楊 杰，齊向東

（太原科技大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，山西 太原 030024）

0 引言

液位是工業(yè)生產(chǎn)過程中的四大熱工參數(shù)之一，因此，液位控制已成為工業(yè)生產(chǎn)中研究的重要課題［1］。傳統(tǒng)的液位控制系統(tǒng)大多采用常規(guī)PID控制，由于常規(guī)PID控制器結(jié)構(gòu)簡單，使用方便，被廣泛使用［2－6］，但常規(guī)PID在系統(tǒng)參數(shù)、工作環(huán)境發(fā)生改變時控制效果較差，且液位控制系統(tǒng)對穩(wěn)定性和快速性要求較高，這樣不依賴數(shù)學(xué)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(fā)環(huán)境設(shè)計了一個采用模糊控制方法的液位控制系統(tǒng)，主要包括硬件系統(tǒng)搭建和軟件開發(fā)設(shè)計。以THSA－I型過程控制綜合自動化控制系統(tǒng)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(shù)據(jù)采集模塊實現(xiàn)計算機和傳感器或執(zhí)行器之間的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，通過設(shè)計模糊控制器，在VB開發(fā)環(huán)境實現(xiàn)液位控制。實驗分別采用常規(guī)閉環(huán)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(yōu)越性。

1 單容液位過程模糊控制器設(shè)計

1．1 確定模糊控制器的結(jié)構(gòu)

根據(jù)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(jié)構(gòu)，如圖1所示。系統(tǒng)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(jīng)過量化后得到E、EC，然后經(jīng)過控制表得到控制量的數(shù)字量UC，經(jīng)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(yīng)變化中的比例系數(shù)。

圖1 離散控制器結(jié)構(gòu)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(tǒng)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(zhí)行器電動調(diào)節(jié)閥的開度。根據(jù)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(yīng)的控制信號為4mA～20mA。

1．3 定義模糊子集及隸屬函數(shù)

在本設(shè)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(guī)則表

當(dāng)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(dāng)偏差為負中時，控制量的變化應(yīng)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(tǒng)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(jù)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(guī)則表，如表1所示。

表1 控制規(guī)則表（u）

2 液位控制系統(tǒng)的實現(xiàn)

2．1 硬件系統(tǒng)組成

本設(shè)計系統(tǒng)是在 “THSA－1型過程控制綜合自動化控制系統(tǒng)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(jiān)控PC機3部分組成?！癟HSA－1型過程控制綜合自動化控制系統(tǒng)實驗平臺”是一套集自動化儀表技術(shù)、計算機技術(shù)、通訊技術(shù)、自動控制技術(shù)及現(xiàn)場總線技術(shù)為一體的多功能實驗設(shè)備。液位控制系統(tǒng)組成框圖如圖2所示。

圖2 液位控制系統(tǒng)組成框圖

通過標度轉(zhuǎn)化，將液位高度信號轉(zhuǎn)化為1V～5V的電壓信號，由ICP7017采集傳送給計算機，計算機調(diào)用相應(yīng)的算法計算后，將控制信號再次經(jīng)過標度轉(zhuǎn)化變換成4mA～20mA信號，由ICP7024傳送給電動調(diào)節(jié)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(shè)計及實現(xiàn)

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(yōu)良性，在VB開發(fā)環(huán)境下，先設(shè)計閉環(huán)PID控制窗口，然后同模糊控制對比控制效果。閉環(huán)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(shè)置采樣周期與液位設(shè)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(shè)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(shù)據(jù)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(jù)分析輸入輸出論域的變化及所設(shè)置的液位設(shè)定值將偏差量化因子Ke設(shè)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(huán)PID測試窗口

圖4 模糊控制測試窗口

通過對比閉環(huán)PID控制和模糊控制兩組實驗的實驗結(jié)果，分析兩種控制的優(yōu)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(diào)，有震蕩，但反應(yīng)速度較比例積分PI的速度要快；雖然比例積分PI反應(yīng)速度較慢，但動態(tài)品質(zhì)較好且能消除靜態(tài)偏差。模糊控制沒有超調(diào)，且上升速度和穩(wěn)定速度都是最快的，但存在靜態(tài)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(guī)閉環(huán)PID控制的效果更好，提高了控制系統(tǒng)的快速性，保證了系統(tǒng)的穩(wěn)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(jié)論

本文針對傳統(tǒng)工業(yè)單容水箱液位控制過程中存在的穩(wěn)定性差、響應(yīng)慢等問題，提出了一種模糊控制方法對液位進行控制，并設(shè)計了單容液位控制系統(tǒng)。在相同實驗條件下，采用傳統(tǒng)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(huán)PID控制的效果相比，穩(wěn)定性更好、響應(yīng)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(tǒng)［M］．蕭德云，呂伯明，譯．北京：清華大學(xué)出版社，2004．

［2］ 楊國安．?dāng)?shù)字控制系統(tǒng)：分析、設(shè)計與實現(xiàn)［M］．西安：西安交通大學(xué)出版社，2008．

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

［4］ 張玲霞，李學(xué)軍，李杰．基于組態(tài)王的液位控制系統(tǒng)仿真實驗［J］．長春大學(xué)學(xué)報，2010（4）：61－64．

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

［6］ 匡芬芳．OPC技術(shù)在液位控制中的應(yīng)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(xiàn)［J］．自動化與儀表，2011（7）：28－31．