雙容水箱液位控制系統(tǒng)仿真研究

盧春華， 鞏銀苗， 姚現(xiàn)科

（1.安陽工學院電子信息與電氣工程學院， 河南 安陽 455000；2.北京化工大學信息科學與技術學院， 北京 100029）

1 液位對象及其數(shù)學模型

液位檢測由于受到多重因素的影響，例如對象的自衡度、液體的黏滯系數(shù)等等，增加了其控制系統(tǒng)的復雜性[1]。

2 傳統(tǒng)PID控制方案設計與仿真

單回路PID控制系統(tǒng)和串級PID控制系統(tǒng)中Plant模塊的仿真搭建如圖1所示。

圖1 控制系統(tǒng)仿真結構圖

采用衰減曲線法整定調節(jié)器參數(shù)，得到比較理想的過渡過程曲線如圖2所示。從圖2可以看出，串級PID控制的超調量、峰值時間、過渡過程時間均要好于單回路PID控制，具有更好的穩(wěn)態(tài)與動態(tài)性能[2]。

圖2 兩種控制方案控制輸出曲線

3 模糊控制方案設計與仿真

模糊控制是一種反映人類智慧的智能控制方法。其設計不依賴于被控對象的模型，它將控制專家或操作者的經(jīng)驗知識，融入到控制算法當中，解決復雜控制問題，如建模困難、多變量強耦合、高度非線性等。

制定模糊控制規(guī)則是模糊控制算法的核心，它的原則是在保證控制系統(tǒng)穩(wěn)定的前提下，使系統(tǒng)的輸出響應達到最好的靜、動態(tài)特性。根據(jù)具體經(jīng)驗建立模糊規(guī)則，得出控制量組成模糊控制器的查詢表。打開MATLAB，在彈出的窗口中輸入fuzzy，調出模糊控制器，設置隸屬度函數(shù)參數(shù)，然后設定模糊規(guī)則，最后核查模糊規(guī)則。系統(tǒng)輸入/輸出特性曲面圖如下頁圖3所示。

最后搭建仿真控制系統(tǒng)，得到輸出過渡過程曲線如下頁圖4所示。

由下頁圖4可以看出，模糊控制方案具有最短的過渡過程時間，最小的超調量以及最小的穩(wěn)態(tài)偏差。總體上來說，模糊控制方案的穩(wěn)態(tài)、動態(tài)性能最好。

4 結論

圖3 系統(tǒng)輸入/輸出特性曲面圖

本文以雙容水箱為被控對象，設計三種控制方案：PID單回路控制、串級PID控制、模糊串級控制，分別對三種控制方案進行仿真設計，并取得了其輸出曲線。由仿真結果可以得到，模糊控制對于非線性、大時延、強耦合、多擾動的系統(tǒng)具有更強的魯棒性。

圖4 模糊串級控制曲線圖