1、僅供個(gè)人參考液位模糊控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的應(yīng)用Application of De ign of Fuzzy Level Control Sy tem丁肇紅（上海應(yīng)用技術(shù)學(xué)院機(jī)電分院，上海200233）摘要采用S7 - 300可編程序控制器設(shè)計(jì)了一個(gè)模糊控制器，將控制器的模糊輸出反模糊化后作為實(shí)際輸出控制調(diào)節(jié)閥的開度，使中位For personal use only in study and research; not for commercial use水箱的液位達(dá)到給定值，直接利用控制經(jīng)驗(yàn)知識(shí)使得控制品質(zhì)達(dá)到良好要求。 關(guān)鍵詞模糊反模糊化模糊控制器模糊輸入模糊輸出Abstract A fuzzy c

2、ontroller is designed by adopting S7 - 300 programmable controller. The fuzzy output of the controller is defuzzied as practical output to control valve opening and make the water level in tank to meet the set point. By using control experience and knowledge directly , excellent requirement of contr

3、ol quality is reached.Keywords Fuzzification Defuzzification Fuzzy controller Fuzzy input Fuzzy output0引言傳統(tǒng)的自動(dòng)控制有一個(gè)共同的特點(diǎn)，即控制器的 綜合設(shè)計(jì)都要建立在被控對(duì)象準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型基礎(chǔ) 上11。但是在實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)中，系統(tǒng)的影響因素往往 很多，十分復(fù)雜，而且大多數(shù)實(shí)際系統(tǒng)都是非線性的， 建立精確的數(shù)學(xué)模型特別困難?；谶@種情況，模糊 控制就顯得意義重大。因?yàn)槟：刂撇挥媒?shù)學(xué)模 型，根據(jù)實(shí)際系統(tǒng)的輸入輸出結(jié)果數(shù)據(jù)，參考現(xiàn)場操作 人員的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)就可對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)控制。因此利用 模糊控

4、制思想來設(shè)計(jì)液位控制系統(tǒng)將更直接，更有效， 是非線性控制的一種更有力的控制手段。模糊控制技 術(shù)日趨成熟和完善23；各種模糊控制產(chǎn)品也充滿了 日本、西歐和美國等市場41。本文設(shè)計(jì)的自調(diào)整模糊控制器已成功應(yīng)用于實(shí)際的液位控制系統(tǒng)且在運(yùn)行半 年時(shí)間中取得了良好的控制效果。1液位模糊控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)我們的過程控制實(shí)驗(yàn)裝置是基于工業(yè)過程物理模 擬對(duì)象，集自動(dòng)化儀表技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)、自 動(dòng)控制技術(shù)為一體的多功能實(shí)驗(yàn)裝置，包括流量、溫 度、液位、壓力等熱工參數(shù)。過程控制系統(tǒng)的被控對(duì)象 包括上位水箱、中位水箱、下位水箱，控制裝置有傳感 器、調(diào)節(jié)閥、交流變頻器、流量傳感器、調(diào)節(jié)器等。本文 所論述的液位模糊

5、控制系統(tǒng)構(gòu)造如下： 被控雙容對(duì)象為上位水箱和中位水箱； 采用液位傳感器擴(kuò)散硅壓力變送器感測上位水箱和中位水箱液位，儀表變送器通電預(yù)熱后分別在零壓力和滿量程壓力下檢查輸出電流值。在零壓力下調(diào)整零點(diǎn)電位器，使輸出電流為4mA,在滿量程壓力下調(diào)整量程電位器，使輸出電流為20mA。傳感器精度為0.5級(jí)。因?yàn)槎€制，故工作時(shí)需提供24V 直流電源； 采用電 / 氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)，其輸入信號(hào)氣動(dòng)為（0.020.1） MPa,電動(dòng)為010、420mA （帶電/氣閥門定位器）； 控制器的硬件選用S7 - 300 可編程控制器。該液位模糊控制系統(tǒng)框圖如圖1 所示。圖 1 液位模糊控制系統(tǒng)框圖2 模糊控制器

