摘 要：對(duì)于恒壓供水的復(fù)雜控制系統(tǒng)，常規(guī)的 PID 控制器難以保證系統(tǒng)在任何工況條件下始終具有較好的控制性能。將模糊控制理論應(yīng)用于供水系統(tǒng)，設(shè)計(jì)出了一種自適應(yīng)模糊PID控制器，通過仿真實(shí)驗(yàn)表明：在恒壓供水系統(tǒng)中，自適應(yīng)模糊PID控制較傳統(tǒng)PID控制具有更好的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)特性。

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關(guān)鍵詞：自適應(yīng)；模糊控制；PID；供水系統(tǒng)

中圖分類號(hào)：TP273文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1004-373X(2008)07-122-03

Emulation of Self-adaptive Fuzzy PID Controller in Water Supply System

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TIAN Siqing1，ZHU Chuangang1，2，LI Jing1，3

(1.Information and Electronic Technology Institute，Jiamusi University，Jiamusi，154007，China;2.Qirui Group，Wuhu，241000，China;

3.Shanghai Baoye Construction Co.Ltd.，Shanghai，200941，China)

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Abstract：Regarding the control system of constant pressure water supply，the conventional PID controller guaranteed the system with difficulties that under any operating mode condition.It will keep a better control performance.The design of fuzzy-PID controller is on the basis of fuzzy control theory applied to the water supply system.Indication through the simulation shows that the self-adaptive fuzzy PID controller has better static and dynamic performance compared to the traditional PID controller in the constant pressure water supply system.

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Keywords：self-adaptive;fuzzy control;PID;water supply system

1 引 言

變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)由可編程序控制器PLC、變頻器、電機(jī)和水泵等環(huán)節(jié)組成。恒壓供水系統(tǒng)是型的非線性大時(shí)間滯后系統(tǒng)，采用傳統(tǒng)的PID控制難以獲得良好的控制效果。模糊控制以其特有的優(yōu)點(diǎn)，為解決非線性、時(shí)間滯后等問題提供了新的途徑，在控制領(lǐng)域內(nèi)得到了廣泛的應(yīng)用。

本文將模糊控制和PID控制結(jié)合，根據(jù)各自的特征構(gòu)造了一個(gè)自適應(yīng)模糊PID控制器，根據(jù)Matlab環(huán)境下的模糊邏輯工具箱對(duì)其進(jìn)行仿真研究，取得了良好的控制效果。

2 模糊控制

模糊控制是以模糊集合論、模糊語言變量和模糊邏輯推理為基礎(chǔ)的計(jì)算機(jī)智能控制。他先將操作人或?qū)＜业慕?jīng)驗(yàn)歸結(jié)為控制規(guī)則，然后將輸入變量模糊化，并以此模糊輸入去適配控制規(guī)則，完成模糊邏輯推理，最后將模糊輸出量再進(jìn)行清晰化處理，變?yōu)槟M量或數(shù)字量送給執(zhí)行器去控制被控對(duì)象^[1]。

圖1 模糊控制系統(tǒng)方框圖

3 基于Matlab的模糊控制器設(shè)計(jì)

當(dāng)使用Matlab模糊工具箱提供的用戶圖形界面(GUI界面)時(shí)，首先在Simulink環(huán)境下創(chuàng)建一個(gè)新的工作區(qū)域，然后在Simulink模塊庫中選擇所需的模塊，建立模糊控制系統(tǒng)仿真結(jié)構(gòu)圖。雙擊圖中的任何模塊，都可以根據(jù)系統(tǒng)的要求修改或設(shè)定其參數(shù)^[2]。

3.1 模糊語言變量的語言值

對(duì)于供水系統(tǒng)，擬選取壓力偏差e和偏差變化率ec為輸入，PID調(diào)解器的比例系數(shù)Kp、積分系數(shù)Ki、微分系數(shù)Kd為輸出。本供水系統(tǒng)的輸入、輸出語言變量的語言值均采用“NB，NM，NS，O，PS，PM，PB”7個(gè)元素的詞集，這樣形成的模糊關(guān)系矩陣將是一個(gè)方陣，有利于模糊推理計(jì)算。

3.2 模糊語言值的隸屬度函數(shù)

(1) 輸入變量的隸屬度函數(shù)

管網(wǎng)的期望壓力設(shè)定為0.6 MPa，根據(jù)現(xiàn)場手動(dòng)調(diào)節(jié)經(jīng)驗(yàn)，確定壓力偏差量e的基本論域?yàn)閇-0.15，0.15] MPa，偏差變化率ec的基本論域?yàn)閇-0.15，0.15] MPa。將e和ec模糊論域均定在[-6，+6]的離散區(qū)間。本設(shè)計(jì)采用三角形分布的隸屬度函數(shù)，輸入變量e，ec的隸屬函數(shù)曲線如圖2所示。

圖2 e(ec)的隸屬函數(shù)

(2) 輸出變量的隸屬度函數(shù)

