摘 要：液位是工業(yè)生產(chǎn)中的重要參數(shù)之一，對(duì)液位的測量和控制效果直接影響到產(chǎn)品的質(zhì)量。著重介紹一種基于VB語言的復(fù)合液位控制實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，本系統(tǒng)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(shí)變、大滯后的缺點(diǎn)，使系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定、魯棒性強(qiáng)、超調(diào)小、抗干擾、快速響應(yīng)、精確、運(yùn)行可靠、節(jié)能的理想控制效果。

關(guān)鍵詞：液位控制；模糊控制；PID 控制；前饋控制

中圖分類號(hào)：TP273+.4文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：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(yè)中四大熱工參數(shù)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(gè)領(lǐng)域。液位控制是工業(yè)生產(chǎn)當(dāng)中研究的重要課題之一。針對(duì)液位控制過程中存在非線性、時(shí)變、大滯后的特點(diǎn)，對(duì)一個(gè)確定的復(fù)雜的液位控制系統(tǒng)而言，其數(shù)學(xué)模型是很難精確建立的，為彌補(bǔ)傳統(tǒng)液位控制方法的不足之處，在傳統(tǒng)PID反饋控制的基礎(chǔ)上，根據(jù)液位裝置操作的特點(diǎn)，引入前饋控制和模糊控制方法。反饋控制是按被控參數(shù)與給定值的偏差進(jìn)行控制的，其特點(diǎn)是在被控參數(shù)出現(xiàn)偏差后，調(diào)節(jié)器發(fā)出控制命令以補(bǔ)償擾動(dòng)對(duì)被控參數(shù)的影響，最后消除(或基本消除)偏差。若擾動(dòng)已經(jīng)發(fā)生，而被控參數(shù)尚未變化，則調(diào)節(jié)器將不產(chǎn)生校正作用。所以，反饋控制總是滯后于擾動(dòng)，會(huì)造成調(diào)節(jié)過程的動(dòng)態(tài)偏差。前饋控制是當(dāng)擾動(dòng)一出現(xiàn)，調(diào)節(jié)器即根據(jù)擾動(dòng)的性質(zhì)和大小進(jìn)行控制，以補(bǔ)償擾動(dòng)的影響，使被控參數(shù)不變或基本保持不變。相對(duì)于反饋控制來說，前饋控制是及時(shí)的，理論上可達(dá)到完全補(bǔ)償。因此，對(duì)于時(shí)間常數(shù)或時(shí)延大、擾動(dòng)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(chǔ)的一種新興的控制手段，是一種不精確的控制方法，但應(yīng)用一般的控制理論很難實(shí)現(xiàn)控制目的，而由人來控制卻往往容易做到。模糊控制相對(duì)于PID控制來說，更智能一些，它會(huì)根據(jù)使用環(huán)境的變化，自已修正參數(shù)使輸出值無限接近設(shè)定值。

本系統(tǒng)采用多種方法集成的控制策略，以期達(dá)到系統(tǒng)穩(wěn)定、魯棒性強(qiáng)、超調(diào)小、抗干擾、快速響應(yīng)、精確、運(yùn)行可靠、節(jié)能的理想控制效果。

1 液位控制系統(tǒng)組成及原理

本液位控制系統(tǒng)是基于過程控制平臺(tái)實(shí)現(xiàn)的，是一個(gè)DDC控制系統(tǒng)。系統(tǒng)由水箱、液位傳感器、電動(dòng)調(diào)節(jié)閥、單相格蘭富水泵、電磁流量計(jì)、A/D和D/A轉(zhuǎn)換模塊、工業(yè)控制計(jì)算機(jī)、打印機(jī)、彩色顯示器等組成?？刂葡到y(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖見圖1。液位傳感器采用擴(kuò)散硅壓力液位變送器，當(dāng)液體（水）的壓力作用于傳感器時(shí)，傳感器將壓力信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，經(jīng)信號(hào)處理電路后轉(zhuǎn)換成與液體的液位壓力稱對(duì)應(yīng)關(guān)系的4～20 mA標(biāo)準(zhǔn)電流輸出信號(hào)。通過負(fù)載電阻250/50 Ω轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)送A/D轉(zhuǎn)換模塊。

