摘   要： 針對液位過程控制系統(tǒng)具有非線性、滯后、耦合、參數(shù)時變等特點，提出了模糊自適應PID控制策略,給出了設計思路及實現(xiàn)方案。
關鍵詞： PC-based控制  模糊自適應PID  液位過控系統(tǒng)

　　液位控制是自來水廠、化肥廠、鍋爐廠、煉鐵廠水處理等系統(tǒng)的重要環(huán)節(jié)，它直接影響到產(chǎn)品質量及經(jīng)濟效益。但這些系統(tǒng)普遍存在著非線性、參數(shù)時變、耦合、隨機干擾、數(shù)學模型難以建立等特點，采用傳統(tǒng)的PID或單一的控制方法難以滿足現(xiàn)場控制性能的要求。本文所介紹的是在北方工業(yè)大學研制出的基于現(xiàn)場總線的過程控制實踐系統(tǒng)上，針對液位控制的特點，采用基于PC-based自動化解決方案提出的模糊自適應PID控制策略。它利用模糊推理的方法實現(xiàn)PID參數(shù)的在線自整定，使系統(tǒng)具有一定的魯棒性和自適應性。
1  系統(tǒng)結構設計
　　本系統(tǒng)由主站層、從站層和現(xiàn)場層組成，如圖1所示。

　　主站層采用基于PC-based的自動化解決方案和現(xiàn)場總線Profibus-DP通信結構，由PC上位機、現(xiàn)場總線Profibus-DP接口卡、PC-based工控軟件平臺、FIX32監(jiān)控軟件平臺等組成。可采用VC++、VB、Java和軟PLC的IL、ST、FBD、LD、SFC等多種語言進行復雜的程序設計。其功能是：實施先進的智能控制策略；完成Profibus-DP初始化；自動識別與診斷從站；監(jiān)測與檢測從站的組態(tài)；通信參數(shù)設定；控制算法實施；實時數(shù)據(jù)交換及送出控制量等功能。
　　從站層選用國外的智能化控制模塊，由CPU、內置Profibus-DP接口的總線耦合器、6路4～20mA模擬量輸入模塊、4路4～20mA模擬量輸出模塊、6路開關量輸入模塊、6路開關量輸出模塊等組成。通過現(xiàn)場總線Profibus-DP與主站進行通信及數(shù)據(jù)交換；自動識別與之相連的I/O模塊，并在處理器的映象區(qū)中生成輸入與輸出隊列；完成接收主站控制量，并將控制量送給對象的執(zhí)行機構；采集現(xiàn)場過程值送入主站運算，以及實時控制等功能。
　　現(xiàn)場層是過程對象系統(tǒng)，由儲水槽、液位水槽、溫度小鍋爐、壓力、液位、溫度、流量變送器及電動調節(jié)閥等組成，其功能是接收從站的控制量并將現(xiàn)場檢測的液位信號送入從站控制器，實現(xiàn)液位的閉環(huán)控制系統(tǒng)。
2  控制系統(tǒng)設計
2.1 控制系統(tǒng)組成
　　針對液位過程系統(tǒng)的非線性、滯后、耦合、參數(shù)時變等特點，系統(tǒng)控制方案采用串級控制，充分利用副回路響應速度快、克服擾動能力強等優(yōu)點；系統(tǒng)控制策略采用模糊自適應PID控制算法(液位2主控制器)，即根據(jù)不同時刻的誤差e和誤差變化率ec的輸入；根據(jù)經(jīng)驗總結出模糊控制規(guī)則，在線調節(jié)模糊控制規(guī)則與KP、KI、KD等參數(shù)，再根據(jù)PID控制算法計算出的輸出控制量Uk2作為液位1副控制器的外給定；液位1副控制器采用數(shù)字PID控制算法，計算出輸出控制量Uk1來控制電動調節(jié)閥的開度，從而調節(jié)水槽液位的高低，確保下水槽液位2主被控量的控制質量。
　　控制系統(tǒng)方塊圖如圖2所示，其中RH2為系統(tǒng)主被控量YH2的給定；YH1（副被控量）為上水槽液位輸出量；YH2(主被控量)為下水槽液位輸出量；YH1為液位1的反饋量；YH2為液位2的反饋量；Uk2為液位2主控制器輸出的控制量；Uk1為液位1副控制器輸出的控制量。

