基于ＶＢ的復合液位控制系統設計

摘 要：液位是工業生產中的重要參數之一，對液位的測量和控制效果直接影響到產品的質量。著重介紹一種基于VB語言的復合液位控制實驗系統，本系統采用PID控制、模糊控制和前饋控制來解決液位控制中存在的非線性、時變、大滯后的缺點，使系統達到穩定、魯棒性強、超調小、抗干擾、快速響應、精確、運行可靠、節能的理想控制效果。

關鍵詞：液位控制；模糊控制；PID 控制；前饋控制

中圖分類號：TP273+.4文獻標識碼：B

文章編號：1004-373X(2008)24-189-03

Design of Compound Liquid Level Control System Based on VB

WANG Peng，WU Wei，JING Wei

(School of Electronic Information Engineering，Xi′an Technology University，Xi′an，710032，China)

Abstract：Liquid level is one of the important parameters in industrial production.For the liquid level measurement and control，the quality of the products is directly affected.This paper introduces a compound liquid level control experimental system based on the VB language.The system uses PID control，fuzzy control and feed forward control to solve the shortcomings of the nonlinear，time-varying and large delay in the liquid level control to achieve stable，robust，small overshoot，anti-jamming，rapid response，accurate，reliable operation，energy-saving ideal control.

Keywords：liquid level control；fuzzy control；PID control；feedforward control

液位是工業中四大熱工參數之一，涉及石油、石油化工、化工、輕工、制藥、電力、冶金、爐窯、樓宇、智能大廈等各個領域。液位控制是工業生產當中研究的重要課題之一。針對液位控制過程中存在非線性、時變、大滯后的特點，對一個確定的復雜的液位控制系統而言，其數學模型是很難精確建立的，為彌補傳統液位控制方法的不足之處，在傳統PID反饋控制的基礎上，根據液位裝置操作的特點，引入前饋控制和模糊控制方法。反饋控制是按被控參數與給定值的偏差進行控制的，其特點是在被控參數出現偏差后，調節器發出控制命令以補償擾動對被控參數的影響，最后消除(或基本消除)偏差。若擾動已經發生，而被控參數尚未變化，則調節器將不產生校正作用。所以，反饋控制總是滯后于擾動，會造成調節過程的動態偏差。前饋控制是當擾動一出現，調節器即根據擾動的性質和大小進行控制，以補償擾動的影響，使被控參數不變或基本保持不變。相對于反饋控制來說，前饋控制是及時的，理論上可達到完全補償。因此，對于時間常數或時延大、擾動大而頻繁的過程有顯著效果。模糊控制是以模糊集合理論為基礎的一種新興的控制手段，是一種不精確的控制方法，但應用一般的控制理論很難實現控制目的，而由人來控制卻往往容易做到。模糊控制相對于PID控制來說，更智能一些，它會根據使用環境的變化，自已修正參數使輸出值無限接近設定值。

本系統采用多種方法集成的控制策略，以期達到系統穩定、魯棒性強、超調小、抗干擾、快速響應、精確、運行可靠、節能的理想控制效果。

1 液位控制系統組成及原理

本液位控制系統是基于過程控制平臺實現的，是一個DDC控制系統。系統由水箱、液位傳感器、電動調節閥、單相格蘭富水泵、電磁流量計、A/D和D/A轉換模塊、工業控制計算機、打印機、彩色顯示器等組成?？刂葡到y結構框圖見圖1。液位傳感器采用擴散硅壓力液位變送器，當液體（水）的壓力作用于傳感器時，傳感器將壓力信號轉換成電信號，經信號處理電路后轉換成與液體的液位壓力稱對應關系的4～20 mA標準電流輸出信號。通過負載電阻250/50 Ω轉換成電壓信號送A/D轉換模塊。

電磁流量計（簡稱EMF）是利用法拉第電磁感應定律制成的一種測量導電液體體積流量的儀表。本系統使用的電磁流量計輸出信號為4～20 mA，測量范圍為0～1.0 m3/h。

A/D轉換模塊選用LM-7017八通道電壓電流模擬量遠程輸入模塊，共有8 路差分輸入，16 位分辨率，高達115.2 kb/s的通訊速率。LM-7017采用RS 485將分散的現場數據點的模擬量經A/D轉換傳輸到主控計算機。

圖1 系統結構框圖

D/A轉換模塊選用LM-7024四通道電壓電流模擬量遠程輸出模塊，4路輸出，12位DA分辨率，具有高達115.2 kb/s的通訊速率。LM-7024采用RS 485將主控計算機的數字量經D/A轉換后傳輸到分散在現場的控制設備。

該系統把水箱作為被控對象，水箱水位為被控量，利用液位傳感器和電磁流量計采集液位信號及流量信號經A/D轉換后送入計算機進行相應的控制運算，之后把運算結果送出，經D/A轉換輸出來控制電動調節閥的開度大小，從而間接實現了液位的控制。本系統用面向對象的VB語言實現普通PID控制、前饋控制和模糊控制算法（復合控制框圖如圖2所示），通過界面顯示數據圖形，并結合Access數據庫實現系統數據的存儲、查詢等功能。液位控制系統的結構如圖2所示。

