液位控制器的设计

液位控制器的设计

1 引言

在自动控制领域里,如果被控制对象是个比较复杂的非线性、时变而且又有大的滞后的系统的话,往往很难获得精确的数学模型,并且由于传统的经典控制方法是建立在数学模型的基础上的,没有数学模型,这些经典的控制方法是很难获得良好的动态和静态性能的。而模糊控制是一种模仿人的智能的控制方法,它不依赖于对象的数学模型,而是通过对模糊信息的处理做出对复杂对象的控制。模糊控制技术在复杂、大滞后、难以建立精确数学模型的非线性控制过程中表现出了优越的性能。

本文针对钢水液位控制系统的时变、非线性特性,设计出模糊控制器,并且将其应用到钢水的液位控制中。

2 钢水液位控制系统的组成

在钢铁生产的连铸工艺流程中,钢水从钢包流入中间包,然后通过浸入式水口流入结晶器,结晶器中钢水液位的调节一般通过调节中间包内可以上下移动的导塞杆的位置来实现。它的简化结构框图如图1 所示。和传统的开环控制或PID 闭环控制方式不同的是,本系统的控制器采用模糊控制器（虚线框内部分） 。

图1 钢水液位控制系统

2. 1 系统部件介绍

钢水液位控制系统中的执行机构采用电液伺服驱动装置来驱动导塞杆的上下位移,从而实现液位的调节。电液伺服驱动装置由伺服放大器和电液伺服阀组成。本系统采用的伺服放大器是为动圈式电液伺服阀设计的专用配套放大器,它采用固体组件,集成度高,并备有多种附件插板可扩展电路功能,且能方便地与计算机相连。其输入为电压信号,输出为电流信号。

电液伺服阀是电液伺服驱动装置中的一个核心部件,本系统采用DY系列伺服阀将电气部分和液压部分连接起来,用输入为毫安级电流去控制液体流动,来驱动活塞在液压缸中的位移,液压缸活塞的位移带动导塞杆上升或下降,从而实现液位的调节。

电液伺服驱动装置不仅能自动跟随控制器电输入信号而动作,而且起到信号功率放大作用。

液位信号的检测通过WY型差动变压器式位移传感器来实现,该传感器是基于变压器原理,通过一次线圈与二次线圈弱电磁耦合,使得铁心的位移变化量与电压信号成近似的线性关系。在使用时将它与浮子相连,可以把直线移动的铁心位移变换成电压信号,经APD 转换后输入计算机进行处理。

2. 2 模糊控制器的设计

本系统采用的是mamdani 推理型模糊控制器。模糊控制器采用双输入、单输出的结构,输入量选用设定的液位值与采样液位值之间的偏差E 以及液位偏差值的变化率EC ,输出量选用液位控制量U。模糊控制器的设计是模糊控制中的重点,它由模糊化、模糊算法、模糊判决三部分组成。

2. 2. 1 精确量的模糊化过程

根据本系统的实际性质和要求,对输入量E、EC 和输出控制量U 的模糊语言描述（模糊集）定义如下:描述输入量E、EC 和输出控制量U 的语言值模糊子集均选为{ PB ,PM,PS ,ZO ,NS ,NM,NB} ,量化论域均取为{ - 3 , - 2 , -1 ,0 ,1 ,2 ,3} 。

输入量E 的基本论域为[ - 1. 2 %～ + 1. 2 %] ,输入量EC 的基本论域为[ - 0. 6 %～ + 0. 6 %] ,输出量U 的基本论域为[ - 12～ + 12 ] ,则量化因子分别为:K1 = 3P1.

2 % = 250 ,K2 =3P0. 6 % = 500 ,K

3 = 12P3 = 4。

根据实际系统可写出输入量和输出量各档的隶属函数。本系统所选择的隶属函数均为三角形分布。这样就完成了精确量的模糊化过程。需要注意的是,不同系统中,模糊集的隶属函数是不同的,要根据实际情况和实践经验而定。

2. 2. 2 模糊控制算法

模糊控制的核心是模糊控制规则的建立,模糊控制规则的实质是把操作者的经

验加以总结,并将在控制过程中由经验得来的相应措施总结成一条条控制规则。在得到输入偏差量E ,偏差变化率EC 和控制量U 的模糊集后,就可以利用“若E 且EC ,则U”的控制规则进行模糊控制器的建立。这种控制规则是总结人们的操作经验和思维过程,根据测得的偏差和偏差变化率,来判断应该施加的控制量。表1 为总结出各种情况时的控制规则表。

该表总结出一个完整的控制策略,表中每项对应一条模糊条件推理语句。每一条模糊条件推理语句,对应一个模糊关系为:R = E ×EC ×U。按上式即可计算出每一条模糊条件推理语句所对应的一个模糊关系矩阵R1 ,R2 , ……,Rn , 将所有的模糊关系矩阵求并集运算,即:R = R1 ∪R2 ∪⋯∪Rn ,即可求出总的模糊关系R。

在计算出总的模糊关系R 后,在输入已知的条件下,输出由这个总控制规则的模糊关系确定,例如当有任意输入偏差E1和偏差变化率EC1 时,用推理合成原理即可算出相应的控制量U1 : U1 = E1 ×EC1 ×R。

2. 2. 3 模糊判决

由模糊数学理论知道,总的模糊关系矩阵R 是一个49 ×7的矩阵,每次控制计算都处理这样一个矩阵是很困难的,为此,事前先将R 矩阵算出,然后算出每种输入状态下的模糊控制输出,最后用最大隶属度决策算法,将模糊控制输出转化为精确的实际输出动作。经过计算的模糊查询表如表2 所示。

在实时控制时,先将该表存入计算机,只要测得E 和EC ,通过查询计算机内存中的总控制表,即可得到相应的控制量U 去控制生产过程。

3 模糊控制系统的MATLAB 仿真

为了验证模糊控制器在钢水液位控制系统中的使用效果,同时为了在仿真过程中及时调整模糊控制器的控制规则和各项参数,我们利用MATLAB 软件进行了仿真研究。在仿真过程中对于执行器和被控对象,近似等效为带滞后的二阶惯性环节。

在进行MATLAB 仿真时,首先在模糊逻辑工具箱的图形用户界面（GUI）下建立上述的模糊控制器,然后在SIMULINK环境下,选择所需的模块,建立系统仿真模型进行仿真。图2 是选取大小为0. 3 的常值信号作为系统的设定输入,选取阶跃信号对