6、設(shè)計(jì)2.1 輸入設(shè)計(jì)定義中位水箱的液位測量值與液位給定值偏差E作為模糊輸入，并將E 模糊化。根據(jù)實(shí)際的液位情況定義偏差的最小值為-1000mm ,最大值為1000mm （即最大正負(fù)偏差為1000mm）根據(jù)隸屬函數(shù)遵循的基本原則設(shè)置重疊范圍為120mm,附近模糊隸屬度函數(shù)的范圍為 360mm ，則根據(jù)公式重疊率=重疊范圍+附近模糊隸屬度函數(shù)為范圍得出重疊率為0.33，這樣的控制效果好且曲線平滑。據(jù)此設(shè)計(jì)了7 個(gè)模糊子集及隸屬函數(shù)負(fù)偏差非常大（Nvig）,隸屬函數(shù)為梯形（-1000， - 1000 ， - 360 ， - 240 ）； 負(fù)偏差較大（Nmid ），隸屬函數(shù)為三角形（- 360 ， -

7、 240 ， - 120 ）； 負(fù)偏差較小39液位模糊控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的應(yīng)用丁肇紅（ Nsmall ），隸屬函數(shù)為三角形（- 240 ， - 120 ， 0）； 偏差為零（ Zero ），隸屬函數(shù)為三角形（- 120 ， 0， 120）； 正偏差較?。≒small ），隸屬函數(shù)為三角形（0， 120， 240）； 正偏差較大（Pmid ），隸屬函數(shù)為三角形（120， 240， 360）； 正偏差非常大（Pbig ），隸屬函數(shù)為梯形（240， 360，1000， 1000）。模糊變量E 的隸屬函數(shù)如圖2 所示。圖 2 模糊變量E 的隸屬函數(shù)2.2 輸出設(shè)計(jì)模糊控制器的輸出是給閥門的開度u,閥門開度的

8、變化間接控制中位水箱的液位高度。根據(jù)實(shí)際現(xiàn)場調(diào)試中的情況可知，如果設(shè)置過多的模糊輸出子集，將使曲線的上升/ 下降過程過于平緩，達(dá)到液位給定值的響應(yīng)時(shí)間過長?？紤]到液位控制的特性，經(jīng)過反復(fù)試驗(yàn)設(shè)計(jì)了Open = 0% 、 Equal = 72% 和 Cpose = 100% 這 3個(gè)模糊子集，對(duì)應(yīng)有3 個(gè)隸屬度函數(shù)，這樣運(yùn)行后的曲線跟蹤性能更好，能更快速達(dá)到液位給定值。由于調(diào)節(jié)閥采用的是氣閉閥，所以最小值為0%（全開），最大值為100%（全關(guān)）。即：u是Open時(shí)對(duì)應(yīng)0%,輸出4mA,對(duì)應(yīng)調(diào)節(jié)閥的工作氣壓為0.02MPa ；u是Equal時(shí)對(duì)應(yīng)72% ,輸出15.52mA,對(duì)應(yīng)調(diào)節(jié)閥的工作氣壓為

9、0.0776MPa；u是Close時(shí)對(duì)應(yīng)100%,輸出20mA ,對(duì)應(yīng)調(diào)節(jié)閥的工作氣壓為0.1MPa。模糊變量u 的隸屬函數(shù)如圖3 所示。圖 3 模糊變量u 的隸屬函數(shù)2.3 模糊控制規(guī)則確定當(dāng)偏差為正的時(shí)候，即測量值大于給定值時(shí)，要求閥門開度變小，使中位水箱的進(jìn)水量小于出水量，液位降低；當(dāng)偏差為負(fù)的時(shí)候，即測量值小于給定值時(shí)，要求閥門開度變大，使中位水箱的進(jìn)水量大于出水量，液位下升。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)和試驗(yàn)對(duì)象的控制過程知識(shí)，經(jīng)過反復(fù)研究與實(shí)驗(yàn)建立了模糊控制規(guī)則如下：若E為負(fù)偏差非常大（Nbig）,則u為Open +a 1| E| ； 若 E 為負(fù)偏差較大（Nmid ），則 u 為 Open +a 1

10、| E| ； 若 E 為負(fù)偏差較?。∟small ），則 u 為 Open +a |E| ； 若 E 為偏差為零（Zero ），則 u 為 Equal ； 若 E為正偏差較?。≒small ），則u為Close - a | ei ；若E為正偏差較大（Pmid ），則u為Close - a 2i Ei ； 若 E 為正偏差非常大（Pbig ）,貝U u為Close - a 2i Ei 。a因子取0.10.2之間和a 1、a 2因子取0.20.5之間都能使液位達(dá)到良好的控制效果，從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)模糊控制規(guī)則的自調(diào)整。3 模糊控制器軟件實(shí)現(xiàn)首先進(jìn)行硬件組態(tài)，然后采用PLC 編制軟件程序。整個(gè)程序?qū)懺贠B

