模糊PID在水位控制系统中的应用

模糊PID在水位控制系统中的应用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。引言水位控制系统在造纸行业得到广泛应用，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I和液罐Ⅱ里面均是水，由液罐I的水通过进水管的水泵将水输送到液罐Ⅱ。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，保持动态平衡犯。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。点击图片查看大图图1水位控制结构框图点击图片查看大图图2模糊控制系统原理框图2．2模糊-PID控制原理模糊一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。点击图片查看大图图3自整定PID参数的模糊控制系统框图图3自整定PID参数的模糊控制系统框图根据K．、K、K。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Kn，同时为了避免过大的超调量，应使K：=q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，K．的值应适中，不能取太大，K；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K；，而适当减小Kd，因为l(i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2．3．1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Kn、K{、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、图5所示。点击图片查看大图图4输入E点击图片查看大图图5输出AKp2．3．2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5；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，K。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，如表1所示。2．3．3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=R1VR2V...VRn，相应的比例变化的模糊集为△Kp、△Ki、△Kd。点击图片查看大图表1Kp．Ki．Kd的模糊规则表将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3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、图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，采用模糊一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。点击图片查看大图图6常规PID水位控制点击图片查看大图图7模糊-PID水位控制