基于LabVIEW的模糊PID液位控制系统实现

基于LabVIEW的模糊PID液位控制系统实现
舒华;陈炬本
【摘要】液位控制是工业控制中的重要问题,针对液位控制过程中存在大滞后、时变、非线性的特点,设计一种参数自适应的模糊PID控制器,可以在线实现PID参数的调整.介绍了基于LabVIEW的模糊逻辑工具箱(Fuzzy LogicToolkit),并利用该工具箱设计出模糊PID控制器并实现对三容水箱的控制实验.实验结果表明模糊PID 控制算法与常规PID算法相比具有鲁棒性强和动态性能好等特点,该控制方法对于三容水箱类系统控制是有效的.
【期刊名称】《甘肃科技》
【年(卷),期】2015(031)014
【总页数】3页(P8-10)
【关键词】控制理论与控制工程;LabVIEW;模糊控制;PID;三容水箱
【作者】舒华;陈炬本
【作者单位】广州大学机械与电气工程学院,广东广州510006;广州大学机械与电气工程学院,广东广州510006
【正文语种】中文
【中图分类】TP273
多容器流程系统是具有纯滞后的非线性耦合系统，是过程控制中的一种典型的控制对象，在实际生产中有着非常广泛的应用背景。

用经典控制方法和常规仪表控制这
类过程时，常因系统的多输入多输出关系以及系统的内部关联而使系统构成十分复杂，会明显地降低控制系统的调节品质，特别在耦合情况严重时会使各个系统均无法投入运行。

为解决这个问题，可以在传统的PID控制中加入智能算法，实现参
数的自适应。

三容水箱液位控制系统是模拟多容器流程系统的多输入多输出、大
迟延、非线性、耦合系统，基于该装置的智能液位控制算法研究对实际的工程应用有着非常重要的意义[1]。

本文以虚拟仪器软件LabVIEW为开发平台，运用LabVIEW 强大的数据采集功能模块以及PID Control Toolkit和Fuzzy Logic Toolkit两个工具箱，针对三容水
箱控制系统设计实现了包括实际参数采集、控制量输出、曲线显示等功能的实时模糊PID液位控制系统[2]。

1 三容水箱液位控制系统
三容水箱液位控制系统是一个过程计算机控制系统，由三容水箱作为控制对象，水箱的液位h1、h2和h3作为被控量。

水箱里液位的变化，由检测元件（压力传感器）转换成4～20mA的标准电信号，通过变送器转换为0～10V电压后，再由
A/D转换器变换为数字信号并送入计算机处理，构成一个闭环系统。

经计算机计
算出的控制量通过D/A转换成0～5V的控制信号，经功放后控制直流水泵的转速，通过调整向水箱注水的流量来控制水箱里的液位高度。

本实验系统的硬件部分主要由：水箱主体、直流水泵P1、P2和P3、液位传感器S1、S2和S3、功率放大器、工控计算机、数据采集卡(A/D、D/A转换)和IO接口等环节组成。

水箱主体由3
个相互连通的圆柱型有机玻璃容器（三容被控对象）、1个储水槽、2个耦合阀门、3个泄水阀门等组成。

其系统结构如图1所示。

图1 三容水箱控制系统结构
2 模糊PID控制器设计
传统的PID控制器具有构成简单、设计简便、易于调整、稳态性能好等特点，对
于具有线性、确定模型的系统易于整定到最佳控制效果，因而得到广泛应用。

但许多实际工业生产过程的控制系统中均存在不同程度的非线性和时变不确定的特性，常规PID控制由于采用固定的参数，难以保证控制器时刻适应控制系统的参数变
化和工作条件变化，其控制品质亦因此无法保证达到最佳控制效果。

模糊控制是建立在人工经验基础之上，无需知道控制对象的精确数学模型，采用语言变量来描述系统特征，并依据系统的动态信息和模糊控制规则进行推理以获得合适的控制量，具有对参数变化不敏感和鲁棒性强等特点，但受制于控制规则和变化量的量化级别，控制精度不太理想。

如果将模糊控制和PID控制两者结合起来，采用模糊推理的
方法实现PID参数KP，Ki和Kd的在线自适应，不仅保持了常规PID控制精度高的特点，而且具有更大的灵活性和适应性等优点，是目前一种较为先进的控制算法。

2.1 控制器结构
模糊PID控制器是在常规PID调节器的基础上以偏差e和偏差变化率ec作为输入，采用模糊推理方法以修正参数△KP，和△Ki为输出，以满足不同时刻偏差e和偏差变化率ec对PID参数自调整的要求。

控制器结构如图2，其中r为设定值，y为
测量值。

图2 模糊PID 控制器结构
2.2 模糊PID控制算法
实现模糊控制器关键步骤有三个：输入量e和ec的模糊化；模糊推理运算；模糊决策和输出量的精确化[3，4]。

1)输入输出变量模糊化处理。

模糊PID控制的输入端采用高斯型隶属度函数，模
糊控制器输入变量偏差e和偏差变化率ec的模糊子集均为{NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB}，这7个语言变量值依次代表{负大，负中，负小，零，正小，正中，正大}。

确定e、ec的模糊论域分别为：
模糊控制器输出变量△KP，和△Ki的模糊子集均为{NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB}，模糊论域分别为[-1，1]，[-0.1，0.1]和[-2.5，2.5]，其隶属度函数均为三角形型。