11、1 中， OB35 模塊用于每隔100ms調(diào)用一次模糊控制功能程序模塊。FC1 為模糊控制功能程序模塊，其中包括了FC30、 FB30、 FC31 這 3 個(gè)程序模塊。由FC30 模塊對(duì)送來的偏差模糊化，送FB30 后根據(jù)模糊控制規(guī)則由偏差的大小算出相應(yīng)的輸出信號(hào)的大小，再送FC31 進(jìn)行反模糊化得到精確量，送模擬輸出來控制電氣閥門的開度。將編制軟件程序下載到PLC 中運(yùn)行，設(shè)置好組態(tài)王各參數(shù)以后運(yùn)行組態(tài)王，液位會(huì)顯示在畫面中，從而可以實(shí)現(xiàn)集中控制。如圖4 所示，可以觀察到4 次液位測量值PV 跟蹤液位給定值SP 變化的運(yùn)行曲線。圖 4 組態(tài)王運(yùn)行系統(tǒng)曲線圖從圖 4 所示的運(yùn)行曲線可以看出：四

12、次液位測量值 PV 都能很好跟蹤液位給定值SP 的變化，第四次PV穩(wěn)態(tài)彳t ( 54.95cm )與給定值SP (55cm)的誤差絕對(duì)值為0.05cm,所以偏差很小，又無超調(diào)量且響應(yīng)速度也較快，因而達(dá)到了良好的控制效果。由此能夠說明系統(tǒng)有較強(qiáng)的穩(wěn)定性。實(shí)際的液位輸出能完全跟蹤給定的液位高度，從而證實(shí)了所設(shè)計(jì)的液位自調(diào)整模糊控制 器取到了良好的控制效果。4 結(jié)束語本文突破了常規(guī)PID 的控制理念，無須建立被控對(duì)象數(shù)學(xué)模型，直接通過SimaticS7 對(duì)液位偏差進(jìn)行模糊化處理，利用控制經(jīng)驗(yàn)知識(shí)建立液位模糊控制規(guī)則，再通過反模糊化輸出改變調(diào)節(jié)閥的開度來改變中位水箱的液位，以達(dá)到用模糊控制方法來控制中

13、位水箱液(下轉(zhuǎn)第43 頁)40自動(dòng)化儀表第26 卷第 12 期 2005 年 12 月PROCESS AUTOMATION INSTRUMENTATION Vol.26 No.12 December 2005 在周期中斷子程序中將計(jì)算所得的值送到比較寄存器，并置相應(yīng)標(biāo)志位。主程序則根據(jù)標(biāo)志位來判斷是否已完成一個(gè)周期的操作：標(biāo)志位置1，則清標(biāo)志位，調(diào)計(jì)算占空比子程序，然后進(jìn)入等待狀態(tài)；否則直接進(jìn)入等待狀態(tài)。在大量實(shí)驗(yàn)后，將其應(yīng)用于一個(gè)20kW 的電主軸上，其效果與實(shí)驗(yàn)基本一致。5 結(jié)束語TMS320F240 的功能很強(qiáng)且運(yùn)算速度很快，利用其事件管理器能產(chǎn)生SPWM 等各種脈寬調(diào)制信號(hào)，適用于三相

14、交流電機(jī)的控制。而且控制電機(jī)的算法和控制磁懸浮系統(tǒng)的PID控制算法可合用一個(gè) CPU,這樣能充分發(fā)揮微機(jī)的性能，降低了磁懸浮電主軸的成本。參考文獻(xiàn)1 G. 施韋策， H. 布魯勒， A. 特拉克斯勒著. 主動(dòng)磁軸承. 虞烈，袁崇軍譯 . 新時(shí)代出版社，19972 陳伯時(shí)，陳敏遜. 交流調(diào)速系統(tǒng). 機(jī)械工業(yè)出版社，19983 TMS320F/ C24x. DSP Controllers Reference Guide. CPU and Instruction Set. Literature Number ： SPRU160C， June 19994 TMS320F/ C240.DSP Contr

15、ollers Reference Guide. Peripheral Library and Specific Devices. Literature Number ： SPRU161C， June 19995 TMS320F/ C240. TMS320F240DSP Controllers. SPRSO42D ， Revised November 1998國家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃（編號(hào)：2001AA423310）。修改稿收到日期：2004 - 08 - 23 。第一作者張建生，男，1958 年生， 1993 年畢業(yè)于江蘇理工大學(xué)，獲得碩士學(xué)位，現(xiàn)為上海大學(xué)在讀博士研究生；主要研究方面是控制理論

