模糊PID控制在液位串级控制系统中的应用

第５期（总第１７４期）　２０１２年ｌＯ月　机械工程与自动化　ＭＥＣＨＡＮＩＣＡＬ　ＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧ　＆　ＡＵＴＯＭＡＴＩＯＮ　Ｎｏ．５　（）ｃｔ．　文章编号：ｉ６７２—６４１３（２０１２）０５—０１５０—０３　

模糊ＰＩＤ控制在液位串级控制系统中的应用　

黄　彪，张井岗　（太原科技大学电子信息工程学院，山西　太原０３００２４）　摘要：以ＤＳＩ１０３单板系统为实验平台，以双容水箱液位控制系统为研究对象，利用ｄＳＰＡＣＥ开发系统进行　快速控制原型的半实物仿真实验。该系统采用双闭环串级控制，主控制器采用常规ＰＩＤ控制和模糊ＰＩＤ控　制算法进行对比研究，实验表明模糊ＰＩＤ控制算法在液位控制系统中可以获得非常好的控制效果。　关键词：ｄＳＰＡＣＥ；水箱液位；模糊ＰＩＤ控制　中图分类号：ＴＰ２７３　．４　文献标识码：Ａ　

０　弓ｌ言　由于水箱液位系统具有非线性、大迟滞性、时变性　等特点，因此常规ＰＩＤ控制系统受到控制器参数固定　的局限，使得ＰＩＩ）控制难以保证系统适应工作条件的　变化。文献Ｅｌｉ设计了一种在线自整定的模糊ＰＩＤ控　制器，并针对水箱的数学模型进行了数字仿真，结果表　明模糊ＰＩＤ控制算法可以在液位控制系统中取得很　好的控制效果，但结果只限于数字仿真，并没有进行实　际实验。文献［２］通过ＭＣＧＳ（Ｍｏｎｉｔｏｒ　ａｎｄ　Ｃｏｎｔｒｏｌ　Ｇｅｎｅｒａｔｅｄ　Ｓｙｓｔｅｍ，监视与控制通用系统）组态软件实　现了水箱串级液位控制的ＰＩＤ控制算法、模糊控制算　法、模糊ＰＩＤ控制算法的仿真和调试实验的对比研　究，证明了模糊ＰＩＤ控制算法既具有模糊控制的良好　动态性能，又具有ＰＩＤ控制较好的静态性能，在参数　选取合适的情况下可以获得满意的控制性能，但是其　监控界面需要通过用户手动编写。从文献［３］、［－４－］中　也可以看出，一些比较先进的控制理论在实际操作过　程中经常会受到硬件条件或者工作量大等的限制而难　以在工业实际中进行实验及调试。德国ｄＳＰＡＣＥ公　司推出的ｄｓＰＡＣＥ集成开发平台为解决这一问题提　供了很大的方便。　１　ｄＳＰＡＣＥ简介　ｄＳＰＡＣＥ（ｄｉｇｉｔａｌ　Ｓｉｇｎａｌ　Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ　ａｎｄ　Ｃｏｎｔｒｏｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ）系统可以分为硬件和软件两部分。　ＤＳ１１０３　ＰＰＣ控制板是ｄＳＰＡＣＥ公司推出的单板系　统，其功能强大，１／０接口丰富，齐全的硬件配置是控　制器开发非常得力的工具。软件主要包括代码生成和　下载软件ＲＴＩ（Ｒｅａｌ—Ｔｉｍｅ　Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ）及测试软件　ＣｏｎｔｒｏｌＤｅｓｋ两部分。其中，ＲＴＩ可以实现从Ｓｉｍｕ—　ｌｉｎｋ仿真模型建立到ｄＳＰＡＣＥ实时代码的无缝自动　下载；ＣｏｎｔｒｏｌＤｅｓｋ综合实验环境可以用拖放的方式　轻松生成虚拟仪表，并且可以在控制中跟踪实时曲线，　在线调骼参数。　２水箱液位控制系统　２．１　水箱液位串级控制系统　系统选用串级控制方式，以改善控制过程系统的　动态性能，双闭环结构可以增强控制系统的抗干扰能　力。水箱液位控制系统结构框图如图１所示。　给罨　需　Ｉ　液位传感器１卜卜——　Ｉ　Ｌ—————　液位传感器２　————————＿＿Ｊ　图ｌ水箱液位串级控制系统结构框图　系统包含两个反馈回路：液位传感器２对下水箱　的液位进行实时测量，与给定值比较后作为主调节器　的偏差信号，主调节器控制下水箱的液位高度；液位传　感器ｌ对上水箱的液位进行实时测量，反馈的数据与　主调节器的输出比较后作为副调节器的输入，副调节　器的输出作为电磁阀的驱动信号，从而达到控制下水　箱液位高度的目的。　２．２基于ｄＳＰＡＣＥ的液位控制系统　用ｄＳＰＡＣＥ建立的水箱液位实时控制平台功能　示意图如图２所示，其中ＤＳ１１０３ＭＵＸ—ＡＤＣ—Ｃ０Ｎ１　是板卡集成的模／数转换模块，检测的是液位传感器的　１　Ｖ～５　Ｖ电压信号。ＤＳ１１０３　ＤＡＣ—Ｃ３是板卡数／模　转换模块，输出电压范围是±ｌ０　Ｖ，但是电动调节阀　收稿日期：２０１２—０３—０３；修回日期：２０１２一Ｏ４—２５　作者简介：黄彪（１９８６一），男，山东临沂人，在读硕士研究生，研究方向为控制理论与控制工程。

