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案例详细

标题

基于参数自整定模糊PID的三容水箱液位控制

技术领域

行业

石油天然气

简介

液位控制是工业控制中的一个重要问题，针对液位控制过程中存在大滞后、时变、非线性的特点，设计了一种参数自整定模糊PID控制器，可以在线实现PID参数的调整，使控制系统的响应速度快，超调量减少，过渡过程时间大大缩短，振荡次数少，具有较强的鲁棒性和稳定性。

内容

1引言

液位是过程控制中的一个重要参数，它对生产的影响不容忽视。为了保证安全生产，以及产品的质量和数量，对液位进行及时有效的控制是非常必要的。水箱液位控制是液位控制中的一个主要问题，它在工业过程中普遍存在，具有代表性而非常典型、实用。三容水箱液位控制系统是一个过程计算机控制系统，包含循环泵、比例电磁阀、液位传感器以及三容水柱、电磁阀控制器、I/O接口板等电气元件。在液位控制中经常会碰到大滞后、时变、非线性的复杂系统。对于这样的复杂系统，常规PID控制由于采用固定的参数，难以保证系统适应控制系统的参数变化和工作条件变化，液位始终有较大波动，得不到理想效果。模糊控制是建立在人工经验基础之上，无需知道控制对象的精确数学模型，它采用语言变量来描述系统特征，并依据系统的动态信息和模糊控制规则进行推理以获得合适的控制量，具有对参数变化不敏感和鲁棒性强等特点，但控制精度不太理想。如果将模糊控制和PID控制两者结合起来，扬长避短，就能更好的适应控制系统的参数变化和工作条件的变化。采用参数自整定模糊PID控制系统对环境的适应能力强，在随机的环境中可以在线调整PID控制的参数，在被控对象存在扰动情况下控制系统仍然保持良好的性能。

2 三容水箱液位的模糊控制器设计

本系统选用参数自整定模糊PID控制器，它的系统结构主要由参数可调PID和模糊控制系统两部分构成，其结构如图1所示：

图 1三容水箱液位控制系统结构框图

根据需要，模糊控制器采用二输入三输出的形式。该控制器是以e和△e作为输入，以Kp、Ki、Kd作为输出。采用模糊推理方法对PID参数Kp、Ki、Kd进行在线整定，以满足不同的误差e和误差变化量△e对控制器参数的不同要求，而使被控对象具有良好的动态、静态性能。

2.1 PID控制器参数自整定原则

针对不同的e和△e,在[5]中总结出了一套Kp、Ki、Kd的整定原则：

(1)当｜e｜较大时，应取较大的Kp和较小的Kd，以使系统响应加快，为避免出现较大的超调，对积分作用加以限制，取Ki =0；

(2)当｜e｜中等时，为使系统具有较小的超调，Kp应取得小些。此时，Kd的取值对系统的影响较大，应取得小一些，Ki的取值要适当。

(3)当｜e｜较小时，为使系统具有较好的稳定性能，应取较大的Kp和Ki，Kd的取值要恰当,以避免在平衡点附近出现振荡。

2.3 隶属度函数和模糊规则表的确定

将e和△e量化分别用E和△E表示,在[-6，6]之间,当e>60时,E=6;当e<-60时, E=-6；当e∈[-60,60]时,E=6e/60。当△e>1时, △E=6；当△e<-1时, △E=-6;当△e∈[-1,1]时, △E=6(△e)。对Kp、Ki、Kd的模糊化采用单线值法。具体的隶属度函数如图2和图3所示:

图2 e和△e的隶属度函数图3 Kp、Ki、Kd的隶属度函数

根据PID参数调整原则可以得到输出变量KP、KI、KD的控制规则如下表所示：

△e