液位模糊控制系統(tǒng)設計的應用

1、液位模糊控制系統(tǒng)設計的應用Applicati on of De ign of Fuzzy Level Con trol Sy tem丁肇紅（上海應用技術學院機電分院，上海200233）摘要采用S7 - 300可編程序控制器設計了一個模糊控制器，將控制器的模糊輸出反模糊化后作為實際輸出控制調節(jié)閥的開度，使中位For personal use only in study and research; not for commercial use水箱的液位達到給定值，直接利用控制經(jīng)驗知識使得控制品質達到良好要求。關鍵詞模糊反模糊化模糊控制器模糊輸入模糊輸出Abstract A fuzzy contro

2、ller is designed by adopting S7 - 300 programmable controller. The fuzzy output of the controller is defuzzied as practical output to control valve opening and make the water level in tank to meet the set point. By using control experience and knowledge directly，excellent requirement of control qual

3、ity is reached.Keywords Fuzzification Defuzzification Fuzzy controller Fuzzy input Fuzzy output0引言傳統(tǒng)的自動控制有一個共同的特點，即控制器的 綜合設計都要建立在被控對象準確的數(shù)學模型基礎 上 : 1。但是在實際工業(yè)生產中，系統(tǒng)的影響因素往往 很多，十分復雜，而且大多數(shù)實際系統(tǒng)都是非線性的， 建立精確的數(shù)學模型特別困難?；谶@種情況，模糊 控制就顯得意義重大。因為模糊控制不用建立數(shù)學模 型，根據(jù)實際系統(tǒng)的輸入輸出結果數(shù)據(jù)，參考現(xiàn)場操作 人員的運行經(jīng)驗就可對系統(tǒng)進行實時控制。因此利用 模糊控制思想來設

4、計液位控制系統(tǒng)將更直接，更有效， 是非線性控制的一種更有力的控制手段。模糊控制技 術日趨成熟和完善23,各種模糊控制產品也充滿了 日本、西歐和美國等市場4。本文設計的自調整模糊控制器已成功應用于實際的液位控制系統(tǒng)且在運行半 年時間中取得了良好的控制效果。1液位模糊控制系統(tǒng)結構我們的過程控制實驗裝置是基于工業(yè)過程物理模 擬對象，集自動化儀表技術、計算機技術、通信技術、自 動控制技術為一體的多功能實驗裝置，包括流量、溫 度、液位、壓力等熱工參數(shù)。過程控制系統(tǒng)的被控對象 包括上位水箱、中位水箱、下位水箱，控制裝置有傳感 器、調節(jié)閥、交流變頻器、流量傳感器、調節(jié)器等。本文 所論述的液位模糊控制系統(tǒng)構造

5、如下： 被控雙容對象為上位水箱和中位水箱； 采用液位傳感器擴散硅壓力變送器感測上位水箱和中位水 箱液位，儀表變送器通電預熱后分別在零壓力和滿量 程壓力下檢查輸出電流值。在零壓力下調整零點電位 器，使輸出電流為 4mA ，在滿量程壓力下調整量程電位 器，使輸出電流為 20mA 。傳感器精度為 0.5 級。因為 二線制，故工作時需提供 24V 直流電源； 采用電 / 氣 動調節(jié)閥作為執(zhí)行機構，其輸入信號氣動為(0.020.1) MPa，電動為010、420mA (帶電/氣閥門定位 器)； 控制器的硬件選用 S7 - 300 可編程控制器。 該液位模糊控制系統(tǒng)框圖如圖 1 所示。圖1 液位模糊控制系

6、統(tǒng)框圖2 模糊控制器設計2.1 輸入設計 定義中位水箱的液位測量值與液位給定值偏差 E 作為模糊輸入，并將 E 模糊化。根據(jù)實際的液位情況 定義偏差的最小值為- 1000mm，最大值為1000mm (即 最大正負偏差為1000mm)根據(jù)隸屬函數(shù)遵循的基本原則5】設置重疊范圍為120mm ,附近模糊隸屬度函數(shù)的 范圍為 360mm ，則根據(jù)公式 重疊率=重疊范圍十附近模糊隸屬度函數(shù)為范圍 得出重疊率為 0.33，這樣的控制效果好且曲線平滑。 據(jù)此設計了 7 個模糊子集及隸屬函數(shù)負偏差非常大(Nvig)，隸屬函數(shù)為梯形(-1000, - 1000 , - 360 , - 240 );負偏差較大(N

7、mid )，隸 屬函數(shù)為三角形( - 360 ， - 240 ， - 120)； 負偏差較小 39液位模糊控制系統(tǒng)設計的應用丁肇紅(Nsmall ) ,隸屬函數(shù)為三角形( - 240 , - 120, 0)； 偏差 為零(Zero )，隸屬函數(shù)為三角形(- 120 , 0, 120);正偏差較小( Psmall) ,隸屬函數(shù)為三角形( 0, 120, 240)； 正 偏差較大( Pmid ),隸屬函數(shù)為三角形( 120, 240, 360); 正偏差非常大(Pbig )，隸屬函數(shù)為梯形(240, 360, 1000， 1000)。模糊變量 E 的隸屬函數(shù)如圖 2 所示。圖2 模糊變量 E 的隸

