基于LC的模糊控制算法在液位控制中的应用

【摘要】针对双容水箱液位控制，设计了一个模糊控制器并采用SLC-500 PLC实现算法，在实验中与传统PID控制算法做比较，通过分析两者的实时控制曲线图得出，模糊控制算法具有更好的控制效果。

【关键词】液位控制；模糊控制；PID控制

1.引言

PLC（可编程序控制器）由于其抗干扰能力强，可靠性高、通用性强、编程简单、功能强大、维护方便等特点，因此在许多行业的工业控制中得到广泛的应用。现代PLC的应用范围不局限于开关量的顺序控制，由于其功能指令越来越强大，可以实现很多复杂的控制算法，结合其硬件模块如模拟量输入、输出模块，在复杂的过程控制、运动控制中应用越来越广泛。而模糊控制器，由于它不需要知道对象的数学模型，具有系统响应快、超调量小、过渡时间短和鲁棒性好等优点，在复杂的、非线性的工业控制系统中得到广泛的应用。若将PLC和模糊控制技术相结合应用于复杂工业控制中，可以取得意想不到的良好效果。

本文采用美国罗克韦尔公司SLC-500 PLC实现模糊控制算法，并在水箱液位过程控制实验系统中成功应用，取得良好效果，其应用性可以推广到工业控制中，具有较高的参考价值。

2.水箱液位控制实验系统简介

A3000型过程控制实验装置是基于工业过程的物理模拟对象，它是集自动化仪表技术，计算机技术，通讯技术，自动控制技术为一体的多功能实验装置。系统包括流量、温度、液位、压力等热工参数，可实现系统参数辨识、单回路控制、串级控制、前馈控制、比值控制等多种控制形式。在液位控制系统控制中，用到的是此装置的液位控制装置。现介绍液位系统及其相关装置。

2.1 液位控制系统组成

三容水箱实验装置由水箱主体、差压变送器、电动调节阀、变频器、电磁阀、流量计、水泵、SLC PLC和计算机等组成，系统结构如图1所示。

2.2 双容水箱液位控制

本研究的被控对象为双水箱的下水箱液位。所用设备为中水箱、下水箱、水泵、液位变送器、变频器、SLC500 PLC和监控计算机。

由中水箱和下水箱构成的单回路液位控制，可以看成是两个一阶惯性模型的串联。在实验时，两水箱之间的闸门高度不同（中水箱闸门高度12mm，下水箱6mm），因此液位不同，水池中的水由变频器控制水泵抽水经调节阀首先注入中水然后通过闸门进入下水箱，在经闸门最终流回水池。液位控制工艺流程图如图2所示。

双容水箱液位控制系统是一个计算机过程控制系统，它的系统结构框图如图3所示。整个系统的控制由SLC500 PLC实现，液位设定值由监控上位机给定至PLC，液位的变化通过液位变送器，把液位测量值传送给PLC，然后由PLC进行闭环控制运算将控制量输出给变频器，控制水泵抽水，改变进水量，最终实现对水箱液位的控制。系统控制结构框图如图3所示。

3.双容水箱液位模糊控制器的设计

3.1 模糊控制算法

模糊控制器是运用模糊理论，依据专家知识，通过具有模糊性的语言条件来实现控制过程。其核心部分是模糊控制器，主要包括输入量的模糊化、知识库、模糊推理和清晰化四部分，如图4所示。

3.2 确定模糊控制器的结构

本系统取中水箱水位的高度作为控制变量，以水位设定的高度与实际测量高度的偏差e及其变化率ec作为模糊控制器的两个输入变量，而电动调节阀开度值作为控制输出量u，这样就构成了双输入单输出的二维模糊控制器。（e、ec和u三个变量均采用其量程的百分比来表示）。

3.3 确定模糊语言及其论域

本系统偏差e，偏差率ec，输出u相应的模糊子集分别定义为Ei、ECi和Uk，其中（i，j，k的取值可以是1，2，…，7），e、ec和u的论域范围及量化等级均为{-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5，6}。综合控制精度、控制规则、控制算法的复杂程度及控制的稳定性等因素，语言值取{NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB}。

3.4 确定隶属度函数

隶属度函数是论域元素对某语言值从属程度的描述。可以根据工程实际经验、统计分析确定，或由专家、权威给出。本系统隶属度函数如下：

3.5 输入量的模糊化

首先将输入变量e和ec的精确量分别乘以量化因子ke和kec，将其量化为论域元素内的值，再由模糊语言变量的赋值表确定输入量的模糊化结果E和EC，实现输入的模糊化。

3.6 建立模糊控制规则

根据笔者多次实验总结的经验，得出49条模糊条件语句构成的控制规则，每一条控制规则只代表一种特定情况下的一个对策，它通常由模糊条件语句“if E and EC then U”来描述，如：

以上每一条模糊控制规则对应着一条模糊关系，总共49条（限于篇幅，规则表略）。通过49条模糊关系的运算，可得出总的模糊关系：R=R1∨R2…∨R49

3.7 建立模糊控制查询表

在确定模糊关系后，基于推理合成规则，根据系统偏差和偏差率的论域和隶属度表，确定所有情况的组合，采用加权平均法可得出表1所示的模糊控制器查询表。

如表1所示，对于模糊控制器查询表可以离线状态下，预先存储在SLC500 PLC的整型文件N7中，其范围为：N7：0至N7：168，共169个元素，对于该表的查询采用变址寻址方式，即“基地址+偏移量”的寻址方式来查询，SLC 500 PLC固定采用S：24作为偏移量寄存器，存放偏移量[3]。

3.8 确定输出控制量

将采样得到的测量值PV计算出偏差e和偏差率ec，并分别量化为Ei和ECj，通过PLC查表得到控制输出量Uij。在实际应用中，输出量Uij还要乘以比例因子ku才可求出实际输出量Δuij；并且对于不同的设定值，控制输出的变化范围不同，此处引入修正因子um对输出进行修正，因此，模糊控制器输出为：u1=um+uij=um+ku・Uij。（um和ku可根据实际情况在上位机中修改）。

4.实验效果分析

本系统采用组态王6.5软件作为上位机监控软件，采用以太网通信方式，通过OPC技术实现对下位机SLC-500 PLC的监控。在实验中，采用模糊控制算法和PID控制算法，并做比较。液位设定值为量程的30%，SP=30%；模糊控制器相关取值为：ke=0.02，kec=0.02，ku=750，um=50%；PID控制算法中取Kp=200，Ti=80，Td=5；两种控制算法获得的实时控制曲线图如图5所示。

从图5（1）分析，模糊控制较PID控制响应速度相对慢些，但是超调量略小些，调节时间短，动态效果好，且进入稳态后，稳定性好，控制精度高。

参考文献

[1]刘增环，王利珍，何广祥.加热炉炉温PLC模糊控制系统的设计[J].自动化与仪表，2011，26（10）.

[2]冯瑞琴.基于PLC和模糊控制技术的污水处理控制系统设计与实现[J].安徽农业科学，2011，39（34）.

[3]崔俊涛.基于PLC的模糊控制应用研究[J].机械研究与应用，2011（6）.

作者简介：林勇坚（1971-），男，福建福清人，广西机电职业技术学院电气工程系副教授，广西自动化学会理事，主要从事电气自动化技术专业的教学及研究。