基于模糊PID的液位控制系统仿真实验.pdf

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1、2015年7月渭南师范学院学报July2015第30卷第14期Joum~ofWeinanNorm~Unive~ityV0I．3ONo．14【现代应用技术研究】基于模糊PID的液位控制系统仿真实验彭燕(渭南师范学院物理与电气工程学院，陕西渭南714099)摘要：液位控制是过程控制实验教学的主要环节，采用自适应模糊PID算法设计了一个串级双容水箱控制系统；模糊控制器主要模块包含模糊化、模糊逻辑推理和清晰化过程；编写了49条模糊规则和输人输出的隶属度函数。用模糊系统编辑器实现了一个双入三出的模糊PID控制器．在SIMULINK中对模

2、糊PID控制器建立了自适应液位控制系统的仿真模型，采用了试凑法对PID参数进行整定并对系统仿真，从仿真结果的动静态性能看，采用模糊PID的系统要优越于常规PID，能够对液位实现快速准确的控制．关键词：模糊PID；液位控制系统；串级控制系统；仿真实验中图分类号：TP183文献标志码：A文章编号：1009—5128(2015)14—0048—04收稿日期：2015—02—05基金项目：渭南师范学院特色学科建设项目：电气工程与秦东工业(14TSXK07)作者简介：彭燕(1984一)，女，陕西凤县人，渭南师范学院物理与电气工程学院讲师

3、，工学硕士，主要从事电气工程与自动控制研究．液位是工业过程控制中常见的参数，具有大滞后、出水阀口的非线性等特点，在工业中各个领域都有广泛的应用．工业生产的很多领域[1]，都需要对控制对象进行液位控制。使液位高精度地保持在给定的数值．如化工精馏塔中要保持液位恒定，否则会引起生产故障；玻璃窑炉生产中保证液位的恒定是为了延长窑炉的使用寿命并保证产品质量．本文以浙江天煌科技实业有限公司开发的THKGK一1型过程控制实验装置为模型，设计模糊控制器和控制规律，以两水箱液位在020cm变化的范围内稳定给定液位值为控制目标，保证工程上对控制系

4、统稳、准、快的要求，且使系统的稳态误差始终不超过5mm．实验建立水箱数学模型，采用MATLAB建立系统仿真模型，仿真并分析实验结果．1液位控制系统被控对象双水箱结构如图1所示，设上水箱的进水量为Q，出水量为Q，水箱的液面高度为H。，出水阀固定于某一开度，下水箱进水量为Q，，出水量为Q，水箱的液面高度为，v4固定于某一开度，以上水箱作为被控对象．对THKGK一1型过程控制实验装置上、下水箱建模得：G)=，G：㈤=．实验装置中上、下两水箱组成了典型的串级控制系统．2模糊PID控制器的设计根据模糊PID控制器工作原理，通过计算系统误

5、差与误差变化率，利用模糊规则进行推理，针对比例系数增量Ak。、积分系数增量Ak和微分系数增量△Ij}分别进行整定，系统如图2所示．该模糊PID控图1双容水箱结构图2015年第14期彭燕：基于模糊PID的液位控制系统仿真实验·49·制器以偏差e和偏差变化率ec为控制输入，比例系数增量△、积分系数增量△

6、i}和微分系数增量△为输出量，模糊算法调节PI。参数．确定误差量化因子为=可6误差率量化因子为=6各个控，，制量的比例因子为Ji}=去，选择隶属度函数为三角形．IMmI图2模糊PID控制示意图2．1模糊化确定误差e和误差变化率ec

7、，比例系数增量△。、积分系数增量Ak、微分系数增量△基本论域范围均为[一6，6]，基本论域中的量都是精确量．用误差量e乘k，将e从基本论域转化到模糊集的论域E；用ec乘k将ee从基本论域转化为模糊论域EC．同理将Ak，／tk和Ak转化到模糊论域．计算机采样得到一个误差值设为e(n)，对其量化后找到模糊论域内的元素与之对应，将基本论域上e(n)变换成模糊集的论域上的E(n)．定义误差e，误差变化率ec，比例系数增量△积分系数增量Ak、微分系数增量△的模糊语言集合为{NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB}，选择他们的隶属度函数

8、为三角形．编辑各个隶属度函数，将各模糊论域映射到模糊语言集合．2．2模糊推理模糊推理总结为：根据模糊输入和模糊规则，模糊推理求解模糊关系方程，获得模糊输出．模糊规则的选择根据工程人员的调试经验，一般来说，偏差比较大时，希望系统调节参数中对控制上升时间的参数处于主导地位，偏差较小时，调节超调量的参数占优．根据控制规律，模糊规则如：ifeisNBandecisNB．thenAkisPB，ZikisNBandAkdisNS．／tk的模糊规则表见表1，Ak和△d输出规则表与此类似]，采用p模糊规则编辑器编辑各模糊规则．模糊推理看成是三

9、个二维输入一维输出的系统，对于单个系统总模糊关系R=R。uRu⋯uR鹕，对于每个模糊关系为R=E×EC×U，U为模糊输出量．应用模糊推理合成规则，输出语言变量论域上的模糊子集为：U=(E×EC)。R．表1K的模糊规则表2．3清晰化模糊推理得到的模糊值，不能直接用于控制被控对象