一種基於CompactLogix的模糊自整定PID的液位控制方法與流程
2023-10-19 15:58:03
本發明屬於自動控制、自動調節技術領域，具體涉及一種基於CompactLogix的模糊自整定PID的液位控制方法。
背景技術：
液位控制技術在自動化控制、自動調節系統領域有著不可替代的位置，涉及煉油、發電、化工、冶金、醫藥、造紙和輕工等工業部門，對國民經濟的發展起著十分重要的作用。比如，鍋爐的汽包水位控制，一旦液位過低，會使鍋爐的溫度過高而發生安全事故；供水單位的供水，如果水位過低，達不到供水的標準，對於百姓的吃水、用水會產生極大影響。總之，為確保生產的安全性和穩定性，就必須不斷開發先進的液位控制技術和控制策略。
液位控制具有非線性、強耦合、大滯後、數學模型難確立等特點，使得採用常規PID控制會由於參數整定困難產生超調量大、響應速度慢、控制不穩定等問題，常規的PID控制策略已愈加不能滿足工業生產的需求。由此，尋求一種適用於液位控制的PID參數自整定方法對提高液位控制的快速性、魯棒性有著重要的意義。
技術實現要素：
本發明的目的是提供一種基於CompactLogix的模糊自整定PID的液位控制方法，解決了現有常規PID控制參數整定困難、效率低下及難以達到最佳控制效果的問題。
本發明所採用的技術方案是，一種基於CompactLogix的模糊自整定PID的液位控制方法，具體按照以下步驟實施：
步驟1：對實際液位信號y進行採樣、濾波、整定和量化，然後計算設定液位信號yd與實際液位信號y間的偏差e及偏差變化率ec；
步驟2：將步驟1處理後的信號作為模糊控制器的輸入量，進行模糊化、模糊推理及清晰化處理，最後得到模糊控制器的輸出量ΔKp、ΔKi、ΔKd，其中，ΔKp、ΔKi、ΔKd分別為PID調節器比例增益Kp的增量、積分增益Ki的增量和微分增益Kd的增量；
步驟3：結合常規PID控制器設置的初始基準值，從而得到PID控制器的三個參數，再由PID調節器運算公式，計算控制輸出，然後作用於被控對象。
本發明的特點還在於：
偏差e為：e＝yd-y。
偏差變化率ec為：ec＝de/dt。
步驟2具體為：
步驟2.1：確定模糊控制器的輸入、輸出變量的論域；
步驟2.2：模糊化，即將精確的輸入變量轉化為模糊量，具體為：
假設精確的輸入變量x的實際變化範圍為[a,b]，將精確的輸入變量x轉換為離散論域[c,d]之間的值y：
其中，x表示輸入變量，即e及ec；y表示輸入變量x經過模糊化處理後所對應的模糊量；a、b分別表示輸入變量x的下限與上限，c、d分別表示輸入變量x經過模糊化處理後所對應輸入論域的下限與上限；
如果計算出來的y值不是整數，按四捨五入的辦法把它歸入最接近的整數，這樣就把連續量變換為離散論域中的有限整數值；
步驟2.3：定義模糊集合及其隸屬度函數，其中，輸入變量的模糊集合e＝{NB,NM,NS,ZO,PS,PM,PB}，ec＝{NB,NM,NS,ZO,PS,PM,PB}，輸出變量的模糊集合ΔKm＝{NB,NM,NS,ZO,PS,PM,PB}，m＝p,i,d；
步驟2.4：建立模糊控制規律表，
ΔKp的模糊規則表如表1：
表1ΔKp的模糊規則表
ΔKi的模糊規則表如表2：
表2ΔKi的模糊規則表
ΔKd的模糊規則表如表3：
表3ΔKd的模糊規則表
步驟2.5：採用重心法對模糊控制器的輸出值進行清晰化處理，具體為：
其中，zi表示第i個精確的輸入變量，i＝1…n，z0表示控制輸出的清晰化量，μc(zi)表示輸出模糊集合中的元素zi對應的隸屬度函數；
步驟2.6：在Matlab環境下，利用模糊邏輯工具箱的圖形用戶界面建立模糊推理系統；按照步驟2.1-步驟2.5生成ΔKp、ΔKi、ΔKd的模糊控制查詢表，並將查詢表存儲在CompactLogix控制器的內存中。
步驟3具體為：
步驟3.1：結合常規PID控制器設置的基準值，得到PID控制器的三個參數：
Kp＝Kp0+ΔKp
Ki＝Ki0+ΔKi
Kd＝Kd0+ΔKd
其中，Kp0,Ki0,Kd0表示常規PID控制器設置的基準值；
步驟3.2：根據PID調節器運算公式，計算控制輸出u(t)：
然後作用於被控對象。
本發明的有益效果是：本發明一種基於CompactLogix的模糊自整定PID的液位控制方法，是一種變ΔKp、ΔKi、ΔKd的模糊PID自整定算法，它克服了變Kp、Ki、Kd模糊自整定算法對其參數選擇盲目性，又兼顧常規PID和模糊控制兩種方法的優點，對控制液位精度高、魯棒性好、參數易整定，可滿足更高的控制要求；同時在對象模型結構發生較大改變的情況下也能獲得較好的控制效果。本發明將模糊自整定PID方法應用到水位控制算法上，將預先生成的查詢表存儲在CompactLogix的內存中，當進行實時控制時，便於CompactLogix的CPU根據輸入信息從控制表查詢所對應的控制輸出量，節省計算時間，大大提高效率。與傳統的PID相比較，模糊自整定PID方法對於水位控制魯棒性更強、控制精度更高、快速性更好、參數更易整定。