2)模糊推理算法设计。

为了获得最佳的系统控制性能，本文采用以下的一种参数调整规则：
a)当较大时，应取较大的KP和较小的Kd，以使系统响应加快，为避免出现较大
的超调，对积分作用加以限制，取Ki=0。

b)当中等时，为使系统具有较小的超调，KP应取得小些。

此时，Kd的取值对系统的影响较大，应取得小一些。

Ki的取值要适当。

c)当较小时，为使系统具有较好的稳定性能，应取较大的KP和Ki，Kd的取值要
恰当，以避免在平衡点附近出现振荡。

依照以上的参数调整规则，总结技术知识和实际操作经验，建立用于修改KP，Ki
和Kd的模糊规则表（见表1）。

表1 PID 参数模糊规则△KP/△Ki/△Kdec NB NM NS ZO PS PM PB NB
PB/NB/NB PB/NB/NB PB/NM/NB PB/NM/NM PB/NS/NM PB/NS/NM
PB/ZO/ZO NM PB/NB/PS PB/NB/NS PM/NM/NB PS/NS/NM PS/NS/NM
ZO/ZO/NS NS/ZO/ZO e N ZO S N ZO M//ZN OS//ZZ OO N ZO S//Z ZO
O//P ZS O P Z M O//ZP OS//P PB S P ZM O//ZZ OO//PP SB P Z M O//PP
SS//PP SS N ZO S//P ZS O//N ZS O N ZO S//P ZS O//Z ZO O PS
NS/NM/ZO ZO/NS/ZO PB/PS/PB PS/PS/PM PS/ZO/ZO NS/ZO/ZO
NM/NS/ZO PM PM/NS/PS PM/ZO/PS PM/ZO/PS PS/PS/PS PS/PS/PS
PS/ZO/ZO PS/ZO/ZO PB PB/NM/NM PB/NM/NB PB/NB/ZO PB/NB/ZO
PB/NB/ZO PB/NB/NB PB/NB/NB
3)输出量的精确化处理。

根据各模糊子集的隶属度赋值表和各参数的模糊调整规则
模型，采用重心法进行解模糊判决，运用模糊合成推理设计出PID参数模糊调整
矩阵，得到模糊控制器精确输出△KP，和PID控制器的参数和Kd由式(1)计算：
式中KP0，Ki0和Kd0为预整定值。

3 软件系统设计
在LabVIEW中实现模糊PID控制程序，采用了模块化的设计方法[5，6]。

其模块划分及控制流程如图3所示。

图3 模糊PID控制程序流程
LabVIEW 的PID Control Toolkit 和Fuzzy Logic Toolkit两个工具箱，提供了完整的PID控制和模糊控制算法设计系统，将其二者结合起来即可实现模糊PID控
制器。

Fuzzy Logic Toolkit主要提供如下功能：
1)模糊逻辑控制器设计(Fuzzy Logic Controller Design.VI)：提供一个友好的图
形用户界面，可以直观地设计和修改模糊控制器的隶属函数、规则库、推理规则和去模糊方法等等。

设计的结果要保存在一个以.fc为扩展名的文件中，用于在应用
程序中加载。

2)加载控制器(Load Fuzzy Controller.VI)：将.fc文件调入应用程序的功能模块，可以将指定文件中设计的参数加载到应用程序的模糊控制器中。

3)模糊控制器(Fuzzy Controller.VI)：作为程序的一个功能模块，用于在应用程序中实现模糊控制算法。

4 液位控制实验
将三容液位控制系统的2个耦合阀置于开启状态，则整个系统构成一个3输入－3输出的多变量系统。

由于液位相对变化速率较快，且各水柱液位是一种强耦合关系，扰动作用强，时间常数和时间滞后大。

因此，普通调节器很难达到理想的调节效果。

设定采样时间Ts=0.2s，系统设定值液位1、液位2、液位3分别为r1=100、
r2=200、r3=300，采样点数n=800。

通过反复实验调试P、I、D参数，得到的传统PID控制阶跃响应曲线（如图4所示）；取前例PID参数为预整定值，得到模糊PID控制系统响应曲线（如图5所示）。

图4 PID控制系统响应曲线
图5 模糊PID控制系统响应曲线
比较两图可以看出，图5中曲线超调很小，稳态无差。

模糊PID控制系统的超调大约为5%，控制精度在±1%内，相比传统PID控制，取得了较好的控制效果。

5 结论
本文基于LabVIEW平台设计实现了模糊PID控制系统，它保持模糊控制灵活而适应性强的优点，又具有传统PID控制的广泛适用性和控制精度高的特点。

由于LabVIEW强大的、易于实现的软硬件集成功能，可以在自己的平台上无缝地集成一套完整的控制设计应用方案,使得本系统不仅在算法上出色，而且在实际设计和现场操作都极具可行性。

该液位控制系统完成了实际控制实验，实验结果表明，对复杂系统模糊PID控制器比常规PID控制器具有更好的控制效果，可大大改善系统的动态和静态性能。

【相关文献】
[1] 孙红英,颜德文,李斌.基于参数自整定模糊PID的三容水箱液位控制[J].电气应用,2006,25(8):97-99.
[2] 宋智罡,郁其祥,王益明，等.基于LabVIEW的PID参数自适应模糊控制器设计[J].机械设计与制造,2003.4:11-13.
[3] 赵科.三容水箱的模糊自整定PID控制[J].电力科学与工程,2007,23(1):33-36.
[4] 唐宗军,杨凤艳,库德强.强耦合多变量温度控制系统的研究[J].机械制造与自动化,2006,35(3):48-50.
[5] 陆宁,周伟.基于LabVIEW的智能PID控制器的设计[J].微机发展,2005,15(4):66-68.
[6] 杨青,党选举.基于LabVIEW的解耦控制系统实现[J].计算机工程,2005,31(2):228-230.。