一種改進的PID控制算法在水箱液位控制中的應用

童晨風

(麗水學院,浙江麗水 311719)

一種改進的PID控制算法在水箱液位控制中的應用

童晨風

(麗水學院,浙江麗水 311719)

改革開放以來我國社會經濟和工業現代化得到了穩步發展,在很多工業過程中液位控制得到了越來越多的使用。傳統的水箱液位PID控制算法雖然有很多的優點同時有很多的缺點,已經無法滿足很多的高質量、嚴要求的控制工程。本文提出一種改進的PID控制算法—模糊PID 控制算法—它能夠很好的減小超調量,加快相應的時間,過渡過程平穩而且具有很強的適應能力。

水箱液位控制 模糊PID 控制算法 labview軟件

1 引言

在我國工業現代化發展的過程中，液位控制在日常的生產中發揮著越來越重要的作用，逐漸成為過程控制中常見的控制類型。一般液位控制系統具有非線性程度比較高，延時時間長等特點，因此很難建立非常準確的控制模型。傳統PID控制算法具有控制精度比較高、響應時間短等優點，但是它的抗干擾能力比較差，使用過程中容易會被影響而產生震蕩。模糊控制算法具有控制效果好平穩能力強等諸多優點，但是它的控制精度不夠有較大的穩態誤差存在，現在結合他們各自的優點設計模糊PID控制系統。

2 模糊PID控制算法的設計

圖1 水箱液位模糊控制算法的系統結構圖

圖2 偏差e的模糊隸屬度函數

圖3 偏差變化率Ec的隸屬度函數

表1

圖4

2.1 水箱液位控制系統的設計

本文設計的單容水箱控制系統基于labview設計，水箱底部有壓力傳感器，利用labview的數據采集功能求出傳感器電壓—液位的系數(傳感器電壓與液位線性關系)，知道系數后就可以通過電壓知道液位高度，之后對PID參數進行設定便可以對某一具體液位進行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統結構圖如下圖2所示：

如上圖所示，液位的給定值為 Xr，而液位的實際值為y，在水箱液位模糊控制算法系統中液位的偏差用字母e表示，以液位偏差的變化用eθ來表示同時我們用$Kp、$Ki、$Kd等字母來表示輸出的量。我們使用模糊數學原理進行相關的推理計算，對模糊PID參數Kp、Ki、Kd進行關的整定，來滿足系統的各項要求指標，從而使水箱保持靜態和動態的平衡。Kp、Ki、Kd在模糊PID控制算法中的確定的原則如下：如果當|e|的值非常大的時候，此時應當取比較小的Kd和比較大的Kp值，從而使系統達到響應速度加快，調節時間變短等要求，同時為了防止出現很大的超調量 θ，因此必須對積分作用進行相關的限制，此時一般取Ki的值為0；當|e|相對很小的時候，為了使系統擁有很好的穩定性，此時應當減小Ki的取值而增加Kp的取值，并且Kd的取值要比較的恰當，從而防止平衡點附近出現振蕩現象；當|e|處于比較中等的位置時，為了使水箱液位控制系統超調量比較的小，此時Kd的取值范圍對系統的影響較大，因此要大小適中，達到保證控制系統的響應速度快的特點，而且Ki的取值要適中，Kp的值應取得比較小些，從而最終確定Kp、Ki、Kd的值。

下面介紹模糊液位控制中三個參數的計算公式，如下式：

在上面的(1)(2)(3)式中Kpr、Kir和Kdr為提前的設定值。

2.3 確定相關的隸屬度函數以及規則表

由上面的分析，將我們將偏差變化率$e和偏差e用EC和E模糊化表示，E和EC的模糊域都設定為[-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5，6]。$Kp、$Ki、$Kd的模糊論域取為[-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5，6]。E和EC的模糊子集均為{NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB}，E和EC的模糊子集的值分別用來表示差-，合格-，良好-，優秀-，優秀+，良好+，合格+，差+。具體的隸屬度我們用圖2，3表示：

相關的模糊控制表如表1所示：

$Kp的模糊控制表$Kd的模糊控制表$Ki的模糊控制表

根據上面的三個控制表分析從而確定Kp、Ki和Kd的值。

3 實驗模擬和結果分析

利用labview軟件分別對傳統PID控制、模糊控制和本文論述的模糊PID控制系統進行仿真。結果如圖4所示。

從圖中可以看出模糊PID控制比其它兩種控制方法抗干擾能力強，超調量小、恢復時間更短，控制的精確度以及相關的動態性能也更加優秀。

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