附圖說明
圖1是本發明液位控制方法的控制結構示意圖；
圖2是本發明液位控制方法在PLC實現的具體流程圖。
具體實施方式
下面結合附圖和具體實施方式對本發明進行詳細說明。
本發明一種基於CompactLogix的模糊自整定PID的液位控制方法，控制結構如圖1所示，對實際液位信號y進行採樣、濾波、整定和量化，然後計算設定液位信號yd與實際液位信號y間的偏差e及偏差變化率ec；將e和ec作為模糊控制器的輸入變量，對輸入變量進行模糊化、模糊推理、清晰化處理，得到模糊控制器的輸出量ΔKp、ΔKi、ΔKd，結合常規PID控制器設置的初始基準值可得到PID控制器的三個參數，最後由PID調節器運算公式計算出控制信號，作用於被控對象。
本發明一種基於CompactLogix的模糊自整定PID的液位控制方法，具體按照以下步驟實施：
步驟1：對實際液位信號y進行採樣、濾波、整定和量化，然後計算設定液位信號yd與實際液位信號y間的偏差e及偏差變化率ec；
偏差e為：e＝yd-y。
偏差變化率ec為：ec＝de/dt。
步驟2：將步驟1處理後的信號作為模糊控制器的輸入量，進行模糊化、模糊推理及清晰化處理，最後得到模糊控制器的輸出量ΔKp、ΔKi、ΔKd，其中，ΔKp、ΔKi、ΔKd分別為PID調節器比例增益Kp的增量、積分增益Ki的增量和微分增益Kd的增量；
步驟2.1：確定模糊控制器的輸入、輸出變量的論域；論域的選擇要結合現場實際和現場經驗。
步驟2.2：模糊化，即將精確的輸入變量轉化為模糊量，具體為：
假設精確的輸入變量x的實際變化範圍為[a,b]，將精確的輸入變量x轉換為離散論域[c,d]之間的值y：
其中，x表示輸入變量，即e及ec；y表示輸入變量x經過模糊化處理後所對應的模糊量；a、b分別表示輸入變量x的下限與上限，c、d分別表示輸入變量x經過模糊化處理後所對應輸入論域的下限與上限；
如果計算出來的y值不是整數，按四捨五入的辦法把它歸入最接近的整數，這樣就把連續量變換為離散論域中的有限整數值。
步驟2.3：定義模糊集合及其隸屬度函數；其中，輸入變量的模糊集合e＝{NB,NM,NS,ZO,PS,PM,PB}，ec＝{NB,NM,NS,ZO,PS,PM,PB}，輸出變量的模糊集合ΔKm＝{NB,NM,NS,ZO,PS,PM,PB}，m＝p,i,d，隸屬度函數的選擇是難點，要不斷仿真調試，選取合適的隸屬度函數曲線，才能使系統處於最優控制。
步驟2.4：根據經驗知識和實驗測得的數據，建立模糊規則表，ΔKp的模糊規則表如表1，ΔKi的模糊規則表如表2，ΔKd的模糊規則表如表3；控制規則的制定是關鍵、核心，要根據經驗知識和實驗測得的數據不斷總結，從而得出一條條的控制規律。
表1ΔKp的模糊規則表
表2ΔKi的模糊規則表
表3ΔKd的模糊規則表
步驟2.5：通過模糊推理得到的模糊量要進行清晰化計算後才能應用於實際的控制，採用重心法對模糊控制器的輸出值進行清晰化處理，雖然此方法計算量稍大，但模糊控制器的性能比較好。確立公式如下：
其中，zi表示第i個精確的輸入變量，i＝1…n，z0表示控制輸出的清晰化量，μc(zi)表示輸出模糊集合C中的元素zi對應的隸屬度函數。
步驟2.6：在Matlab環境下，利用模糊邏輯工具箱的圖形用戶界面(GUI)可以建立模糊推理系統；按照步驟2.1-步驟2.5生成ΔKp、ΔKi、ΔKd的模糊控制查詢表，並將查詢表存儲在CompactLogix控制器的內存中。
步驟3：結合常規PID控制器設置的初始基準值，從而得到PID控制器的三個參數，再由PID調節器運算公式，計算控制輸出，然後作用於被控對象，具體為：
步驟3.1：結合常規PID控制器設置的基準值，得到PID控制器的三個參數：
Kp＝Kp0+ΔKp
Ki＝Ki0+ΔKi
Kd＝Kd0+ΔKd
其中，Kp0,Ki0,Kd0表示常規PID控制器設置的基準值；
步驟3.2：根據PID調節器運算公式，計算控制輸出u(t)：
然後作用於被控對象。
具體在CompctLogix系列PLC實現具體流程如圖2所示，首先將Matlab環境下生成的ΔKp、ΔKi、ΔKd的模糊控制查詢表預存在CompctLogix指定內存中，根據PLC控制器掃描周期，對實時數據進行採樣，之後對採樣到的輸入量濾波、整定和量化，從而建立輸入量e、ec的模糊論域，然後對輸入量e、ec模糊化，根據e、ec的模糊量確定PID參數變化量所在模糊控制查詢表中的位置，查模糊控制查詢表，確定ΔKp、ΔKi、ΔKd的值，結合PID調節器的三個參數的預設初值，即可得到PID調節器的三個參數，根據PID調節器運算公式，計算出的控制量直接作用於被控對象，一次控制結束。