单容水箱液位模糊控制系统的设计与研究

杨 杰，齐向东

（太原科技大学 电子信息工程学院，山西 太原 030024）

0 引言

液位是工业生产过程中的四大热工参数之一，因此，液位控制已成为工业生产中研究的重要课题［1］。传统的液位控制系统大多采用常规PID控制，由于常规PID控制器结构简单，使用方便，被广泛使用［2－6］，但常规PID在系统参数、工作环境发生改变时控制效果较差，且液位控制系统对稳定性和快速性要求较高，这样不依赖数学模型的模糊控制给这类问题的解决带来了新思路［7］。

本文基于VB开发环境设计了一个采用模糊控制方法的液位控制系统，主要包括硬件系统搭建和软件开发设计。以THSA－I型过程控制综合自动化控制系统实验平台为研究平台，采用该平台的计算机作为直接控制器，通过数据采集模块实现计算机和传感器或执行器之间的数据转换，通过设计模糊控制器，在VB开发环境实现液位控制。实验分别采用常规闭环PID控制和模糊控制对单容水箱液位进行控制，并对比控制效果，验证了模糊控制在单容水箱液位控制上的优越性。

1 单容液位过程模糊控制器设计

1．1 确定模糊控制器的结构

根据单容液位过程控制的特点和控制要求，模糊控制器选用二维结构，如图1所示。系统给定r，以液位的偏差e和液位偏差的变化ec为输入变量，经过量化后得到E、EC，然后经过控制表得到控制量的数字量UC，经过去模糊化z－1得到输出量u，控制液位过程。其中k1、k2、k3是对应变化中的比例系数。

图1 离散控制器结构框图

1．2 确定输入输出变量的基本论域

在单容液位控制系统中，液位的给定值为Sp，由液位传感器测量并变化的水位值为PV，则可以得到水位偏差E和水位偏差的变化EC为：

将E（k）和EC（k）作为液位控制器的输入量，输出量u为执行器电动调节阀的开度。根据实验情况，考虑到传感器的偏差，确定输入和输出的论域，要求液位偏差E的范围为［－15，＋15］，偏差变化EC的范围为［－0．1，＋0．1］。液位控制量为输出变量u（即电动阀的开度），它的范围为0%～100%，相应的控制信号为4mA～20mA。

1．3 定义模糊子集及隶属函数

在本设计中，输入变量E的模糊子集为 ｛负大，负中，负小，零，正小，正中，正大｝、EC的模糊子集为｛负大，负中，负小，零，正小，正中，正大｝；输出控制量u的模糊子集为｛负大，负中，负小，零，正小，正中，正大｝。

1．4 建立模糊控制规则表

当偏差为负大时，若偏差变化为负，这时偏差有减小的趋势，为尽快地消除已有的负大偏差并抑制偏差变大，因此，控制量的变化取负大；当偏差为负中时，控制量的变化应该使偏差尽快消除，基于该原则，控制量的变化选取与偏差为负大时相同；若偏差变化为正时，系统本身有消除负小偏差的趋势，选取控制量变化为正小即可。根据上述选取控制量变化的原则就可以确定单容液位模糊控制器的控制规则表，如表1所示。

表1 控制规则表（u）

2 液位控制系统的实现

2．1 硬件系统组成

本设计系统是在 “THSA－1型过程控制综合自动化控制系统实验平台”上搭建起来的，由实验控制对象、实验控制台及上位监控PC机3部分组成。“THSA－1型过程控制综合自动化控制系统实验平台”是一套集自动化仪表技术、计算机技术、通讯技术、自动控制技术及现场总线技术为一体的多功能实验设备。液位控制系统组成框图如图2所示。

图2 液位控制系统组成框图

通过标度转化，将液位高度信号转化为1V～5V的电压信号，由ICP7017采集传送给计算机，计算机调用相应的算法计算后，将控制信号再次经过标度转化变换成4mA～20mA信号，由ICP7024传送给电动调节阀，最终通过控制阀门的开度达到控制液位高度的目的。

2．2 软件设计及实现

目前，液位过程控制主要采用PID控制，本文为验证模糊控制器的优良性，在VB开发环境下，先设计闭环PID控制窗口，然后同模糊控制对比控制效果。闭环PID控制界面及控制效果如图3所示。

模糊控制测试窗口包含以下功能：①可以设置采样周期与液位设定值；②有启动和停止功能；③能够显示水箱的液位实时曲线；④可以设置模糊控制器量化因子和比例因子。模糊控制测试窗口如图4所示。

3 实验数据分析

为了达到更好的控制效果，需要改变模糊控制器中的输入量化因子和输出比例因子。根据分析输入输出论域的变化及所设置的液位设定值将偏差量化因子Ke设为0．8。然后通过实验比较和对水箱的实际观察，决定偏差变化量化因子Kec的取值为60。

图3 闭环PID测试窗口

图4 模糊控制测试窗口

通过对比闭环PID控制和模糊控制两组实验的实验结果，分析两种控制的优劣。将两组控制液位曲线在同一坐标下进行比较，如图5所示。

图5 PID与模糊控制比较图

从图5中可以看出，在相同的条件下，比例微分PD控制有较大超调，有震荡，但反应速度较比例积分PI的速度要快；虽然比例积分PI反应速度较慢，但动态品质较好且能消除静态偏差。模糊控制没有超调，且上升速度和稳定速度都是最快的，但存在静态偏差，由于传感器有误差，因此测量值有震荡。总之，可以看出模糊控制方法对单容水箱液位的控制效果要比常规闭环PID控制的效果更好，提高了控制系统的快速性，保证了系统的稳定性，达到了较好的控制效果，符合单容水箱液位控制的要求。

4 结论

本文针对传统工业单容水箱液位控制过程中存在的稳定性差、响应慢等问题，提出了一种模糊控制方法对液位进行控制，并设计了单容液位控制系统。在相同实验条件下，采用传统方法与本文提出的方法分别对单容液位进行控制，通过实验验证了本文采用的模糊控制与闭环PID控制的效果相比，稳定性更好、响应速度更快，对液位控制的控制性能明显提高。

［1］ 欣斯基．过程控制系统［M］．萧德云，吕伯明，译．北京：清华大学出版社，2004．

［2］ 杨国安．数字控制系统：分析、设计与实现［M］．西安：西安交通大学出版社，2008．

［3］ 魏巍，陈虎，赵贵，等．水箱液位控制系统建模与其PID控制器设计［J］．中国科技信息，2008（10）：31－32．

［4］ 张玲霞，李学军，李杰．基于组态王的液位控制系统仿真实验［J］．长春大学学报，2010（4）：61－64．

［5］ 任俊杰，李红星，李嫒．基于PLC和组态王的过程控制实验系统［J］．实验室研究与探索，2010（5）：16－18．

［6］ 匡芬芳．OPC技术在液位控制中的应用［J］．自动化仪表，2011（6）：46－49．

［7］ 宋春宁，李荣军．三容液位实验装置模糊控制的实现［J］．自动化与仪表，2011（7）：28－31．