　２０１２年第５期　黄彪。等：模糊ＰＩＤ控制在液位串级控制系统中的应用　・　１５ｌ　・　只接收４　ｍＡ～２Ｏ　ｍＡ的电流信号，为此需要将　ＤＳ１１０３的输出进行电压电流信号调理转换，这里采用　的调理电路是华德ＨＤ一２２的一路信号变送器。　液　位　过　程　传感器Ｈ。ＡＳＤｌｃｌ０一ｃ３ｏ￣ＮＸｌ一　

电动调Ｉ　Ｉ信号调Ｉ　ｌ　Ｄｓ１１０３　节阀『．．＿．１理模块ｒ－１　ＤＡＣ—Ｃ３　图２　水箱液位实时控制平台功能示意图　采用ＣｏｎｔｒｏｌＤｅｓｋ软件建立的实时控制系统液位高　度曲线的观察界面和在线调参的控制界面如图３所示。　

图３　ＣｏｎｔｒｏｌＤｅｓｋ观察界面　３模糊ＰＩＤ控制器的设计　３．１控制器结构　在常规ＰＩＤ控制器的基础之上，模糊自整定ＰＩＤ　控制器以偏差和偏差变化率为输入，通过模糊推理修　正３个输出参数，即比例系数增量△Ｋ　、积分系数增　量△Ｋ　、微分系数增量ＡＫ。，实现ＰＩＤ控制器参数的　自调整，从而使被控对象具有良好的动、静态性能。模　糊ＰＩＤ控制算法结构框图如图４所示。　ＰＩＤ控制器的各项参数的计算式为：　ｆＫｐ　ＫＰ。＋△ＫＰ　Ｋ　Ｊ—Ｋ∞十△Ｋｆ　。　【ＫＤ—ＫＤ。—卜△ＫＤ　其中：Ｋ　为比例系数；Ｋ，为积分系数；Ｋ。为微分系　数；Ｋ，。为比例系数初始值；Ｋ　为积分系数初始值；　Ｋ伪为微分系数初始值。　ｒ一。　是孺｛　磊＿一］　

＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿●＿＿＿＿＿＿＿＿——　一　卜匝匹　

．．丽酮　一　！一　图４模糊ＰＩＤ控制算法结构框图　３．２　模糊ＰｌＤ控制器设计　控制器的两个输入偏差量ｅ以及偏差变化率　的模糊论域均设为［一６，６］，语言值的模糊子集设定为　７段：（ＮＢ，ＮＭ，ＮＳ，ＺＯ，ＰＳ，ＰＭ，ＰＢ｝，即｛负大，负中，　负小，零，正小，正中，正大）。隶属度函数为正态分布。　３个输出量ＡＫ　、ＡＫ，、ＡＫｏ的模糊论域及语言值模糊　子集与输入相同，但为解模糊算法方便，隶属度函数选　用三角形。为提高控制器输出的鲁棒性，采用全交迭　式分布。　在液位控制系统实时数据采集的过程中，由于液　位传感器的电磁干扰和其他一些干扰的影响，采集的　实时液位数据会在基础值上有一个抖动范围，因此，在　数据采集过程不加入滤波器的情况下，需要把模糊　ＰＩＤ控制器的各变量的基本论域范围选取的稍大一　些，以削弱干扰对液位过程控制的影响。　模糊控制设计的中心思想是归纳实际操作中的常　识和经验，总结出恰当的模糊规则表，得到分别针对　Ｋ　、Ｋ，、Ｋｏ三个参数的控制规则，见表ｌ。　表１　Ｋ，、Ｋ　、Ｋ　的模糊规则表　ＮＢ　ＮＭ　ＮＳ　Ｚ（）　ＰＳ　ＰＭ　ｐＢ　ＮＢ　Ｉ　Ｂ／ＮＢ／ＰＳ　ＰＢ／ＮＢ／ＮＳ　ＰＭ／ＮＭ／ＮＢ　ＰＭ／ＮＭ／ＮＢ　ＰＳ／ＮＳ／ＮＢ　ＺＯ／ＺＯ／ＮＭ　ＺＯ／ＺＯ／￣’Ｓ　ＮＭ　ＰＢ／ＮＢ／ＰＳ　ＰＢ／ＮＢ／ＮＳ　ＰＭ／ＮＭ／ＮＢ　ＰＳ／ＮＳ／ＮＭ　ＰＳ／ＮＳ／ＮＭ　ＺＯ／ＺＯ／ＮＳ　ＮＳ／ＺＯ／ＺＯ　ＮＳ　ＰＭ／ＮＢ／ＺＯ　ＰＭ／ＮＭ／ＮＳ　ＰＭ／ＮＳ／ＮＭ　ＰＳ／ＮＳ／ＮＭ　ＰＳ／ＺＯ／ＮＳ　ＺＯ／ＰＳ／ＮＳ　ＮＳ／ＰＳ／ＺＯ　ＺＯ　ＰＭ／ＮＭ／ＺＯ　ＰＭ／ＮＭ／ＮＳ　ＰＳ／ＮＳ／ＮＳ　Ｚ０／Ｚ（］／ＮＳ　ＮＳ／ＰＳ／ＮＳ　ＮＭ／ＰＭ／ＮＳ　ＮＭ／ＰＭ／ＺＯ　ＰＳ　ＰＳ／ＮＭ／Ｚ０　ＰＳ／ＮＳ／ＺＯ　Ｚｏ／ＺＯ／ＺＯ　ＮＳ／ＰＳ／Ｚ（）　ＮＳ／ｔ　Ｓ／Ｚ０　ＮＭ／ＰＭ／Ｚｆ）　ＮＭ／ＰＢ／Ｚｏ　ＰＭ　ＰＳ／ＺＯ／ＰＢ　Ｚ０／ＺＯ／ＰＳ　ＮＳ／ＰＳ／ＰＳ　ＮＭ／ＰＳ／ＰＳ　ＮＭ／ＰＭ／ＰＳ　ＮＭ／ＰＢ／ＰＳ　ＮＢ／Ｉ　Ｂ／ＰＢ　ＰＢ　ＺＯ／ＺＯ／ＰＢ　ＺＯ／ＺＯ／ＰＭ　ＮＭ／ＰＳ／ＰＭ　ＮＭ／ＰＭ／ＰＭ　ＮＭ／ＰＭ／ＰＳ　ＮＢ／ＰＢ／ＰＳ　ＮＢ／ｆ　Ｂ／ＰＢ　４实验结果　在水箱液位串级控制实验中，主调节器分别采用　ＰＩＤ控制和模糊自整定ＰＩＤ控制，对于副回路，鉴于　其要求准确、及时地反映主调节器输出信号的变化，可　以采用比例控制器。　图５和图６分别为两种液位控制算法调节器的液　位高度实时响应曲线。其中，ＰＩＤ控制器的参数通过　逐步逼近法整定获得，主调节器的比例值Ｐ一６，积分　值Ｊ一０．０５，微分值Ｄ一０．０１２；副调节器比例值Ｐ一　０．８。模糊ＰＩＤ控制器中各变量基本论域的取值为：　∈［一３０，３０］，Ｐ　∈［一２，２］，△ＫＰ∈［～３，３］，ＡＫ，∈　［一０．０２４，０．０２４］，ＡＫＤ∈［一０．００６，０．００６３；输人量Ｐ　的量化因子Ｋ　＝＝＝０．２，　的量化因子Ｋ　一３；输出量比　例值的比例因子Ｋ　一０．５，积分值的比例因子Ｋ　一　０．００４，微分值的比例因子ＫＪ一０．００１。　从图５和图６可看出，基于ｄＳＰＡＣＥ开发平台设　计的模糊自整定ＰＩＤ控制器与常规ＰＩＤ控制器相比，　

液位曲线的上升时间短，稳定性好，没有超调，在液位　・　ｌ５２　・　机械工程与自动化　２０１２年第５期　控制系统中体现出了非常好的控制性能。　６Ｏ　５０　４０　坦３Ｏ　疑２Ｏ　１Ｏ　

