文章编号: 1003-2843(2010)06-1040-05
第36卷第6期
西南民族大学学报·自然科学版
Nov.2010
基于虚拟仪器的模糊PID控制算法的双容液位控制
系统实现
杨洪, 古世甫
(西华大学电气信息学院, 四川成都 610039)
摘 要：研究了一种可实现模糊PID控制的双容液位控制系统, 此系统利用XLPC-III过程控制实验装置和虚拟仪器实现了PID控制器参数的在线自整定和直观实验效果, 同时又增强系统的抗扰能力, 从而改变了传统双溶液位控制中的非线性、参数时变、工控机作为下位机特点, 降低了传统双容液位控制系统开发难度、缩减了系统开发时间. 实验对液位从70mm上升到125mm稳定范围进行分析, 结果表明, 此系统具有良好的动态品质. 关键词：模糊PID; 双容液位控制系统; XLPC-III过程控制装置; 虚拟仪器 中图分类号: TB114.2 文献标志码: A
1 引言
双容水箱液位控制作为过程控制的典型代表, 是众多过程控制专家研究的热点之一, 由于其自身存在滞后、非线性特性及控制比较复杂的特点, 系统状态, 系统参数和控制算法均会直接影响控制精度, 经典的PID控制显然难以达到比较好的控制效果；而模糊控制作为经典的控制方法[1], 因此只要设计合理便能达到满意的控制效果, 本文就是将模糊PID控制应用在双容液位控制中的一种实用的控制系统.
2 系统实现
“过程控制”是现代工业自动化的一个重要领域. 它在石油、化工、电力、冶金、轻工、建材、核能等连续型工业生产中, 在实现生产过程、提高生产质量与劳动生产率、改善劳动
条件、保护生态环境、优化各种技术经济指标等方面起着越来越大的作用.
研究双容液位控制系统是利用上海齐鑫自动化设备有限公司开发的XLPC-III过程控制实验装置和虚拟仪器构建可实现模糊PID控制的过程控制系统, 此系统改变了传统双溶液位控制中的非线性、参数时变、工控机作为下位机特点, 同时降低了传统双容液位控制系统开发难度、缩减了系统开发时间. 系统的实现分为硬件构建和软件实现两部分. 2.1 硬件实现
系统采用变频水泵将水抽到高压水塔, 对双容水箱供水, 水从电磁流量计流入、经电动执行阀流进水箱1, 经水箱之间的联通阀流进水箱2. 双容水箱控制结构示意图如图1所示： 2.2 数据采集与控制
实验装置的数据采集与控制主要由NI公司的PC机控制PXI模块PXI-6221、PXI-8196嵌入式控制器、组合机箱PXI-1042Q、数据采集卡PXI-6221、信号调理模块SCB-68组成[2-3]. ___________________________
收稿日期：2010-10-14 作者简介：杨洪(1972-), 男, 四川射洪人, 西华大学电气信息学院讲师, 研究方向: 设备故障诊断; 智能控制技术及应用; 嵌入式技
术研究与应用.
1041第6期 控制算法的双容液位控制系统实现 杨洪, 等: 基于虚拟仪器的模糊PID ___________________________________________________________________
图1 双容水箱控制结构图 图2 控制流程图
数据采集是将水箱2上方液位变送器输出的电流信号输入到IV转换板, 电流信号通过SCB—68调理模块
输入到PXI-6221采集卡, 再输入到PXI-8196, 经控制算法程序处理, 得到控制量U. 控制是将控制量U经PXI-6221, 由SCB-68将控制量输入到执行机构(电动执行阀)控制入水流量. 数据采集、控制流程图图2： 2.3 系统软件
2.3.1 软件开发平台 LABVIEW
软件开发平台 LABVIEW 开发环境由前面板和流程图组成, 前面板是用于人机交互的图形用户接口, 流程图主要由前面板上控件的图标、函数图标和连线组成.
整个系统软件分为几个子程序：数据采集、控制算法、文件存储、数据显示[4-5]. 系统的上位机界面采用LabVIEW软件设计, 模糊PID算法通过Matlab语言实现. 2.3.2 数据采集 LABVIEW
数据采集是LabVIEW的核心技术之一. 本文利用Measurement&Automation Explorer (MAX)进行采集卡配置, 采用有参考地单端测量方式, 对数据进行采集. 信号采集程序如图3所示：
图3 信号采集程序 图4 自整定模糊PID控制结构图
2.3.3 MATLAB软件与LabVIEW接口
MATLAB软件是通过MATLAB Script节点方式与LabVIEW进行接口. MATLAB Script节点位于Mathematics子模板Formula子选项中. 2.4 模糊PID控制算法实现
由常规PID控制部分和模糊推理的参数校正部分两部分组成模糊PID控制器. 模糊PID控制器结构如图4： 模糊自整定PID是以PID算法为基础, 控制过程中, 计算当前系统误差e及误差变化率ec, 利用模糊规则进行模糊推理, 查询模糊矩阵表并进行参数调整[6].
模糊控制PID设计的核心是建立模糊规则表, KP、KI、KD三个参数整定的模糊规则表见表1, 表2, 表3.
