單容水箱液位模糊控制系統的設計與研究

楊 杰，齊向東

（太原科技大學 電子信息工程學院，山西 太原 030024）

0 引言

液位是工業生產過程中的四大熱工參數之一，因此，液位控制已成為工業生產中研究的重要課題［1］。傳統的液位控制系統大多采用常規PID控制，由于常規PID控制器結構簡單，使用方便，被廣泛使用［2－6］，但常規PID在系統參數、工作環境發生改變時控制效果較差，且液位控制系統對穩定性和快速性要求較高，這樣不依賴數學模型的模糊控制給這類問題的解決帶來了新思路［7］。

本文基于VB開發環境設計了一個采用模糊控制方法的液位控制系統，主要包括硬件系統搭建和軟件開發設計。以THSA－I型過程控制綜合自動化控制系統實驗平臺為研究平臺，采用該平臺的計算機作為直接控制器，通過數據采集模塊實現計算機和傳感器或執行器之間的數據轉換，通過設計模糊控制器，在VB開發環境實現液位控制。實驗分別采用常規閉環PID控制和模糊控制對單容水箱液位進行控制，并對比控制效果，驗證了模糊控制在單容水箱液位控制上的優越性。

1 單容液位過程模糊控制器設計

1．1 確定模糊控制器的結構

根據單容液位過程控制的特點和控制要求，模糊控制器選用二維結構，如圖1所示。系統給定r，以液位的偏差e和液位偏差的變化ec為輸入變量，經過量化后得到E、EC，然后經過控制表得到控制量的數字量UC，經過去模糊化z－1得到輸出量u，控制液位過程。其中k1、k2、k3是對應變化中的比例系數。

圖1 離散控制器結構框圖

1．2 確定輸入輸出變量的基本論域

在單容液位控制系統中，液位的給定值為Sp，由液位傳感器測量并變化的水位值為PV，則可以得到水位偏差E和水位偏差的變化EC為：

將E（k）和EC（k）作為液位控制器的輸入量，輸出量u為執行器電動調節閥的開度。根據實驗情況，考慮到傳感器的偏差，確定輸入和輸出的論域，要求液位偏差E的范圍為［－15，＋15］，偏差變化EC的范圍為［－0．1，＋0．1］。液位控制量為輸出變量u（即電動閥的開度），它的范圍為0%～100%，相應的控制信號為4mA～20mA。

1．3 定義模糊子集及隸屬函數

在本設計中，輸入變量E的模糊子集為 ｛負大，負中，負小，零，正小，正中，正大｝、EC的模糊子集為｛負大，負中，負小，零，正小，正中，正大｝；輸出控制量u的模糊子集為｛負大，負中，負小，零，正小，正中，正大｝。

1．4 建立模糊控制規則表

當偏差為負大時，若偏差變化為負，這時偏差有減小的趨勢，為盡快地消除已有的負大偏差并抑制偏差變大，因此，控制量的變化取負大；當偏差為負中時，控制量的變化應該使偏差盡快消除，基于該原則，控制量的變化選取與偏差為負大時相同；若偏差變化為正時，系統本身有消除負小偏差的趨勢，選取控制量變化為正小即可。根據上述選取控制量變化的原則就可以確定單容液位模糊控制器的控制規則表，如表1所示。

表1 控制規則表（u）

2 液位控制系統的實現

2．1 硬件系統組成

本設計系統是在 “THSA－1型過程控制綜合自動化控制系統實驗平臺”上搭建起來的，由實驗控制對象、實驗控制臺及上位監控PC機3部分組成。“THSA－1型過程控制綜合自動化控制系統實驗平臺”是一套集自動化儀表技術、計算機技術、通訊技術、自動控制技術及現場總線技術為一體的多功能實驗設備。液位控制系統組成框圖如圖2所示。

圖2 液位控制系統組成框圖

通過標度轉化，將液位高度信號轉化為1V～5V的電壓信號，由ICP7017采集傳送給計算機，計算機調用相應的算法計算后，將控制信號再次經過標度轉化變換成4mA～20mA信號，由ICP7024傳送給電動調節閥，最終通過控制閥門的開度達到控制液位高度的目的。

2．2 軟件設計及實現

目前，液位過程控制主要采用PID控制，本文為驗證模糊控制器的優良性，在VB開發環境下，先設計閉環PID控制窗口，然后同模糊控制對比控制效果。閉環PID控制界面及控制效果如圖3所示。

模糊控制測試窗口包含以下功能：①可以設置采樣周期與液位設定值；②有啟動和停止功能；③能夠顯示水箱的液位實時曲線；④可以設置模糊控制器量化因子和比例因子。模糊控制測試窗口如圖4所示。

3 實驗數據分析

為了達到更好的控制效果，需要改變模糊控制器中的輸入量化因子和輸出比例因子。根據分析輸入輸出論域的變化及所設置的液位設定值將偏差量化因子Ke設為0．8。然后通過實驗比較和對水箱的實際觀察，決定偏差變化量化因子Kec的取值為60。

圖3 閉環PID測試窗口

圖4 模糊控制測試窗口

通過對比閉環PID控制和模糊控制兩組實驗的實驗結果，分析兩種控制的優劣。將兩組控制液位曲線在同一坐標下進行比較，如圖5所示。

圖5 PID與模糊控制比較圖

從圖5中可以看出，在相同的條件下，比例微分PD控制有較大超調，有震蕩，但反應速度較比例積分PI的速度要快；雖然比例積分PI反應速度較慢，但動態品質較好且能消除靜態偏差。模糊控制沒有超調，且上升速度和穩定速度都是最快的，但存在靜態偏差，由于傳感器有誤差，因此測量值有震蕩。總之，可以看出模糊控制方法對單容水箱液位的控制效果要比常規閉環PID控制的效果更好，提高了控制系統的快速性，保證了系統的穩定性，達到了較好的控制效果，符合單容水箱液位控制的要求。

4 結論

本文針對傳統工業單容水箱液位控制過程中存在的穩定性差、響應慢等問題，提出了一種模糊控制方法對液位進行控制，并設計了單容液位控制系統。在相同實驗條件下，采用傳統方法與本文提出的方法分別對單容液位進行控制，通過實驗驗證了本文采用的模糊控制與閉環PID控制的效果相比，穩定性更好、響應速度更快，對液位控制的控制性能明顯提高。

［1］ 欣斯基．過程控制系統［M］．蕭德云，呂伯明，譯．北京：清華大學出版社，2004．

［2］ 楊國安．數字控制系統：分析、設計與實現［M］．西安：西安交通大學出版社，2008．

［3］ 魏巍，陳虎，趙貴，等．水箱液位控制系統建模與其PID控制器設計［J］．中國科技信息，2008（10）：31－32．

［4］ 張玲霞，李學軍，李杰．基于組態王的液位控制系統仿真實驗［J］．長春大學學報，2010（4）：61－64．

［5］ 任俊杰，李紅星，李嬡．基于PLC和組態王的過程控制實驗系統［J］．實驗室研究與探索，2010（5）：16－18．

［6］ 匡芬芳．OPC技術在液位控制中的應用［J］．自動化儀表，2011（6）：46－49．

［7］ 宋春寧，李榮軍．三容液位實驗裝置模糊控制的實現［J］．自動化與儀表，2011（7）：28－31．