液位控制是工業控制中的一個重要問題，針對液位控制過程中存在大滯后、時變、非線性的特點，設計了一種參數自整定模糊PID控制器，可以在線實現PID參數的調整，使控制系統的響應速度快，超調量減少，過渡過程時間大大縮短，振蕩次數少，具有較強的魯棒性和穩定性。
1引言
液位是過程控制中的一個重要參數，它對生產的影響不容忽視。為了保證安全生產，以及產品的質量和數量，對液位進行及時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個主要問題，它在工業過程中普遍存在，具有代表性而非常典型、實用。三容水箱液位控制系統是一個過程計算機控制系統，包含循環泵、比例電磁閥、液位傳感器以及三容水柱、電磁閥控制器、I/O接口板等電氣元件。在液位控制中經常會碰到大滯后、時變、非線性的復雜系統。對于這樣的復雜系統，常規PID控制由于采用固定的參數，難以保證系統適應控制系統的參數變化和工作條件變化，液位始終有較大波動，得不到理想效果。模糊控制是建立在人工經驗基礎之上，無需知道控制對象的精確數學模型，它采用語言變量來描述系統特征，并依據系統的動態信息和模糊控制規則進行推理以獲得合適的控制量，具有對參數變化不敏感和魯棒性強等特點，但控制精度不太理想。如果將模糊控制和PID控制兩者結合起來，揚長避短，就能更好的適應控制系統的參數變化和工作條件的變化。采用參數自整定模糊PID控制系統對環境的適應能力強，在隨機的環境中可以在線調整PID控制的參數，在被控對象存在擾動情況下控制系統仍然保持良好的性能。
2 三容水箱液位的模糊控制器設計
本系統選用參數自整定模糊PID控制器，它的系統結構主要由參數可調PID和模糊控制系統兩部分構成，其結構如圖1所示：
圖 1三容水箱液位控制系統結構框圖
根據需要，模糊控制器采用二輸入三輸出的形式。該控制器是以e和△e作為輸入，以Kp、Ki、Kd作為輸出。采用模糊推理方法對PID參數Kp、Ki、Kd進行在線整定，以滿足不同的誤差e和誤差變化量△e對控制器參數的不同要求，而使被控對象具有良好的動態、靜態性能。
2.1 PID控制器參數自整定原則
針對不同的e和△e,在[5]中總結出了一套Kp、Ki、Kd的整定原則：
(1)當｜e｜較大時，應取較大的Kp和較小的Kd，以使系統響應加快，為避免出現較大的超調，對積分作用加以限制，取Ki =0；
(2)當｜e｜中等時，為使系統具有較小的超調，Kp應取得小些。此時，Kd的取值對系統的影響較大，應取得小一些，Ki的取值要適當。
(3)當｜e｜較小時，為使系統具有較好的穩定性能，應取較大的Kp和Ki，Kd的取值要恰當,以避免在平衡點附近出現振蕩。
2.3 隸屬度函數和模糊規則表的確定
將e和△e量化分別用E和△E表示,在[-6，6]之間,當e>60時,E=6;當e<-60時, E=-6；當e∈[-60,60]時,E=6e/60。當△e>1時, △E=6； 當△e<-1時, △E=-6;當△e∈[-1,1]時, △E=6(△e)。對Kp、Ki、Kd的模糊化采用單線值法。具體的隸屬度函數如圖2和圖3所示:
圖2 e和△e的隸屬度函數 圖3 Kp、Ki、Kd的隸屬度函數
根據PID參數調整原則可以得到輸出變量KP、KI、KD的控制規則如下表所示：
|
△e
KP
e |
NB |
NM |
ZO |
PM |
PB |
△e
KI
e |
NB |
NM |
ZO |
PM |
PB |
△e
KD
e |
NB |
NM |
ZO |
PM |
PB |
|
NB |
M |
B |
B |
B |
M |
NB |
Z |
Z |
Z |
Z |
Z |
NB |
S |
S |
Z |
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