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

A/D轉(zhuǎn)換模塊選用LM-7017八通道電壓電流模擬量遠(yuǎn)程輸入模塊，共有8 路差分輸入，16 位分辨率，高達(dá)115.2 kb/s的通訊速率。LM-7017采用RS 485將分散的現(xiàn)場數(shù)據(jù)點(diǎn)的模擬量經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換傳輸?shù)街骺赜?jì)算機(jī)。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

D/A轉(zhuǎn)換模塊選用LM-7024四通道電壓電流模擬量遠(yuǎn)程輸出模塊，4路輸出，12位DA分辨率，具有高達(dá)115.2 kb/s的通訊速率。LM-7024采用RS 485將主控計(jì)算機(jī)的數(shù)字量經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換后傳輸?shù)椒稚⒃诂F(xiàn)場的控制設(shè)備。

該系統(tǒng)把水箱作為被控對(duì)象，水箱水位為被控量，利用液位傳感器和電磁流量計(jì)采集液位信號(hào)及流量信號(hào)經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后送入計(jì)算機(jī)進(jìn)行相應(yīng)的控制運(yùn)算，之后把運(yùn)算結(jié)果送出，經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換輸出來控制電動(dòng)調(diào)節(jié)閥的開度大小，從而間接實(shí)現(xiàn)了液位的控制。本系統(tǒng)用面向?qū)ο蟮腣B語言實(shí)現(xiàn)普通PID控制、前饋控制和模糊控制算法（復(fù)合控制框圖如圖2所示），通過界面顯示數(shù)據(jù)圖形，并結(jié)合Access數(shù)據(jù)庫實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、查詢等功能。液位控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 復(fù)合控制框圖

2 模糊PID控制器設(shè)計(jì)

模糊控制器是整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)，設(shè)計(jì)過程詳述如圖3所示。

(1) 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

如圖3所示，本系統(tǒng)模糊控制器采用雙輸入、單輸出的結(jié)構(gòu)，一個(gè)輸入量選用實(shí)際水位L偏離給定水位L0的大小即誤差e=L-L0，同時(shí)為了提高系統(tǒng)控制的穩(wěn)定性，并減小超調(diào)量及振蕩現(xiàn)象，同時(shí)把誤差的變化ec作為另一個(gè)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(dòng)調(diào)節(jié)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(shè)計(jì)。

根據(jù)以往水位控制實(shí)驗(yàn)的觀察結(jié)果，考慮到穩(wěn)定性和響應(yīng)性，水箱水位的誤差e基本論域定為［-0.06，+0.06］，超過這個(gè)范圍的都把它當(dāng)作邊界值來處理。同樣得轉(zhuǎn)速誤差變化ec的基本論域定為［-0.03，+0.03］，電動(dòng)調(diào)節(jié)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(fù)大（NB），負(fù)中（NM），負(fù)?。∟S），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(guī)則設(shè)計(jì)。

模糊控制規(guī)則的設(shè)計(jì)原則是，當(dāng)誤差較大時(shí)，控制量應(yīng)當(dāng)盡可能快地減小誤差；當(dāng)誤差較小時(shí)，除消除誤差外，應(yīng)盡量使系統(tǒng)趨于穩(wěn)定，避免不必要的超調(diào)和震蕩。表1為總結(jié)出各種情況時(shí)的模糊控制規(guī)則狀態(tài)表。