8、屬函數(shù)2.2 輸出設計模糊控制器的輸出是給閥門的開度u，閥門開度的變化間接控制中位水箱的液位高度。根據(jù)實際現(xiàn)場 調試中的情況可知,如果設置過多的模糊輸出子集,將 使曲線的上升 / 下降過程過于平緩,達到液位給定值的 響應時間過長?？紤]到液位控制的特性,經(jīng)過反復試 驗設計了 Open = 0% 、 Equal = 72% 和 Cpose = 100% 這 3個模糊子集，對應有 3 個隸屬度函數(shù)，這樣運行后的曲 線跟蹤性能更好，能更快速達到液位給定值。由于調 節(jié)閥采用的是氣閉閥，所以最小值為0% （全開），最大值為 100%（全關）。即： u是Open時對應0%，輸出4mA，對應調節(jié)閥的工作氣壓為

9、 0.02MPa ； u是Equal時對應72%，輸出15.52mA，對應調節(jié)閥的工作氣壓為 0.0776MPa； u是Close時對應100%，輸出20mA，對應調節(jié)閥的工作氣壓為 0.1MPa。模糊變量 u 的隸屬函數(shù)如圖 3 所示。圖3 模糊變量 u 的隸屬函數(shù)2.3 模糊控制規(guī)則確定 當偏差為正的時候，即測量值大于給定值時，要求 閥門開度變小，使中位水箱的進水量小于出水量，液位 降低；當偏差為負的時候，即測量值小于給定值時，要 求閥門開度變大，使中位水箱的進水量大于出水量，液 位下升。根據(jù)經(jīng)驗和試驗對象的控制過程知識，經(jīng)過 反復研究與實驗建立了模糊控制規(guī)則如下：若E為負偏差非常大（Nb

10、ig），則u為Open +a 1| e| ；若E為負偏差較大（Nmid ），則u為Open +a1| e| ；若E為負偏差較小（Nsmall ），則u為Open +a|e| ;若E為偏差為零（Zero ），則u為Equal ;若E 為正偏差較?。≒small ），則u為Close - a | e| ；若E為 正偏差較大（ Pmid ），則 u 為 Close - a 2| E| ； 若 E 為正偏差非常大（Pbig ），則u為Close - a 2| E| 。a因子取0.10.2之間和a 1、 a 2因子取 0.2 0.5之間都能使液位達到良好的控制效果，從而實現(xiàn)了對 模糊控制規(guī)則的自調整。3

11、 模糊控制器軟件實現(xiàn)首先進行硬件組態(tài)，然后采用 PLC 編制軟件程 序。整個程序寫在 OB1 中， OB35 模塊用于每隔 100ms 調用一次模糊控制功能程序模塊。 FC1 為模糊控制功 能程序模塊，其中包括了 FC30、FB30、FC31 這3 個程序 模塊。由 FC30 模塊對送來的偏差模糊化，送 FB30 后 根據(jù)模糊控制規(guī)則由偏差的大小算出相應的輸出信號 的大小，再送 FC31 進行反模糊化得到精確量，送模擬 輸出來控制電氣閥門的開度。將編制軟件程序下載到 PLC 中運行，設置好組態(tài) 王各參數(shù)以后運行組態(tài)王，液位會顯示在畫面中，從而 可以實現(xiàn)集中控制。如圖 4 所示，可以觀察到 4

12、次液 位測量值 PV 跟蹤液位給定值 SP 變化的運行曲線。 圖4 組態(tài)王運行系統(tǒng)曲線圖從圖 4 所示的運行曲線可以看出：四次液位測量值PV都能很好跟蹤液位給定值 SP的變化，第四次PV 穩(wěn)態(tài)值（54.95cm ）與給定值SP （55cm ）的誤差絕對值為 0.05cm ，所以偏差很小，又無超調量且響應速度也較 快，因而達到了良好的控制效果。由此能夠說明系統(tǒng) 有較強的穩(wěn)定性。實際的液位輸出能完全跟蹤給定的 液位高度，從而證實了所設計的液位自調整模糊控制 器取到了良好的控制效果。4 結束語本文突破了常規(guī) PID 的控制理念，無須建立被控 對象數(shù)學模型，直接通過 SimaticS7 對液位偏差進行

13、模 糊化處理，利用控制經(jīng)驗知識建立液位模糊控制規(guī)則， 再通過反模糊化輸出改變調節(jié)閥的開度來改變中位水 箱的液位，以達到用模糊控制方法來控制中位水箱液 （下轉第 43 頁）40自動化儀表第 26 卷第 12 期2005 年 12 月PROCESS AUTOMATION INSTRUMENTATION Vol.26 No.12 December 2005 在周期中斷子程序中將計算所得的值送到比較寄 存器，并置相應標志位。主程序則根據(jù)標志位來判斷 是否已完成一個周期的操作：標志位置1，則清標志位，調計算占空比子程序，然后進入等待狀態(tài)；否則直 接進入等待狀態(tài)。在大量實驗后，將其應用于一個 20kW 的

