液位控制系統綜合實驗研究范文

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1基于模糊控制的PID液位控制系統

模糊PID控制工作原理如圖2，是在傳統PID控制器的基礎上，附加上一個模糊控制器。模糊控制器根據系統的實時狀態調節PID三個參數，來實現衡定液位控制。模糊控制器由三個基本環節組成，即模糊化、模糊推理、清晰化；設計模糊控制器為兩個輸入三個輸出，其中以誤差e和誤差變化率ec為輸入，PID制器kp，ki，kd參數調整量為輸出。1）模糊化在控制系統中，實際變量e∈［－e，e］及ec∈［－ec，ec］，稱為誤差及誤差變化率。設誤差e所取的模糊集合論域為E＝｛－L，－L＋1，…，0，…，L－1，L｝，L為將［0，e］范圍內連續變化的誤差進行離散化后形成的檔數。將［0，e］中的每一個值與E中檔數相對應，每個誤差值是論域E中的元素。以實驗數據為依據，確定誤差及其變化率的范圍都為［－6，6］；將模糊器的兩個輸入e，ec以及三個輸出Kp、Ki和Kd均映射為模糊論域內為負大，負中、負小、零、正小、正中、正大七個語言值，表示為｛NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB｝。2）模糊推理根據模糊推理的思路［5］，實驗建立模糊規則表，e和ec每個輸入對應7個語言值，則Kp、Ki和Kd每個輸出所對應的模糊關系總數為R1～R49，Kp的模糊規則表見表1，Ki和Kd輸出規則表與此類似［4］。可將模糊推理看成是三個二維輸入一維輸出系統。對于單個一維輸出系統，總模糊關系R＝R1∪R2∪…∪R49，每個模糊關系為R＝E×EC×U，U為模糊輸出量。應用模糊推理合成規則，輸出語言變量論域上的模糊子集為U＝（E×EC）R。3）清晰化模糊推理得到的結果是U一個模糊集合，但實際應用中，必須要用一個確定的值才能控制被控過程。清晰化也就是解模糊的過程，清晰化計算所要完成的任務包括兩部分：一是將模糊的控制量經過解模糊變成表示在論域范圍的清晰量；二是將表示在論域內的清晰量經尺度變換變成實際控制量。清晰化的方法有最大隸屬度法、中位數法和加權平均法。模糊器正是根據以上的原理和方法，借助于計算機將模糊PID控制器的系統偏差e和偏差變化率模糊化處理得到模糊量E和EC；再根據實際控制要求建立模糊控制規則Ri；模糊推理得到輸出Kp、Ki和Kd，并對其進行清晰化后輸出給PID控制器得到輸出Ui，最后將輸出Ui變成實際控制量實現控制目的。

2實驗設計

1）將計算機輸出電壓，即實驗裝置上“調節輸出”端口數據送至變頻器2和5端口，正極連2，負極連5；并將STF與SD短接，旨在實現電機反轉。2）在計算機軟件界面上設置響應輸出采用周期為1sec，波形顯示周期為5sec。3）在界面上，選擇“模糊控制”作為控制規律，設定模糊精確化系數為2，液位控制的給定值為70mm。打開各模塊電源開關使系統投入運行，系統運行直到系統進入近似穩定狀態結果如圖3所示。4）選擇“PID控制”為實際控制規律，設各PID參數Kp、Ki和Kd，用試湊法完成參數整定，打開電源開關使系統投入運行，系統運行直到系統進入近似穩定狀態，結果見圖4。對比響應曲線，單容水箱系統運行過程中模糊PID控制器和數字PID控制響應曲線基本相似，系統都可很快達到穩定并且穩定狀態下穩態誤差始終存在。

3結語

模糊PID控制借助于模糊理論實現PID參數的自整定和優化，避免了人工PID參數整定的繁瑣工作，可以使PID參數的整定結果達到最優。浙江天煌科技實業有限公司生產的THKGK－1型過程控制實驗裝置能完成一個單容水箱液位控制的模糊控制PID實驗，實驗結果證明模糊控制算法能夠像人工整定的數字PID一樣實現單容水箱液位的有效控制，但實際模糊控制是優于數字PID控制的。實驗的缺點是由于單容水箱的被控對象比較簡單，模糊控制的優越性不能夠充分發揮，如果對于大滯后，非線性的復雜系統，模糊控制的優越性可以被充分體現［6～10］，后續實驗可以進一步驗證。

作者：彭燕 單位：渭南師范學院物理與電氣工程學院