引言

    水位控制系统在造纸行业得到广泛应用，如果液位控制不好，液位高了或低了，会影响纸张的质量。本文将模糊控制和PID控制结合起来，实现PID参数的在线调整，可以有效地解决系统的非线性和不确定性，同时随时根据系统的输入与反馈的偏差及偏差率来调节水位，实现水位的恒定。实验结果表明，这样既能防止超调又能提高响应速度，明显地改善了系统的动态和静态性能，在水的压力及负载变化的情况下也能保持水位的恒定。

1 水位控制系统

    本系统的控制对象如图1所示：假若液罐I和液罐Ⅱ里面均是水，由液罐I的水通过进水管的水泵将水输送到液罐Ⅱ。水位的控制过程如下：水位变送器检测到的水位值通过PLC送到控制器中，该值与控制器的设定值进行比较，如果检测到的值小于设定值，那么控制器将输出调节信号，经过PLC、手操器，最终将信号送至出水管的电动调节阀上，此信号将阀关小。如果检测到的值大于设定值，那么阀将开大。如果检测值与设定值正好相等时，这时的出水量应与水泵的进水量相等，保持动态平衡犯。

2 水位的模糊PID控制

    2．1模糊PID的构成

    常规的PID控制虽有着原理简单、使用方便等优点但却不具备在线调整参数P、I、D的功能，使其不能满足系统在不同条件下对PID参数自调整的要求，模糊控制器是一种近年来发展起来的新型控制器，其优点是不要求掌握被控对象的精确数学模型，而根据人工规则组织决策表，且由该表决定控制量的大小。模糊控制器代替了传统的控制器，它是模糊控制系统的核心部分。由输入量模糊化、模糊控制规则、模糊决策等几部分组成，如图2所示。

图1 水位控制结构框图

图2 模糊控制系统原理框图

    2．2模糊-PID控制原理

    模糊一PID控制器是以误差e和误差变化率ec作为输入，根据不同的偏差和偏差率对PID参数进行在线调整，以满足不同时刻对控制参数的不同要求，而使被控对象有良好的动、静态性能，如图3所示。

图3 自整定PID参数的模糊控制系统框图

    图3自整定PID参数的模糊控制系统框图根据K．、K、K。对控制精度的影响，可得出在不同的水位偏差e和偏差变化率ec时系统参数自整定的原则：当e较大时，为了加快系统的响应速度，应取较大的Kn，同时为了避免过大的超调量，应使K：=q当e和ec为中等大小时，即处于过渡过程时，为了减小系统的超调量，K．的值应适中，不能取太大，K；的值应取小一点；当e较小时，为了使系统具有较好的稳态特性，应增大K；，而适当减小Kd，因为l(i的作用是消除系统的稳态误差，而Kd的作用是在响应过程中抑制偏差向任何方向变化，对偏差进行提前预报，以避免出现振荡现象。

    2．3模糊PID控制器设计

    2．3．1模糊推理机构的确定

    模糊控制器采用两输入三输出结构。以系统的水位给定值与实际测量偏差及其偏差变化率ec作为输入语言变量，把PID的3个参数Kn、K{、Kd作为输出。

    取其偏差e的语言值为{负大(NB)，负中(NM)，负小(NS)，零(ZO)，正小(PS)，正中(PM)，正大(PB)}，分别表示当前水位值Y相对于水位设定值yd为“极小”、“很小”、“偏小”、“正好”、“偏大”、“很大”和“极大”。偏差变化率ec的语言值为{负大(NB)，负中(NM)，负小(NS)，零(ZO)，正小(PS)，正中(PM)，正大(PB)}，分别表示当前水位的变化为“快速减小”、“中速减小～减小”、“不变”、“增大”、“中速增大”和“快速增大”。输出变量Kp、Ki、Kd的语言值为：{负大(NB)，负中(NM)，负小(NS)，零(Z0)，正小(PS)，正中(PM)，正大(PB)}，以上变量的隶属度函数如图4、图5所示。

图4 输入E

图5 输出AKp

    2．3．2建立模糊控制表

    根据专家经验知道，控制品质的好坏很大程度上在于Kp、Ki、Kd的选取，比例环节作用是成比例的反映控制系统的偏差信号|e|，因此，当偏差|e|较大时，为提高响应速度，Kp增大5；在偏差较小时，防止超调过大产生振荡，Kp减小，当偏差很小时，为使系统尽快稳定，则KP应继续减少同时考虑ec因素；当ec和e同号时，输出朝偏离稳定值方向变化，K。适当增大；反之，Kp减小。积分环节主要用于消除静差，提高系统的无差度。当偏差|e|大或较大时，为避免系统超调，Ki取零值；当|e|较小时，积分环节有效，随|e|的减小而增大，以消除系统的稳定误差，提高控制精度。微分环节能反映偏差信号的变化趋势，并能在偏差信号值变得太大之前加入一个修正信号。当偏差|e|较大时，为避免偏差瞬间变化，造成微分溢出，Kd应取小些；在偏差较小时，综合考虑系统的抗振动能力和系统响应速度，应使Kd适当取值。根据以上的控制原则，总结工程设计人员的技术知识和实际操作经验，可以制定如下的控制规则表，如表1所示。

    2．3．3模糊推理运算

    根据各模糊子集的隶属度赋值表和各参数模糊控制模型，根据Fuzzy推理合成规则运算，根据每一条推理规则，都可以求出相应的模糊关系，如R1、R2、...、Rn。因此整个系统的总控制规则所对应的模糊关系R为R=R1 V R2 V...V Rn，相应的比例变化的模糊集为△Kp、△Ki、△Kd。

表1 Kp．Ki．Kd的模糊规则表

    将Fuzzy集合变换到精确的输出量(去模糊化)，我们可用模糊判决，对本控制器，采用重心法的离散表达式来求取输出量的清晰值。

    2．4方案实施

    在上位机上编程实现模糊控制器，该程序从组态王软件中获得实时的偏差，并计算得到偏差的变化量，经过模糊化、模糊规则选择等处理，得到最后的修正参数，并将这3个修正参数送回到组态王软件中。组态王软件接受来自运行画面送过来的初始参数值，然后与修正参数叠加之后参与到PID运算过程中。

3 结论

    图6为常规PID控制，图7为模糊-PID控制。系统运行后设定水位为55厘米的高度，如图6、图7上绿线(水平直线部分)所示，红线(波浪线)为测量值的大小。两个算法经过对比后发现PID-模糊控制来对大时滞的水位控制回路实施控制，可以看到回路的稳定时间、超调等都有了明显改善。通过实际应用表明，采用模糊一PID算法控制器不仅具有良好的动态及稳态特性，而且对系统时延和阶次具有鲁棒性，实现了对水位的在线恒定控制，其控制品质是优秀的。