摘   要： 针对液位过程控制系统具有非线性、滞后、耦合、参数时变等特点，提出了模糊自适应PID控制策略,给出了设计思路及实现方案。
关键词： PC-based控制  模糊自适应PID  液位过控系统

　　液位控制是自来水厂、化肥厂、锅炉厂、炼铁厂水处理等系统的重要环节，它直接影响到产品质量及经济效益。但这些系统普遍存在着非线性、参数时变、耦合、随机干扰、数学模型难以建立等特点，采用传统的PID或单一的控制方法难以满足现场控制性能的要求。本文所介绍的是在北方工业大学研制出的基于现场总线的过程控制实践系统上，针对液位控制的特点，采用基于PC-based自动化解决方案提出的模糊自适应PID控制策略。它利用模糊推理的方法实现PID参数的在线自整定，使系统具有一定的鲁棒性和自适应性。
1  系统结构设计
　　本系统由主站层、从站层和现场层组成，如图1所示。

　　主站层采用基于PC-based的自动化解决方案和现场总线Profibus-DP通信结构，由PC上位机、现场总线Profibus-DP接口卡、PC-based工控软件平台、FIX32监控软件平台等组成。可采用VC++、VB、Java和软PLC的IL、ST、FBD、LD、SFC等多种语言进行复杂的程序设计。其功能是：实施先进的智能控制策略；完成Profibus-DP初始化；自动识别与诊断从站；监测与检测从站的组态；通信参数设定；控制算法实施；实时数据交换及送出控制量等功能。
　　从站层选用国外的智能化控制模块，由CPU、内置Profibus-DP接口的总线耦合器、6路4～20mA模拟量输入模块、4路4～20mA模拟量输出模块、6路开关量输入模块、6路开关量输出模块等组成。通过现场总线Profibus-DP与主站进行通信及数据交换；自动识别与之相连的I/O模块，并在处理器的映象区中生成输入与输出队列；完成接收主站控制量，并将控制量送给对象的执行机构；采集现场过程值送入主站运算，以及实时控制等功能。
　　现场层是过程对象系统，由储水槽、液位水槽、温度小锅炉、压力、液位、温度、流量变送器及电动调节阀等组成，其功能是接收从站的控制量并将现场检测的液位信号送入从站控制器，实现液位的闭环控制系统。
2  控制系统设计
2.1 控制系统组成
　　针对液位过程系统的非线性、滞后、耦合、参数时变等特点，系统控制方案采用串级控制，充分利用副回路响应速度快、克服扰动能力强等优点；系统控制策略采用模糊自适应PID控制算法(液位2主控制器)，即根据不同时刻的误差e和误差变化率ec的输入；根据经验总结出模糊控制规则，在线调节模糊控制规则与KP、KI、KD等参数，再根据PID控制算法计算出的输出控制量Uk2作为液位1副控制器的外给定；液位1副控制器采用数字PID控制算法，计算出输出控制量Uk1来控制电动调节阀的开度，从而调节水槽液位的高低，确保下水槽液位2主被控量的控制质量。
　　控制系统方块图如图2所示，其中RH2为系统主被控量YH2的给定；YH1（副被控量）为上水槽液位输出量；YH2(主被控量)为下水槽液位输出量；YH1为液位1的反馈量；YH2为液位2的反馈量；Uk2为液位2主控制器输出的控制量；Uk1为液位1副控制器输出的控制量。

2.2 控制器设计
2.2.1 数字PID控制器及参数整定依据
　　数字增量式PID控制算法表达式为：

　　数字PID控制算法中的KP、KI、KD对系统的稳定性、快速性和准确性有很大的影响，根据各参数起的作用不同，PID参数自整定的依据是：(1)当|e|较大时，应取较大的KP、较小的KD和较小的KI，以加快系统的快速性，防止超调过大和积分饱和。(2)当|e|和|ec|中大时，应取适中的KP、较小的KI和较小的KD，以减小系统超调，减小系统的误差。(3)当|e|较小时，应取适当大的KP和KI、取适中的KD，以保证系统具有较好的稳态精度、响应速度和抗干扰能力。
2.2.2 智能控制器设计
　　主控制器(液位2控制器)采用模糊自适应PID控制策略，以液位的误差e和误差变化率ec作为输入变量，以KP、KI、KD参数作为输出变量。模糊子集为E=EC={NB，NS，ZE，PS，PB}={负大，负小，零，正小，正大}；KP=KI=KD={NB，NS，ZE，PS，PB}；其论域为e=ec={-2，-1，0，1，2}，KP=KI=KD={-2，-1，0，1，2}。为减少在线的计算量和在线调整适应性的要求，输入变量和输出变量的隶属度函数选择为三角形。
　　模糊控制规则采用if……then语句表达形式。根据经验归纳法总结出KP、KI、KD的参数整定控制规则，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。
　　将上述模糊规则进行推理与合成运算分别得到对应KPj、KIj、KDj加权值的μKPj(E，EC)、μKIj（E，EC）、μKDj（E，EC）隶属度。解模糊采用加权平均法，得到清晰化KP、KI、KD参数代入PID控制算法中，计算出主控制器的输出控制量Uk2，实现PID的在线调整。
3  系统运行与调试结果
　　主站层PC上位机的工控软件平台上采用VB语言进行控制程序设计。包括主、副控制器的主程序及中断服务程序，通过现场总线Profibus-DP下载到从站层的智能化控制模块的CPU总线耦合器中，实施模糊自适应PID控制策略、在线调节PID参数；通过数字PID控制算法、输出控制量对电动调节阀进行实时调节等功能；通过DDE将VB与上位监控软件FIX32连接，完成人机界面的参数设定与修改、动画连接、趋势显示、故障报警、打印等功能。
　　系统主被控量液位给定值为60mm，启动水泵并运行系统。从上位机的历史趋势中看出：系统主被控量YH2的调节时间为110s；系统无超调量，控制精度在±2%以内。系统稳定后加了随机扰动，能及时克服掉扰动，使系统获得了较好的动态与稳态性能。图3为系统加扰动的输出特性图。

　　实践证明，对于具有非线性、滞后、耦合、参数时变等特点的液位过程控制系统，选择模糊自适应PID控制策略是一种较好的方案，能满足系统稳定性、快速性和准确性的要求，易于实现系统的优化控制与自适应控制。
参考文献
1   陶永华.新型PID控制及其应用.北京：机械工业出版社，2002
2   诸静.模糊控制原理与应用.北京：机械工业出版社，2003
3   王树清.工业过程控制工程.北京：化学工业出版社，2003