模糊PID控制在液位串级控制系统中的应用

第５期（总第１７４期）

２０１２年１０月机械工程与自动化

ＭＥＣＨＡＮＩＣＡＬ　ＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧ　＆　ＡＵＴＯＭＡＴＩＯＮＮｏ．５

Ｏｃｔ．

文章编号：１６７２－６４１３（２０１２）０５－０１５０－０

３模糊ＰＩＤ控制在液位串级控制系统中的应用

黄　彪，张井岗

（太原科技大学电子信息工程学院，山西　太原　０３００２４

）摘要：以ＤＳ１１０３单板系统为实验平台，以双容水箱液位控制系统为研究对象，利用ｄＳＰＡＣＥ开发系统进行快速控制原型的半实物仿真实验。该系统采用双闭环串级控制，主控制器采用常规ＰＩＤ控制和模糊ＰＩＤ控制算法进行对比研究，实验表明模糊ＰＩＤ控制算法在液位控制系统中可以获得非常好的控制效果。关键词：ｄＳＰＡＣＥ；水箱液位；模糊ＰＩＤ控制

中图分类号：ＴＰ２７３＋

．４ 文献标识码：Ａ

收稿日期：２０１２－０３－０３；修回日期：２０１２－０４－２

５作者简介：黄彪（１９８６－）

，男，山东临沂人，在读硕士研究生，研究方向为控制理论与控制工程。０　引言

由于水箱液位系统具有非线性、大迟滞性、时变性等特点，因此常规ＰＩＤ控制系统受到控制器参数固定的局限，使得ＰＩＤ控制难以保证系统适应工作条件的

变化。文献［１］设计了一种在线自整定的模糊ＰＩＤ控制器，并针对水箱的数学模型进行了数字仿真，结果表明模糊ＰＩＤ控制算法可以在液位控制系统中取得很

好的控制效果，但结果只限于数字仿真，并没有进行实际实验。文献［２］通过ＭＣＧＳ（Ｍｏｎｉｔｏｒ　ａｎｄ　

ＣｏｎｔｒｏｌＧｅｎｅｒａｔｅｄ　Ｓｙｓｔｅｍ，监视与控制通用系统）组态软件实现了水箱串级液位控制的ＰＩＤ控制算法、

模糊控制算法、模糊ＰＩＤ控制算法的仿真和调试实验的对比研究，证明了模糊ＰＩＤ控制算法既具有模糊控制的良好动态性能，又具有ＰＩＤ控制较好的静态性能，在参数选取合适的情况下可以获得满意的控制性能，但是其

监控界面需要通过用户手动编写。从文献［３］、［４］中也可以看出，一些比较先进的控制理论在实际操作过程中经常会受到硬件条件或者工作量大等的限制而难

以在工业实际中进行实验及调试。德国ｄＳＰＡＣＥ公司推出的ｄＳＰＡＣＥ集成开发平台为解决这一问题提供了很大的方便。

１　ｄＳＰＡＣＥ简介

ｄＳＰＡＣＥ（ｄｉｇｉｔａｌ　Ｓｉｇｎａｌ　Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ　

ａｎｄ　ＣｏｎｔｒｏｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ）系统可以分为硬件和软件两部分。ＤＳ１１０３ＰＰＣ控制板是ｄＳＰＡＣＥ公司推出的单板系

统，其功能强大，Ｉ／Ｏ接口丰富，

齐全的硬件配置是控制器开发非常得力的工具。软件主要包括代码生成和下载软件ＲＴＩ（Ｒｅａｌ－Ｔｉｍｅ　

Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ）及测试软件ＣｏｎｔｒｏｌＤｅｓｋ两部分。其中，ＲＴＩ可以实现从Ｓｉｍｕ－

ｌｉｎｋ仿真模型建立到ｄＳＰＡＣＥ实时代码的无缝自动下载；ＣｏｎｔｒｏｌＤｅｓｋ综合实验环境可以用拖放的方式轻松生成虚拟仪表，并且可以在控制中跟踪实时曲线，在线调整参数。

２　水箱液位控制系统２．１　水箱液位串级控制系统

系统选用串级控制方式，以改善控制过程系统的动态性能，双闭环结构可以增强控制系统的抗干扰能力。水箱液位控制系统结构框图如图１所示。

图１　水箱液位串级控制系统结构框图

系统包含两个反馈回路：液位传感器２对下水箱的液位进行实时测量，与给定值比较后作为主调节器的偏差信号，主调节器控制下水箱的液位高度；液位传感器１对上水箱的液位进行实时测量，反馈的数据与主调节器的输出比较后作为副调节器的输入，副调节器的输出作为电磁阀的驱动信号，从而达到控制下水箱液位高度的目的。

２．２　基于ｄＳＰＡＣＥ的液位控制系统

用ｄＳＰＡＣＥ建立的水箱液位实时控制平台功能示意图如图２所示，其中ＤＳ１１０３ＭＵＸ＿ＡＤＣ＿ＣＯＮ１是板卡集成的模／数转换模块，检测的是液位传感器的１Ｖ～５Ｖ电压信号。ＤＳ１１０３ＤＡＣ＿Ｃ３是板卡数／模转换模块，输出电压范围是±１０Ｖ，

但是电动调节阀