摘 要： 針對液位過程控制系統具有非線性、滯后、耦合、參數時變等特點，提出了模糊自適應PID控制策略,給出了設計思路及實現方案。
關鍵詞： PC-based控制 模糊自適應PID 液位過控系統
液位控制是自來水廠、化肥廠、鍋爐廠、煉鐵廠水處理等系統的重要環節，它直接影響到產品質量及經濟效益。但這些系統普遍存在著非線性、參數時變、耦合、隨機干擾、數學模型難以建立等特點，采用傳統的PID或單一的控制方法難以滿足現場控制性能的要求。本文所介紹的是在北方工業大學研制出的基于現場總線的過程控制實踐系統上，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PID參數的在線自整定，使系統具有一定的魯棒性和自適應性。
1 系統結構設計
本系統由主站層、從站層和現場層組成，如圖1所示。
主站層采用基于PC-based的自動化解決方案和現場總線Profibus-DP通信結構，由PC上位機、現場總線Profibus-DP接口卡、PC-based工控軟件平臺、FIX32監控軟件平臺等組成?？刹捎肰C++、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；監測與檢測從站的組態；通信參數設定；控制算法實施；實時數據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。通過現場總線Profibus-DP與主站進行通信及數據交換；自動識別與之相連的I/O模塊，并在處理器的映象區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行機構；采集現場過程值送入主站運算，以及實時控制等功能。
現場層是過程對象系統，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閥等組成，其功能是接收從站的控制量并將現場檢測的液位信號送入從站控制器，實現液位的閉環控制系統。
2 控制系統設計
2.1 控制系統組成
針對液位過程系統的非線性、滯后、耦合、參數時變等特點，系統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點；系統控制策略采用模糊自適應PID控制算法(液位2主控制器)，即根據不同時刻的誤差e和誤差變化率ec的輸入；根據經驗總結出模糊控制規則，在線調節模糊控制規則與KP、KI、KD等參數，再根據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副控制器采用數字PID控制算法，計算出輸出控制量Uk1來控制電動調節閥的開度，從而調節水槽液位的高低，確保下水槽液位2主被控量的控制質量。
控制系統方塊圖如圖2所示，其中RH2為系統主被控量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 數字PID控制器及參數整定依據
數字增量式PID控制算法表達式為：
數字PID控制算法中的KP、KI、KD對系統的穩定性、快速性和準確性有很大的影響，根據各參數起的作用不同，PID參數自整定的依據是：(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，以減小系統超調，減小系統的誤差。(3)當|e|較小時，應取適當大的KP和KI、取適中的KD，以保證系統具有較好的穩態精度、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選擇為三角形。
模糊控制規則采用if……then語句表達形式。根據經驗歸納法總結出KP、KI、KD的參數整定控制規則，如表1、表2和表3所示。
（1）if E is NB and EC is NB then KP1 is PB，KI1 is ZE，KD1 is PS；
（2）if E is NB and EC is NS then KP2 is PS，KI2 is PS，KD2 is NB；
（25）if E is PB and EC is PB then KP25 is NB，KI25 is ZE，KD25 is PB。
將上述模糊規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參數代入PID控制算法中，計算出主控制器的輸出控制量Uk2，實現PID的在線調整。
3 系統運行與調試結果
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PID參數；通過數字PID控制算法、輸出控制量對電動調節閥進行實時調節等功能；通過DDE將VB與上位監控軟件FIX32連接，完成人機界面的參數設定與修改、動畫連接、趨勢顯示、故障報警、打印等功能。
系統主被控量液位給定值為60mm，啟動水泵并運行系統。從上位機的歷史趨勢中看出：系統主被控量YH2的調節時間為110s；系統無超調量，控制精度在±2%以內。系統穩定后加了隨機擾動，能及時克服掉擾動，使系統獲得了較好的動態與穩態性能。圖3為系統加擾動的輸出特性圖。
實踐證明，對于具有非線性、滯后、耦合、參數時變等特點的液位過程控制系統，選擇模糊自適應PID控制策略是一種較好的方案，能滿足系統穩定性、快速性和準確性的要求，易于實現系統的優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：機械工業出版社，2002
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