表1 KP的模糊规则表
de/dt NB NM NS ZO PS PM PB
e
NB NM NS ZO PS PM PBPB PB PM PM PS ZO ZOPB PB PM PS PS ZO NSPM PM PM PS ZO NS NSPM PM PS ZO NS NM NMPS PS ZO NS NS NM NMPS ZO NS NM NM NM NBZO ZO NM NM NM NB NB
de/dtNBNMNSZOPS PMPB
NBNBNBNBNMNMZOZO
表2 KI的模糊规则表 NMNBNBNMNMNSZOZO
e
NS ZO PS PMNM NM NS ZONM NS NS ZONS NS ZO PSNS ZO PS PMZO PS PS PMPS PS PM PBPS PM PM PB
PBZOZOPSPMPBPBPB ___________________________________________________________________1042 西南民族大学学报·自然科学版 第 36 卷 表3 KD的模糊控制规则表
e
de/dt
NB NM NS ZO PS PM PB
NB
NM NS ZO PS PM PB
PS PS ZO ZO ZO PB PB
NS NS NS NS ZO NS PM
NB NB NM NS ZO PS PM
NB NM NM NS ZO PS PM
NB NM NS NS ZO PS PS
NM NS NS NS ZO PS PS
PS ZO ZO ZO ZO PB PB
KP, KI, KD的模糊控制规则表建立好后, 根据如下方法进行KP, KI, KD的自适应校正.
将系统误差e和误差变化率ec变化范围定义为模糊集上的论域
e,ec={-5,-4,-3,-2,-1,0,1,2,3,4,5}.
其模糊子集为：e,ec={NB,NM,NS,O,PS,PM,PB},子集中元素分别代表负大、负中、负小、零、正小、正中、正大. 假设e,ec和KP, KI, KD均服从正态分布, 可得出模糊子集的隶属度. 根据各模糊子集的隶属度赋值表和各参数模糊控制模型, 应用模糊合成推理设计PID参数的模糊矩阵表, 查出修正参数带入下式
KP=KP’+{e1,ec1}P, KI=KI’+{e1,ec1}i, KD=KD’+{e1,ec1}d.
3 实验分析
3.1 软件系统界面
系统运行前面板如图5.
图5 系统运行前面板
3.2 运行结果分析
系统通过神经网络学习的道德调节参数作为初始值, 设定阀门开度为30%时, 设定液位从70mm上升到125mm, 运行结果如下图6、图7、图8、图9所示：
1043第6期 控制算法的双容液位控制系统实现 杨洪, 等: 基于虚拟仪器的模糊PID ___________________________________________________________________ 图6 30%开度模糊PID输出 图7 30%开度模糊PID控制Kp曲线
图8 30%开度模糊PID控制Ki曲线 图9 30%开度模糊PID控制Kd曲线
阀门开度30%模糊PID系统指标见表4：
表4 阀门开度30%模糊PID性能指标
KP KI KD
上升时间 峰值时间 调整时间 超调量 稳态误差
0.075 0.46 0.9 30 35 55 8% 5
设定阀门开度为40%时, 采用相同的设定方法, 得到相应的曲线如图10、图11、图12、图13所示.
图10 40%开度模糊PID输出 图11 40%开度模糊PID控制Kp曲线
图12 40%开度模糊PID控制Ki曲线 图13 40%开度模糊PID控制Kd曲线
阀门开度40%模糊PID系统指标见下表5：
表5 阀门开度40%模糊PID性能指标
KP KI KD
上升时间 峰值时间 调整时间 超调量 稳态误差
0.28 0.47 0.6 40 45 90 5% 2
通过以上验证, 可见本系统的稳定性、快速性、抗干扰性均很好. 整个系统运行正常稳定, 整套系统可以容易的移植到工业现场和应用于相似的控制环节.
___________________________________________________________________1044 西南民族大学学报·自然科学版 第 36 卷 4 结论
本文利用上海齐鑫自动化设备有限公司开发的QXLPC-III过程控制装置和NI公司的虚拟仪器构建过程控制系统, 对其中的双容液位进行模糊PID控制, 缩短了整个控制系统的开发时间, 减少了开发难度, 实现了模糊PID控制算法在控制系统中的应用, 并具有很好的控制效果. 该控制系统的构建方法既可用于教学实践, 也可用于涉及双容液位控制的工业现场的技术开发.
参考文献：
[1] 侯涛, 董海鹰. 基于THJ-3型的二容水箱模糊控制器设计与实验研究[J]. 兰州交通大学学报, 2005, 24(6): 107-109. [2] 杨乐平, 李海涛, 赵勇, 等. LabV IEW高级程序设计[M]. 北京: 清华大学出版社, 2004.
[3] 林梅金, 罗飞, 李如雄. 模糊PID控制器在火电厂主汽温控制中的应用[J]. 中国动力工程学报, 2005(1): 124-128.
Realization of fuzzy PID control algorithm for a two-tank liquid-level control system
based on virtual instrument
YANG Hong, GU Shi-fu
(School of Electrical and Information Engineering, Xihua University, Chengdu 610039, P.R.C.)
Abstract：This paper studies a Two-Tank Liquid-level Control System using fuzzy PID algorithm. This system realizes the on-line self-adjusting of PID control parameters and visual experiment results. At the same time the anti-interference of the system is improved. As a result, it changes the non-linearity in controlling of the traditional two-tank liquid-level system, time-varying parameters, the characteristics of Industrial Personal Computer as lower computer, reduces the difficulties of developing traditional two-tank liquid-level system, and shortens the developing time of the system. Through experiments on stability range of liquid level from 70mm to 125mm, the experimental results show that the system has excellent dynamic quality.
Key words：fuzzy PID; two-tank liquid-level system; XLPC-III process; virtual instrument
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