2.2 控制器設計
2.2.1 數(shù)字PID控制器及參數(shù)整定依據(jù)
　　數(shù)字增量式PID控制算法表達式為：

　　數(shù)字PID控制算法中的KP、KI、KD對系統(tǒng)的穩(wěn)定性、快速性和準確性有很大的影響，根據(jù)各參數(shù)起的作用不同，PID參數(shù)自整定的依據(jù)是：(1)當|e|較大時，應取較大的KP、較小的KD和較小的KI，以加快系統(tǒng)的快速性，防止超調過大和積分飽和。(2)當|e|和|ec|中大時，應取適中的KP、較小的KI和較小的KD，以減小系統(tǒng)超調，減小系統(tǒng)的誤差。(3)當|e|較小時，應取適當大的KP和KI、取適中的KD，以保證系統(tǒng)具有較好的穩(wěn)態(tài)精度、響應速度和抗干擾能力。
2.2.2 智能控制器設計
　　主控制器(液位2控制器)采用模糊自適應PID控制策略，以液位的誤差e和誤差變化率ec作為輸入變量，以KP、KI、KD參數(shù)作為輸出變量。模糊子集為E=EC={NB，NS，ZE，PS，PB}={負大，負小，零，正小，正大}；KP=KI=KD={NB，NS，ZE，PS，PB}；其論域為e=ec={-2，-1，0，1，2}，KP=KI=KD={-2，-1，0，1，2}。為減少在線的計算量和在線調整適應性的要求，輸入變量和輸出變量的隸屬度函數(shù)選擇為三角形。
　　模糊控制規(guī)則采用if……then語句表達形式。根據(jù)經(jīng)驗歸納法總結出KP、KI、KD的參數(shù)整定控制規(guī)則，如表1、表2和表3所示。

　?。?）if E is NB and EC is NB  then KP1 is PB，KI1 is ZE，KD1 is PS；
　?。?）if E is NB and EC is NS  then KP2 is PS，KI2 is PS，KD2 is NB；

　?。?5）if E is PB and EC is PB  then KP25 is NB，KI25 is ZE，KD25 is PB。
　　將上述模糊規(guī)則進行推理與合成運算分別得到對應KPj、KIj、KDj加權值的μKPj(E，EC)、μKIj（E，EC）、μKDj（E，EC）隸屬度。解模糊采用加權平均法，得到清晰化KP、KI、KD參數(shù)代入PID控制算法中，計算出主控制器的輸出控制量Uk2，實現(xiàn)PID的在線調整。
3  系統(tǒng)運行與調試結果
　　主站層PC上位機的工控軟件平臺上采用VB語言進行控制程序設計。包括主、副控制器的主程序及中斷服務程序，通過現(xiàn)場總線Profibus-DP下載到從站層的智能化控制模塊的CPU總線耦合器中，實施模糊自適應PID控制策略、在線調節(jié)PID參數(shù)；通過數(shù)字PID控制算法、輸出控制量對電動調節(jié)閥進行實時調節(jié)等功能；通過DDE將VB與上位監(jiān)控軟件FIX32連接，完成人機界面的參數(shù)設定與修改、動畫連接、趨勢顯示、故障報警、打印等功能。
　　系統(tǒng)主被控量液位給定值為60mm，啟動水泵并運行系統(tǒng)。從上位機的歷史趨勢中看出：系統(tǒng)主被控量YH2的調節(jié)時間為110s；系統(tǒng)無超調量，控制精度在±2%以內。系統(tǒng)穩(wěn)定后加了隨機擾動，能及時克服掉擾動，使系統(tǒng)獲得了較好的動態(tài)與穩(wěn)態(tài)性能。圖3為系統(tǒng)加擾動的輸出特性圖。

　　實踐證明，對于具有非線性、滯后、耦合、參數(shù)時變等特點的液位過程控制系統(tǒng)，選擇模糊自適應PID控制策略是一種較好的方案，能滿足系統(tǒng)穩(wěn)定性、快速性和準確性的要求，易于實現(xiàn)系統(tǒng)的優(yōu)化控制與自適應控制。
參考文獻
1   陶永華.新型PID控制及其應用.北京：機械工業(yè)出版社，2002
2   諸靜.模糊控制原理與應用.北京：機械工業(yè)出版社，2003
3   王樹清.工業(yè)過程控制工程.北京：化學工業(yè)出版社，2003