６０　５０　逞４０　撂３０　２０　１０　０　１００　２００　３００　４００　５００　６００　时间／ｓ　图５　ＰＩＤ控制器液位响应曲线　

０　１００　２００　３００　４００　５００　６００　时间／ｓ　图６模糊ＰＩＤ控制器液位响应曲线　５　结论　基于ｄＳＰＡＣＥ实时控制测试平台，进行了双容水　箱串级液位控制系统的快速控制原型实验，对ＰＩＤ控　制算法和模糊ＰＩＤ控制算法进行了对比实验研究。　由于模糊控制算法对控制对象的模型不敏感，具有较　强的鲁棒性，但是因其模糊判断的天然特性，会在控制　目标附近产生震荡。而模糊控制和常规ＰＩＤ控制算　法相结合，既具备模糊控制算法动态性能优越的优点，　又体现了ＰＩＤ控制算法静态特性较好的优势，在液位　控制系统中获得了非常好的控制效果。从控制器的设　计过程也可以看出，利用ｄＳＰＡＣＥ平台的快速控制原　型实验功能以及ＣｏｎｔｒｏｌＤｅｓｋ的在线调参功能，大大　简化了设计复杂控制器的操作过程，提高了设计环节　的工作效率。　参考文献：　［１］朱鹰屏，王耀南．基于模糊ＰＩＤ原理的液位控制器的设计　［Ｊ］．控制系统．２００５。１２（４）：３５－３８．　［２］李兵。方敏．模糊ＰＩＤ液位控制系统的设计与实现ＥＤ］．合　肥：合肥工业大学，２００６：１０—１３．　［３］孙红英．颜德文，李文武．基于参数自整定模糊ＰＩＤ的三　容水箱液位控制［Ｊ］．电气应用，２００６，２５（８）：９７—９９．　［４］　马成玲，齐向东．水位模糊ＰＩＤ系统的设计［Ｊ］．信号与系　统，２０１１．１３（６）：６８—７０．　［５］马培蓓，吴进华，纪军．ｄＳＰＡＣＥ实时仿真平台软件环境　及应用［Ｊ］．系统仿真学报，２００４．１６（４）：６６７—６６８．　［６３陶永华．新型ＰＩＤ控制及其应用［Ｍ］．第２版．北京：机械　工　出版社，２００２．　Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｏｆ　Ｆｕｚｚｙ　ＰＩＤ　Ｃｏｎｔｒｏｌ　ｉｎ　Ｌｉｑｕｉｄ　Ｌｅｖｅｌ　Ｃａｓｃａｄｅ　Ｃｏｎｔｒｏｌ　Ｓｙｓｔｅｍ　ＨＵＡＮＧ　Ｂｉａｏ，ＺＨＡＮＧ　Ｊｉｎｇ－ｇａｎｇ　（Ｓｃｈ０ｏｌ　ｏｆ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ　Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｔａｉｙｕａｎ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｔａｉｙｕａｎ　０３００２４，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａ　ｒｅａｌ—ｔｉｍｅ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｒａｐｉｄ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｐｒｏｔｏｔｙｐｉｎｇ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ　ｉｎ　ｗｈｉｃｈ　ｔｈｅ　ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｏｂｊｅｃｔ　ｉｓ　ａ　ｄｏｕｂｌｅ－ｗａｔｅｒ—ｔａｎｋ　ｌｉｑｕｉｄ　ｌｅｖｅｌ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｓｖｓｔｅｍ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｄＳＰＡＣＥ　ｓｉｎｇｌｅ　ｂｏａｒｄ　ｓｙｓｔｅｍ　ＤＳＩｉ０３　ｉｓ　ｄｏｎｅ．Ｔｈｅ　ｄｕａｌ－ｃｌｏｓｅｄ—ｌｏｏｐ　ｃａｓｃａｄｅ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｓｙｓｔｅｍ　ｗｈｉｃｈ　ｓｅＤａｒａｔｅｌｖ　ｕｓｅｓ　ｃｏｍｍｏｎ　ＰＩＤ　ｃｏｎｔｒ０ｌ　ａｎｄ　ｆｕｚｚｙ　ＰＩＤ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ａｓ　ｔｈｅ　ｍａｉｎ　ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ　ｆｏｒ　ｃｏｎｔｒａｓｔ，ｉｓ　ａｐｐｌｉｅｄ　ｔＯ　ｔｈｉｓ　ｓｙｓｔｅｍ．Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ　ｒｅｓｕＩｔｓ　ｓｈｏｗ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ｆｕｚｚｙ　ＰＩＤ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ａｌｇｏｒｉｔｈｍ　ｉｎ　ｌｉｑｕｉｄ　ｌｅｖｅｌ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｓｙｓｔｅｍ　ｈａｓ　ｇｅｔ　ｓｅｎｓａｔｉｏｎａｌ　ｃｏｎｔｒｏＩ　ｅｆｆｅｃｔ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｄＳＰＡＣＥ；ｌｉｑｕｉｄ　ｌｅｖｅｌ；ｆｕｚｚｙ　ＰＩＤ　ｃｏｎｔｒｏｌ