一种改进的PID控制算法在水箱液位控制中的应用

2014-12-07童晨风

中国科技纵横 2014年3期

关键词：丽水控制算法模糊控制

童晨风

(丽水学院,浙江丽水 311719)

一种改进的PID控制算法在水箱液位控制中的应用

童晨风

(丽水学院,浙江丽水 311719)

改革开放以来我国社会经济和工业现代化得到了稳步发展,在很多工业过程中液位控制得到了越来越多的使用。传统的水箱液位PID控制算法虽然有很多的优点同时有很多的缺点,已经无法满足很多的高质量、严要求的控制工程。本文提出一种改进的PID控制算法—模糊PID 控制算法—它能够很好的减小超调量,加快相应的时间,过渡过程平稳而且具有很强的适应能力。

水箱液位控制模糊PID 控制算法 labview软件

1 引言

在我国工业现代化发展的过程中，液位控制在日常的生产中发挥着越来越重要的作用，逐渐成为过程控制中常见的控制类型。一般液位控制系统具有非线性程度比较高，延时时间长等特点，因此很难建立非常准确的控制模型。传统PID控制算法具有控制精度比较高、响应时间短等优点，但是它的抗干扰能力比较差，使用过程中容易会被影响而产生震荡。模糊控制算法具有控制效果好平稳能力强等诸多优点，但是它的控制精度不够有较大的稳态误差存在，现在结合他们各自的优点设计模糊PID控制系统。

2 模糊PID控制算法的设计

图1 水箱液位模糊控制算法的系统结构图

图2 偏差e的模糊隶属度函数

图3 偏差变化率Ec的隶属度函数

表1

图4

2.1 水箱液位控制系统的设计

本文设计的单容水箱控制系统基于labview设计，水箱底部有压力传感器，利用labview的数据采集功能求出传感器电压—液位的系数(传感器电压与液位线性关系)，知道系数后就可以通过电压知道液位高度，之后对PID参数进行设定便可以对某一具体液位进行PID控制。

2.2 模糊PID控制算法的控制原理

水箱液位模糊控制算法的系统结构图如下图2所示：

如上图所示，液位的给定值为 Xr，而液位的实际值为y，在水箱液位模糊控制算法系统中液位的偏差用字母e表示，以液位偏差的变化用eθ来表示同时我们用$Kp、$Ki、$Kd等字母来表示输出的量。我们使用模糊数学原理进行相关的推理计算，对模糊PID参数Kp、Ki、Kd进行关的整定，来满足系统的各项要求指标，从而使水箱保持静态和动态的平衡。Kp、Ki、Kd在模糊PID控制算法中的确定的原则如下：如果当|e|的值非常大的时候，此时应当取比较小的Kd和比较大的Kp值，从而使系统达到响应速度加快，调节时间变短等要求，同时为了防止出现很大的超调量 θ，因此必须对积分作用进行相关的限制，此时一般取Ki的值为0；当|e|相对很小的时候，为了使系统拥有很好的稳定性，此时应当减小Ki的取值而增加Kp的取值，并且Kd的取值要比较的恰当，从而防止平衡点附近出现振荡现象；当|e|处于比较中等的位置时，为了使水箱液位控制系统超调量比较的小，此时Kd的取值范围对系统的影响较大，因此要大小适中，达到保证控制系统的响应速度快的特点，而且Ki的取值要适中，Kp的值应取得比较小些，从而最终确定Kp、Ki、Kd的值。

下面介绍模糊液位控制中三个参数的计算公式，如下式：

在上面的(1)(2)(3)式中Kpr、Kir和Kdr为提前的设定值。

2.3 确定相关的隶属度函数以及规则表

由上面的分析，将我们将偏差变化率$e和偏差e用EC和E模糊化表示，E和EC的模糊域都设定为[-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5，6]。$Kp、$Ki、$Kd的模糊论域取为[-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5，6]。E和EC的模糊子集均为{NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB}，E和EC的模糊子集的值分别用来表示差-，合格-，良好-，优秀-，优秀+，良好+，合格+，差+。具体的隶属度我们用图2，3表示：

相关的模糊控制表如表1所示：

$Kp的模糊控制表$Kd的模糊控制表$Ki的模糊控制表

根据上面的三个控制表分析从而确定Kp、Ki和Kd的值。