圖2 復合控制框圖

2 模糊PID控制器設計

模糊控制器是整個系統設計的重點，設計過程詳述如圖3所示。

(1) 結構設計。

如圖3所示，本系統模糊控制器采用雙輸入、單輸出的結構，一個輸入量選用實際水位L偏離給定水位L0的大小即誤差e=L-L0，同時為了提高系統控制的穩定性，并減小超調量及振蕩現象，同時把誤差的變化ec作為另一個輸入量。因此，模糊控制器選用水位的誤差e=L-L0及其誤差變化ec作為輸入語言變量，把電動調節閥的控制量u作為輸出語言變量。

圖3 模糊控制器框圖

(2) 模糊化設計。

根據以往水位控制實驗的觀察結果，考慮到穩定性和響應性，水箱水位的誤差e基本論域定為［-0.06，+0.06］，超過這個范圍的都把它當作邊界值來處理。同樣得轉速誤差變化ec的基本論域定為［-0.03，+0.03］，電動調節閥的控制量u基本論域定為［-10，+10］。描述輸入量e，ec 和輸出控制量u的語言值模糊子集均選為{負大（NB），負中（NM），負小（NS），零（ZO），正?。≒S），正中（PM），正大（PB）}，量化論域均取為{-3，-2，-1，0，1，2，3}，量化因子分別為K1=3/0.06=50，K2 =3/0.03= 100，K3 =3/10=0.3。

(3) 模糊控制規則設計。

模糊控制規則的設計原則是，當誤差較大時，控制量應當盡可能快地減小誤差；當誤差較小時，除消除誤差外，應盡量使系統趨于穩定，避免不必要的超調和震蕩。表1為總結出各種情況時的模糊控制規則狀態表。

根據誤差和誤差變化的模糊集EN，ECN，控制量的模糊輸出UN可由UN=ENECN ·R（其中R為模糊關系）獲得。

（4） 精確化設計。

由模糊數學理論，首先將R矩陣算出，然后算出各種輸入狀態下的模糊控制輸出，最后用最大隸屬度法，將模糊控制輸出轉化為精確的實際輸出（電動調節閥的控制電流4～20 mA）。經過計算的模糊控制查詢表如表2所示。在實際的實時控制中，先將模糊控制查詢表存入計算機的Access數據庫中，測得EN和ECN，通過查詢Access數據庫中的控制表，即可得到相應的控制量UN去控制電動調節閥的開度，從而達到控制水位的目的。

3 系統軟件設計簡要介紹

系統軟件利用VB軟件和Access數據庫來實現。

Visual Basic（VB）是一種由微軟公司開發的包含協助開發環境的事件驅動編程語言，一種基于Basic語言的可視化程序設計環境。VB擁有圖形用戶界面（GUI）和快速應用程序開發（RAD）系統，可以輕易的使用DAO，RDO，ADO連接數據庫，能夠輕松地創建ActiveX控件。程序員可以輕松地使用VB提供的組件快速建立一個應用程序。VB引入了一種被稱為面向對象程序設計（Object Oriented Programming，OPP）的方法，這種方法使計算機程序設計更貼近人類思維活動的習慣，體現了程序設計技術的發展趨勢。

Access 是微軟公司推出的基于Windows的桌面關系數據庫管理系統（RDBMS），是Office系列應用軟件之一。它提供了表、查詢、窗體、報表、頁、宏、模塊7種用來建立數據庫系統的對象；提供了多種向導、生成器、模板，把數據存儲、數據查詢、界面設計、報表生成等操作規范化；為建立功能完善的數據庫管理系統提供了方便，也使得普通用戶不必編寫代碼，就可以完成大部分數據管理的任務。

VB軟件通過計算機接口讀取傳感器的精確值和輸出控制量控制電動調節閥，模糊控制器也由VB實現，模糊化、模糊推理、反模糊化的過程是通過查表的方式來實現的，模糊控制查詢表存儲在Access數據中，這可以節省大量運算資源，因此，在以數據庫中可置入多個模糊查詢表，在運行工況有所改變時，采用不同的數據表格，這樣可以更靈活、更有效地控制電動調節閥的運行。

4 結 語

在模糊控制中，一般采用誤差和誤差變化作為輸入變量，與傳統的PID控制相比，相當于少了積分環節，對消除誤差效果不好、穩態誤差大、精度不高、過渡時間長，但動態特性好、魯棒性好、抗干擾能力強。因此，為改善模糊控制器的穩態性能，在模糊控制器中引入PID控制策略，構成模糊PID復合控制，這種復合控制策略是在大偏差范圍內采用模糊控制，小偏差范圍內轉換成PID控制，二者的轉換由微機根據事先設定的偏差范圍自動實現。再在系統中引入前饋控制，進一步加強了系統抗干擾的能力，增強了系統的穩定性能。

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作者簡介 王 鵬 男，1979年出生，陜西長安人，講師，博士。主要研究方向為人工智能，嵌入式系統。

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