14、電主軸 上，其效果與實驗基本一致。4 結束語TMS320F240 的功能很強且運算速度很快，利用其 事件管理器能產生 SPWM 等各種脈寬調制信號，適用 于三相交流電機的控制。而且控制電機的算法和控制 磁懸浮系統(tǒng)的PID控制算法可合用一個 CPU，這樣能 充分發(fā)揮微機的性能，降低了磁懸浮電主軸的成本。 參考文獻1 G. 施韋策， H. 布魯勒， A. 特拉克斯勒著 . 主動磁軸承 . 虞烈，袁崇軍 譯 . 新時代出版社， 19972 陳伯時，陳敏遜 . 交流調速系統(tǒng) . 機械工業(yè)出版社， 19983 TMS320F/ C24x. DSP Controllers Reference Guide.

15、 CPU and Instruction Set.Literature Number ： SPRU160C， June 19994 TMS320F/ C240.DSP Controllers Reference Guide. Peripheral Library and Specific Devices. Literature Number ：SPRU161C， June 19995 TMS320F/ C240. TMS320F240DSP Controllers. SPRSO42D ， Revised November 1998國家高技術研究發(fā)展計劃（編號： 2001AA423310）。 修

16、改稿收到日期： 2004 - 08 - 23 。第一作者張建生，男， 1958 年生， 1993 年畢業(yè)于江蘇理工大學，獲得碩士 學位，現(xiàn)為上海大學在讀博士研究生；主要研究方面是控制理論與控制工 程。（上接第 38 頁） 設計者必須從硬件和軟件兩方面著手。硬件抗干擾設 計是整個系統(tǒng)抗干擾設計的主體，是軟件抗干擾設計 的基礎。沒有硬件電路的可靠工作，再好的抗干擾軟 件也是沒有用武之地的。3.1 硬件抗干擾措施系統(tǒng)采用抗干擾電源。供電系統(tǒng)通常會帶來過 壓、欠壓、浪涌、下陷和降出、尖峰電壓和射頻干擾等，危害 十分嚴重，所以電源的抗干擾能力必須要強； 如果應用 環(huán)境惡劣，必須考慮電磁屏蔽； 如果過程通

17、道傳輸?shù)男?號頻率過高，要考慮傳輸線上分布電容、分布電感及漏電 阻影響；印刷線路板是電源線、信號線及元器件的高度 集合體，它們在電氣上會相互影響，因此，在設計上必須 考慮電源線如何布置、地線如何布置、信號線如何分類走 線、元器件如何布置及去耦電容如何配置等問題。3.2 軟件抗干擾措施 軟件抗干擾的方法較多，由于是數(shù)據(jù)交換而不是 數(shù)據(jù)采集，所以一些常規(guī)的數(shù)據(jù)采集抗干擾方法還不 是很適用，應將其改造后再使用。常用的方法是將傳 輸、交換、讀取或寫入的數(shù)據(jù)重復一次（或幾次），讀取 或交換的數(shù)據(jù)可將后一次的結果與前一次比較，相同 則為真，不相同則再重復、再比較。也可根據(jù)需要對重 要的數(shù)據(jù)進行重點處理?？?/p>

18、之，數(shù)據(jù)交換的準確性關鍵在于硬件，如果硬件 措施得當，軟件措施可不采取，或關鍵數(shù)據(jù)進行處理。4 結束語單片機是作為專門的嵌入式應用而推出的，它開 創(chuàng)了嵌入式系統(tǒng)應用的先河。在一個系統(tǒng)中應用多個 單片機為整個系統(tǒng)設計、維護帶來了極大的方便：首先 簡化了系統(tǒng)軟硬件設計，使軟硬件設計便于模塊化，便 于多人投入、參與，縮短了產品更新、改造、升級的周 期；其次簡化了維護過程，由于一個系統(tǒng)中使用多個單 片機，構成了系統(tǒng)多點互相監(jiān)測，使得故障區(qū)域的診斷 更加迅速、準確?？傊瑢⒍鄦纹瑱C應用在一個系統(tǒng)中 其優(yōu)點是不言而喻的。參考文獻1 胡漢才編著 . 單片機原理及系統(tǒng)設計 . 清華大學出版社， 2002（ 1

19、）2 竇振中編著 . 單片機外圍器件實用手冊存儲器分冊 . 北京航空航 天大學出版社， 1998（ 4）收稿日期： 2005 - 04 - 18 。作者張念魯，男， 1960 年生， 1982 年畢業(yè)于沈陽工學院，獲得學士學位， 高級工程師，北京市高等學校電工學研究會理事；主要從事單片機教學及應 用，發(fā)表論文 10 余篇。（上接第 40 頁） 位的目的。實際運行結果也證明了模糊控制的良好控 制品質。參考文獻1 丁肇紅，袁震東 . 時變系統(tǒng)的 Laguerre 模型辨識及設計變量 1，華東師 大學報 .2002（ 4）2 P. J.King ， et. The Application of Fuzzy Control System to Industrial Processes. Automat. 1975 ，13（3 ）3 W. J. M. Kickert ， et. Application of a Fuzzy Controller in a warm wa