【模糊PID,控制水位系统分析】机械工程控制第7版答案

　　摘要： PID调节规律对建立精确数学模型控制系统是非常有效的。但对于那些具有非线性、时变不确定性的控制对象，应用传统的PID调节器就难以实现有效的控制。文中提出了利用模糊PID控制技术，对水位进行控制，以使PLC对不同模型参数的系统均具有较好的控制性能，实现对系统动静态参数的最优控制。
　　Abstract: PID regulating law is very effective for establishing a precise mathematical model control system. However, for those control objects with non-linearity, time-varying uncertainty, applying the traditional PID regulator would be difficult to achieve effective control. This paper proposed tocontrol the water level by using indistinct PID control technology, so that the PLC has better control performance on the system of different model parameters, to achieve optimal control of static and dynamic parameters of the system.
　　关键词： PLC；模糊PID；模糊控制
　　Key words: PLC；Indistinct PID；Indistinct control
　　中图分类号：TP39 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2012）25-0185-02
　　0 引言
　　对于PID控制技术，其工作稳定、可靠性高、鲁棒性强，且易于接受。但是，工业生产过程中经常遇到大时滞、强扰动、被控对象参数未知或是时变的系统，对这一类系统实施常规PID控制往往效果欠佳。本文采用模糊自适应PID设计方法，根据人们要求的水位曲线，由计算机对系统进行监控，依据模糊推理判据，实现对任何一种模型参数的系统都能自动调整其PID参数，使输出与水位曲线趋于一致，实现快速响应特性与超调量最优的统一。
　　1 模糊控制原理
　　模糊控制器是一种近年来发展起来的新型控制器，其优点是不要求掌握被控对象的精确数学模型，而根据人工规则组织决策表，且由该表决定控制量的大小。模糊控制或模糊自动控制系统是以模糊数学，即模糊集合论、模糊语言知识及模糊逻辑规则等作为理论基础；以计算机控制技术、自动控制理论作为技术基础的自动控制系统。模糊控制模仿人的思维方式，计算控制量时并不需要参数的精确量，而是以参数的模糊信息为基础，通过模糊推理得到控制量的模糊形式，然后再经过反模糊化处理输出具体的控制量。其控制方框图如下图1所示。
　　2 控制系统
　　本文的控制系统结构框图如图2所示：液灌Ⅰ中的水通过水泵注入到液灌Ⅱ中，电脑通过PLC和固态继电器使水泵工作，液灌Ⅱ中的水位随之持续上升。当液灌Ⅱ中的水达到某一百分比时，水位变送器发出的信号通过PLC在电脑中与设定值进行比较，若大于设定值，电脑通过PLC和手操器使电动调节阀开大；若小于给定值，电脑通过PLC和手操器使电动调节阀开小；若相等，说明电动调节阀出水量和进水量应相等，保持动态平衡。对温度的控制：若要使液灌Ⅱ中的温度达到某一设定值，就要在电脑上进行设定，通过测量温度变送器发出4～20mA模拟信号，该值反映了实际值的大小。若实际值小于设定值，电脑通过PLC和固态继电器使加热器工作，从而使水温上升，当实际值达到设定值时加热器停止工作。
　　其工作流程图如图3所示。
　　在“组态王6.5”软件中，工作人员只需在电脑前操作即可。用鼠标点击电脑上的按钮即可控制水泵的启动、停止，从而控制水位和温度值。在本控制系统中，共应用了温度的升降温判断程序、水位的模糊PID运算程序、滤波后水位运算程序、加热器通、断程序四个程序。下面重点介绍水位的模糊PID运算程序。
　　3 模糊PID控制的应用
　　点击“PID设置”可以看到一个小界面，如图4所示。在此界面上可以设定模糊P、I、D参数的大小。在“自动”时用此界面。在图下方有温度历史、实时曲线与水位历史、实时曲线界面的切换按钮。管理员可通过“用户登录”输入口令，这样该界面才能运行。“注销”可以停止运行该界面。“退出”可以退出该软件。
　　4 实验结果
　　系统运行后通过水位实时趋势曲线显示水位设定值和当前值（实际值），水平线为水位设定值曲线，波浪线为水位的测量值曲线，如图5所示。该图反映了通过PID算法后系统实际水位值逼近设定水位值的情况，可以看出实际值与设定值的误差较大，实际值波动较大。经过对比，采用模糊PID算法后实际值与设定值的误差较小，实际值比较稳定，如图6所示，取得了很好的控制效果。
　　5 结束语
　　本文通过控制水位，研究了模糊－PID算法的原理、结构、应用等。实践证明，采用模糊－PID算法控制器不仅具有良好的动态及稳态特性，而且对系统时延和阶次具有鲁棒性，可以实现最优化控制。
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