當(dāng)系統(tǒng)采用PID控制時(shí)，其參數(shù)Kp設(shè)為30.0，Ki設(shè)為12.0，Kd設(shè)為2.0時(shí)，系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)較好。在模糊控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，輸出變量的量化區(qū)域以此為基礎(chǔ)進(jìn)行設(shè)計(jì)，將Kp量化到區(qū)域(10，100)內(nèi)，Ki糊量化到區(qū)域(4，20)內(nèi)，Kd量化到區(qū)域(0，5)內(nèi)，將此輸出量模糊論域均定在[-3，+3]的離散區(qū)間。輸出變量Kp，Ki和Kd的隸屬函數(shù)曲線均如圖3所示。

圖3 Kp(Ki，Kd)的隸屬函數(shù)

3.3 模糊控制規(guī)則的建立

模糊控制規(guī)則的設(shè)計(jì)原則為：當(dāng)誤差較大時(shí)，控制量變化應(yīng)盡量使誤差迅速減少；當(dāng)誤差較小時(shí)，主要考慮系統(tǒng)的穩(wěn)定性，防止系統(tǒng)產(chǎn)生不必要的超調(diào)，甚至振蕩。根據(jù)模糊控制系統(tǒng)運(yùn)行的狀況以及Kp，Ki和Kd三者之間的關(guān)系，特制定Kp，Ki和Kd的模糊規(guī)則，如表1所示^[3]。

4 系統(tǒng)仿真

4.1 自適應(yīng)模糊PID控制系統(tǒng)仿真

在Simulink環(huán)境下，模糊PID控制器與一階滯后對(duì)象組成的控制系統(tǒng)仿真結(jié)構(gòu)如圖4所示。圖5是模糊控制器的封裝系統(tǒng)，圖6是PID控制器的封裝系統(tǒng)。通過模糊邏輯控制功能模塊調(diào)用上述FIS編輯器建立的控制規(guī)則進(jìn)行運(yùn)算仿真，這樣的模型為湊試參數(shù)提供了方便^[3，4]。

模糊變頻恒壓供水系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型是一階慣性、滯后環(huán)節(jié)，近似的數(shù)學(xué)模型為:



0.92e －1.5s144s+1



圖4 自適應(yīng)模糊PID系統(tǒng)仿真結(jié)構(gòu)圖

圖5 模糊控制器結(jié)構(gòu)圖

圖6 PID控制器結(jié)構(gòu)圖

[FL)][HT2.][HT10.SS]

表1 Kp/Ki/Kd的模糊控制規(guī)則

自適應(yīng)模糊控制的仿真曲線如圖7所示。從仿真曲線看，如果對(duì)控制效果不滿意，一般首先調(diào)整量化因子，再調(diào)整模糊控制規(guī)則和隸屬度函數(shù)等。

圖7 自適應(yīng)模糊PID仿真曲線

4.2 PID控制系統(tǒng)仿真

圖8為在Simulink環(huán)境下，PID控制系統(tǒng)仿真結(jié)構(gòu)圖，圖9為其仿真曲線。

圖8 PID仿真結(jié)構(gòu)圖

圖9 PID仿真曲線

4.3 仿真結(jié)果比較

比較兩種仿真曲線中可以看出，自適應(yīng)模糊PID控制的階躍響應(yīng)曲線具有上升快、調(diào)節(jié)精度高、超調(diào)量小，對(duì)被控參數(shù)變化適應(yīng)能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，因此是一種性能良好的控制器。這種自適應(yīng)模糊PID控制方法計(jì)算量小、易于實(shí)現(xiàn)、便于工程應(yīng)用。

5 結(jié) 語

本文提出的參數(shù)自適應(yīng)模糊PID控制器為改善供水系統(tǒng)在不同工況條件下的控制性能提供了一種有效方法。仿真結(jié)果表明：在供水系統(tǒng)中，自適應(yīng)模糊PID控制和傳統(tǒng)PID控制相比，具有響應(yīng)速度快，超調(diào)量小，穩(wěn)態(tài)性能好和魯棒性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。該自適應(yīng)模糊供水控制系統(tǒng)，經(jīng)過現(xiàn)場實(shí)際應(yīng)用也達(dá)到了很好的控制效果，有著非常廣闊的應(yīng)用前景。

參 考 文 獻(xiàn)

［1］李士勇.模糊控制#8226;神經(jīng)控制和智能控制論[M].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，1998.

［2］張國良，曾靜，柯熙政，等.模糊控制及其Matlab應(yīng)用[M].西安:西安電子科技大學(xué)出版社，2001.

［3］劉金錕.先進(jìn)PID控制及其Matlab仿真[M].北京:電子工業(yè)出版社，2003.

［4］黃良沛，黃昕.參數(shù)自適應(yīng)模糊PID控制在恒壓供水系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].自動(dòng)化與儀器儀表，2005(4)：28-30.

［5］姚曉峰，陳曉俠，張春光.一種實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)PID參數(shù)實(shí)時(shí)整定與仿真的方法[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2006，29(6)：49-50，53.

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作者簡介 田思慶 男，1965年出生，黑龍江佳木斯人，工學(xué)碩士，副教授。主要從事智能控制理論方面的研究和應(yīng)用。

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。