液位控制系统综合实验研究范文

1基于模糊控制的PID液位控制系统

模糊PID控制工作原理如图2，是在传统PID控制器的基础上，附加上一个模糊控制器。模糊控制器根据系统的实时状态调节PID三个参数，来实现衡定液位控制。模糊控制器由三个基本环节组成，即模糊化、模糊推理、清晰化；设计模糊控制器为两个输入三个输出，其中以误差e和误差变化率ec为输入，PID制器kp，ki，kd参数调整量为输出。1）模糊化在控制系统中，实际变量e∈［－e，e］及ec∈［－ec，ec］，称为误差及误差变化率。设误差e所取的模糊集合论域为E＝｛－L，－L＋1，…，0，…，L－1，L｝，L为将［0，e］范围内连续变化的误差进行离散化后形成的档数。将［0，e］中的每一个值与E中档数相对应，每个误差值是论域E中的元素。以实验数据为依据，确定误差及其变化率的范围都为［－6，6］；将模糊器的两个输入e，ec以及三个输出Kp、Ki和Kd均映射为模糊论域内为负大，负中、负小、零、正小、正中、正大七个语言值，表示为｛NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB｝。2）模糊推理根据模糊推理的思路［5］，实验建立模糊规则表，e和ec每个输入对应7个语言值，则Kp、Ki和Kd每个输出所对应的模糊关系总数为R1～R49，Kp的模糊规则表见表1，Ki和Kd输出规则表与此类似［4］。可将模糊推理看成是三个二维输入一维输出系统。对于单个一维输出系统，总模糊关系R＝R1∪R2∪…∪R49，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。3）清晰化模糊推理得到的结果是U一个模糊集合，但实际应用中，必须要用一个确定的值才能控制被控过程。清晰化也就是解模糊的过程，清晰化计算所要完成的任务包括两部分：一是将模糊的控制量经过解模糊变成表示在论域范围的清晰量；二是将表示在论域内的清晰量经尺度变换变成实际控制量。清晰化的方法有最大隶属度法、中位数法和加权平均法。模糊器正是根据以上的原理和方法，借助于计算机将模糊PID控制器的系统偏差e和偏差变化率模糊化处理得到模糊量E和EC；再根据实际控制要求建立模糊控制规则Ri；模糊推理得到输出Kp、Ki和Kd，并对其进行清晰化后输出给PID控制器得到输出Ui，最后将输出Ui变成实际控制量实现控制目的。

2实验设计

1）将计算机输出电压，即实验装置上“调节输出”端口数据送至变频器2和5端口，正极连2，负极连5；并将STF与SD短接，旨在实现电机反转。2）在计算机软件界面上设置响应输出采用周期为1sec，波形显示周期为5sec。3）在界面上，选择“模糊控制”作为控制规律，设定模糊精确化系数为2，液位控制的给定值为70mm。打开各模块电源开关使系统投入运行，系统运行直到系统进入近似稳定状态结果如图3所示。4）选择“PID控制”为实际控制规律，设各PID参数Kp、Ki和Kd，用试凑法完成参数整定，打开电源开关使系统投入运行，系统运行直到系统进入近似稳定状态，结果见图4。对比响应曲线，单容水箱系统运行过程中模糊PID控制器和数字PID控制响应曲线基本相似，系统都可很快达到稳定并且稳定状态下稳态误差始终存在。

3结语

模糊PID控制借助于模糊理论实现PID参数的自整定和优化，避免了人工PID参数整定的繁琐工作，可以使PID参数的整定结果达到最优。浙江天煌科技实业有限公司生产的THKGK－1型过程控制实验装置能完成一个单容水箱液位控制的模糊控制PID实验，实验结果证明模糊控制算法能够像人工整定的数字PID一样实现单容水箱液位的有效控制，但实际模糊控制是优于数字PID控制的。实验的缺点是由于单容水箱的被控对象比较简单，模糊控制的优越性不能够充分发挥，如果对于大滞后，非线性的复杂系统，模糊控制的优越性可以被充分体现［6～10］，后续实验可以进一步验证。

作者：彭燕 单位：渭南师范学院物理与电气工程学院