16、與控制工程。（上接第38 頁）設(shè)計(jì)者必須從硬件和軟件兩方面著手。硬件抗干擾設(shè)計(jì)是整個(gè)系統(tǒng)抗干擾設(shè)計(jì)的主體，是軟件抗干擾設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。沒有硬件電路的可靠工作，再好的抗干擾軟件也是沒有用武之地的。3.1 硬件抗干擾措施 系統(tǒng)采用抗干擾電源。供電系統(tǒng)通常會(huì)帶來過壓、欠壓、浪涌、下陷和降出、尖峰電壓和射頻干擾等，危害十分嚴(yán)重，所以電源的抗干擾能力必須要強(qiáng)； 如果應(yīng)用環(huán)境惡劣，必須考慮電磁屏蔽； 如果過程通道傳輸?shù)男盘?hào)頻率過高，要考慮傳輸線上分布電容、分布電感及漏電阻影響； 印刷線路板是電源線、信號(hào)線及元器件的高度集合體，它們在電氣上會(huì)相互影響，因此，在設(shè)計(jì)上必須考慮電源線如何布置、地線如何布置、信號(hào)線如

17、何分類走線、元器件如何布置及去耦電容如何配置等問題。3.2 軟件抗干擾措施軟件抗干擾的方法較多，由于是數(shù)據(jù)交換而不是數(shù)據(jù)采集，所以一些常規(guī)的數(shù)據(jù)采集抗干擾方法還不是很適用，應(yīng)將其改造后再使用。常用的方法是將傳輸、交換、讀取或?qū)懭氲臄?shù)據(jù)重復(fù)一次（或幾次），讀取或交換的數(shù)據(jù)可將后一次的結(jié)果與前一次比較，相同則為真，不相同則再重復(fù)、再比較。也可根據(jù)需要對(duì)重要的數(shù)據(jù)進(jìn)行重點(diǎn)處理?？傊?，數(shù)據(jù)交換的準(zhǔn)確性關(guān)鍵在于硬件，如果硬件措施得當(dāng)，軟件措施可不采取，或關(guān)鍵數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。4 結(jié)束語單片機(jī)是作為專門的嵌入式應(yīng)用而推出的，它開創(chuàng)了嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用的先河。在一個(gè)系統(tǒng)中應(yīng)用多個(gè)單片機(jī)為整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)、維護(hù)帶來了極大

18、的方便：首先簡化了系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)，使軟硬件設(shè)計(jì)便于模塊化，便于多人投入、參與，縮短了產(chǎn)品更新、改造、升級(jí)的周期；其次簡化了維護(hù)過程，由于一個(gè)系統(tǒng)中使用多個(gè)單片機(jī)，構(gòu)成了系統(tǒng)多點(diǎn)互相監(jiān)測，使得故障區(qū)域的診斷更加迅速、準(zhǔn)確?？傊?，將多單片機(jī)應(yīng)用在一個(gè)系統(tǒng)中其優(yōu)點(diǎn)是不言而喻的。參考文獻(xiàn)1 胡漢才編著. 單片機(jī)原理及系統(tǒng)設(shè)計(jì). 清華大學(xué)出版社，2002（ 1）2 竇振中編著. 單片機(jī)外圍器件實(shí)用手冊存儲(chǔ)器分冊. 北京航空航天大學(xué)出版社，1998（ 4）收稿日期：2005 - 04 - 18 。作者張念魯，男，1960 年生， 1982 年畢業(yè)于沈陽工學(xué)院，獲得學(xué)士學(xué)位，高級(jí)工程師，北京市高等學(xué)校電工學(xué)

19、研究會(huì)理事；主要從事單片機(jī)教學(xué)及應(yīng)用，發(fā)表論文10 余篇。（上接第40 頁）位的目的。實(shí)際運(yùn)行結(jié)果也證明了模糊控制的良好控制品質(zhì)。參考文獻(xiàn)1 丁肇紅，袁震東. 時(shí)變系統(tǒng)的Laguerre 模型辨識(shí)及設(shè)計(jì)變量1，華東師大學(xué)報(bào).2002（ 4）2 P. J.King ， et. The Application of Fuzzy Control System to Industrial Processes. Automat. 1975 ， 13（ 3）3 W. J. M. Kickert ， et. Application of a Fuzzy Controller in a warm waterPlant. Automat. 1976 ， 12（ 4）4 湯兵勇，等. 模糊控制理