根據(jù)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(guān)系）獲得。

（4） 精確化設(shè)計(jì)。

由模糊數(shù)學(xué)理論，首先將R矩陣算出，然后算出各種輸入狀態(tài)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(zhuǎn)化為精確的實(shí)際輸出（電動(dòng)調(diào)節(jié)閥的控制電流4～20 mA）。經(jīng)過計(jì)算的模糊控制查詢表如表2所示。在實(shí)際的實(shí)時(shí)控制中，先將模糊控制查詢表存入計(jì)算機(jī)的Access數(shù)據(jù)庫中，測得EN和ECN，通過查詢Access數(shù)據(jù)庫中的控制表，即可得到相應(yīng)的控制量UN去控制電動(dòng)調(diào)節(jié)閥的開度，從而達(dá)到控制水位的目的。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)簡要介紹

系統(tǒng)軟件利用VB軟件和Access數(shù)據(jù)庫來實(shí)現(xiàn)。

Visual Basic（VB）是一種由微軟公司開發(fā)的包含協(xié)助開發(fā)環(huán)境的事件驅(qū)動(dòng)編程語言，一種基于Basic語言的可視化程序設(shè)計(jì)環(huán)境。VB擁有圖形用戶界面（GUI）和快速應(yīng)用程序開發(fā)（RAD）系統(tǒng)，可以輕易的使用DAO，RDO，ADO連接數(shù)據(jù)庫，能夠輕松地創(chuàng)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(gè)應(yīng)用程序。VB引入了一種被稱為面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)（Object Oriented Programming，OPP）的方法，這種方法使計(jì)算機(jī)程序設(shè)計(jì)更貼近人類思維活動(dòng)的習(xí)慣，體現(xiàn)了程序設(shè)計(jì)技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)。

Access 是微軟公司推出的基于Windows的桌面關(guān)系數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)（RDBMS），是Office系列應(yīng)用軟件之一。它提供了表、查詢、窗體、報(bào)表、頁、宏、模塊7種用來建立數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的對(duì)象；提供了多種向?qū)?、生成器、模板，把?shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)查詢、界面設(shè)計(jì)、報(bào)表生成等操作規(guī)范化；為建立功能完善的數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)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?jǐn)?shù)據(jù)管理的任務(wù)。

VB軟件通過計(jì)算機(jī)接口讀取傳感器的精確值和輸出控制量控制電動(dòng)調(diào)節(jié)閥，模糊控制器也由VB實(shí)現(xiàn)，模糊化、模糊推理、反模糊化的過程是通過查表的方式來實(shí)現(xiàn)的，模糊控制查詢表存儲(chǔ)在Access數(shù)據(jù)中，這可以節(jié)省大量運(yùn)算資源，因此，在以數(shù)據(jù)庫中可置入多個(gè)模糊查詢表，在運(yùn)行工況有所改變時(shí)，采用不同的數(shù)據(jù)表格，這樣可以更靈活、更有效地控制電動(dòng)調(diào)節(jié)閥的運(yùn)行。

4 結(jié) 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(tǒng)的PID控制相比，相當(dāng)于少了積分環(huán)節(jié)，對(duì)消除誤差效果不好、穩(wěn)態(tài)誤差大、精度不高、過渡時(shí)間長，但動(dòng)態(tài)特性好、魯棒性好、抗干擾能力強(qiáng)。因此，為改善模糊控制器的穩(wěn)態(tài)性能，在模糊控制器中引入PID控制策略，構(gòu)成模糊PID復(fù)合控制，這種復(fù)合控制策略是在大偏差范圍內(nèi)采用模糊控制，小偏差范圍內(nèi)轉(zhuǎn)換成PID控制，二者的轉(zhuǎn)換由微機(jī)根據(jù)事先設(shè)定的偏差范圍自動(dòng)實(shí)現(xiàn)。再在系統(tǒng)中引入前饋控制，進(jìn)一步加強(qiáng)了系統(tǒng)抗干擾的能力，增強(qiáng)了系統(tǒng)的穩(wěn)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?yàn)槿斯ぶ悄?，嵌入式系統(tǒng)。

注：本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內(nèi)容請(qǐng)以PDF格式閱讀原文