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案例頻道1引言
液位是過程控制中的一個重要參數(shù)，它對生產(chǎn)的影響不容忽視。為了保證安全生產(chǎn)，以及產(chǎn)品的質(zhì)量和數(shù)量，對液位進(jìn)行及時有效的控制是非常必要的。水箱液位控制是液位控制中的一個主要問題，它在工業(yè)過程中普遍存在，具有代表性而非常典型、實用。三容水箱液位控制系統(tǒng)是一個過程計算機控制系統(tǒng)，包含循環(huán)泵、比例電磁閥、液位傳感器以及三容水柱、電磁閥控制器、I/O接口板等電氣元件。在液位控制中經(jīng)常會碰到大滯后、時變、非線性的復(fù)雜系統(tǒng)。對于這樣的復(fù)雜系統(tǒng)，常規(guī)PID控制由于采用固定的參數(shù)，難以保證系統(tǒng)適應(yīng)控制系統(tǒng)的參數(shù)變化和工作條件變化，液位始終有較大波動，得不到理想效果。模糊控制是建立在人工經(jīng)驗基礎(chǔ)之上，無需知道控制對象的精確數(shù)學(xué)模型，它采用語言變量來描述系統(tǒng)特征，并依據(jù)系統(tǒng)的動態(tài)信息和模糊控制規(guī)則進(jìn)行推理以獲得合適的控制量，具有對參數(shù)變化不敏感和魯棒性強等特點，但控制精度不太理想。如果將模糊控制和PID控制兩者結(jié)合起來，揚長避短，就能更好的適應(yīng)控制系統(tǒng)的參數(shù)變化和工作條件的變化。采用參數(shù)自整定模糊PID控制系統(tǒng)對環(huán)境的適應(yīng)能力強，在隨機的環(huán)境中可以在線調(diào)整PID控制的參數(shù)，在被控對象存在擾動情況下控制系統(tǒng)仍然保持良好的性能。
2 三容水箱液位的模糊控制器設(shè)計
本系統(tǒng)選用參數(shù)自整定模糊PID控制器，它的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)主要由參數(shù)可調(diào)PID和模糊控制系統(tǒng)兩部分構(gòu)成，其結(jié)構(gòu)如圖1所示：
圖 1三容水箱液位控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖
根據(jù)需要，模糊控制器采用二輸入三輸出的形式。該控制器是以e和△e作為輸入，以Kp、Ki、Kd作為輸出。采用模糊推理方法對PID參數(shù)Kp、Ki、Kd進(jìn)行在線整定，以滿足不同的誤差e和誤差變化量△e對控制器參數(shù)的不同要求，而使被控對象具有良好的動態(tài)、靜態(tài)性能。
2.1 PID控制器參數(shù)自整定原則
針對不同的e和△e,在[5]中總結(jié)出了一套Kp、Ki、Kd的整定原則：
(1)當(dāng)｜e｜較大時，應(yīng)取較大的Kp和較小的Kd，以使系統(tǒng)響應(yīng)加快，為避免出現(xiàn)較大的超調(diào)，對積分作用加以限制，取Ki =0；
(2)當(dāng)｜e｜中等時，為使系統(tǒng)具有較小的超調(diào)，Kp應(yīng)取得小些。此時，Kd的取值對系統(tǒng)的影響較大，應(yīng)取得小一些，Ki的取值要適當(dāng)。
(3)當(dāng)｜e｜較小時，為使系統(tǒng)具有較好的穩(wěn)定性能，應(yīng)取較大的Kp和Ki，Kd的取值要恰當(dāng),以避免在平衡點附近出現(xiàn)振蕩。
2.3 隸屬度函數(shù)和模糊規(guī)則表的確定
將e和△e量化分別用E和△E表示,在[-6，6]之間,當(dāng)e>60時,E=6;當(dāng)e<-60時, E=-6；當(dāng)e∈[-60,60]時,E=6e/60。當(dāng)△e>1時, △E=6； 當(dāng)△e<-1時, △E=-6;當(dāng)△e∈[-1,1]時, △E=6(△e)。對Kp、Ki、Kd的模糊化采用單線值法。具體的隸屬度函數(shù)如圖2和圖3所示:
圖2 e和△e的隸屬度函數(shù) 圖3 Kp、Ki、Kd的隸屬度函數(shù)
根據(jù)PID參數(shù)調(diào)整原則可以得到輸出變量KP、KI、KD的控制規(guī)則如下表所示：
北京市公安局海淀分局備案號：11010802023656號