总结出了一7套KP、KI与KD整定方法。(1)当|e|较大时,为加快响应速度应取较大的KP,同时为了避免e的瞬间变化可能出现的微分饱和超出控制范围应取较小KP。为避免出现较大的超调,对积分作用加以限制,取KI=0。(2)当|e|和|e|中等时,为使系统具有较小的超调,KP应取得小些。此时KD的取值对系统的影响较大,应取适中一些,KI的取值要适当。(3)当|e|较小时,为使系统具有较好的稳定性能,应取较大的KP和KI,KD的取值要恰当,以避免在平衡点附近出现振荡。同时为避免系统在设定值

10、附件振荡,|e|较大时KP可取小一些。根据3个参数之间的相互作用关系及控制规律,建立了合适的模糊控制规律表。如表1、2、3所示。表1KP模糊控制规则表eNBNMecNBNBNSNSZONSNSNBNMNSNSNSZONSNSNSNSNSZOZOZOZONSNSZONSNSZOZOZONSNSPSZOZOPSPBPSZOZOPMZOZOPSPBPSPSZOPBZOPSPSPBPSPSZO图2模糊PID控制原理图NSZO图中:KP=KP+KP,KI=KI+KI,KD=KD+KD式中:KP、KI、KD为设定值,KP、KI、KD为模糊控制器输出。PSPMPB152表2KI模糊控制规则表eNBNMNSZ

11、OPSPMPBecNBPBPSPSNSNBNSZONMPBPSPSNSNSZOPSNSPBPSPSNSZOPSPSZOPSPSPSZOPSPSPSPSPSPSZOPSPSPSPBPMPSZONSPSPSPSPB机床与液压第37卷PBZONSNBNSPSPSPB能,能够实现人机交换控制界面和网络控制功能。该软件在系统中主要实现了创建组态窗口实时数据曲线设备窗口组态及控制策略、完成人机交换界面的设置,液位系统的主控界面、实时曲线及动画效果等功能。4系统仿真8-015e,分别在单位阶跃输入下s+115仿真出系统的输出曲线,图5(a)为模糊PID控制输取G0(s)=表3KD模糊控制规则表eNBNMNS

12、ZOPSPMPBecNBNSNSZOZOZOPBPBNMNSNSNSNSZOPSPSNSNSZOPSPSZONBNSZOPSPSPSNBSNSNSZOPSPSPMSNSNSZOPSPSPBSZOZOZOPBPB出图形,ts3s。图5(b)ID,系统由,ts4s,且稳定PID的动态。模糊推理采用ifthen合成规则,ifeisNBandecisNBthenKPisNBKIisPBKDisNSifeisPBandecisPBthenKPisZOKIisZOKDisPB,共49条规则。清晰化采用加权平均值法,各e与e变化对应的KP、KI、KD输出如图4所示。根据偏差与偏差变化率得出相应的KP、KI、

13、KD,再乘以相应得量化因子,从而得出PID实时参数KP、KI、KD。图5系统仿真图形5结论在液位控制系统中,由于存在着迟滞性,普通PID控制器参数难以较好地解决响应速度与超调量间的关系。作者采用模糊PID对其性能进行优化,实现了PID参数在线调整,能够同时减小调节时间与超调量间,提高了系统的动态性能。参考文献:【1】李林,等.基于模糊PID算法的远程液位控制系统J.机电工程,2007(8):47-49.【2】李兵,等.模糊PID液位控制系统的设计与实现J.合肥工业大学学报,2006,29(11):1370-1372.【3】陈夕松,等.过程控制系统M.北京:科学出版社,2005.【4】王再英,等.过程控制系统及仪表M.北京:机械工业出版社,2005.【5】马秀坤,等.模糊控制在多变量液位控制系统中的应用研究J.电气应用,2005,24(8):56-58.【6】刘金琨.先进PID控制及其MATLAB仿真M.