基于双模糊控制器的水箱液位控制

摘要：针对工业锅炉自动控制系统中的水箱系统液位控制问题，提出基于模糊控制器的基础上，设计实现一种双模糊控制器。根据输出信号的误差大小分别利用两个模糊控制器进行控制，控制结果传递给调节器，以实现水箱水位不变。从仿真结果来看，双模糊控制器有效地减小了系统稳态误差，响应时间、超调量、稳定时间等性能优于传统的PID控制。
关键词：双模糊控制器；水箱；液位控制；调节器

0 引言
    对于典型工业系统的控制，很多专家和学者都应用模糊控制实现了对复杂系统的设计和仿真，如曾鸣等人应用双模糊控制器实现对车辆半主动悬架控制；周妮娜应用于模糊控制器实现对锅炉除氧系统的控制；张松兰等人设计了锅炉汽包水位模糊自适应控制策略等。本文针对工业锅炉中的水箱液位控制，设计了一种双模糊控制器，实现对系统的无误差控制。

1 双模糊控制器原理
    单模糊控制器主要用于快速响应及对大误差的消除，在单模糊控制器中，若使误差量化因子KE增大，相当于缩小了误差的基本论域，增大了对误差变量的控制作用。同时，将误差变化率因子KEC增大，可减小超量；将控制量的比例因子KU减小，可减小系统振荡。
    双模糊控制器原理图如图1所示。假设变量eo为大、小误差的临界值(人为可以根据实际设定)，当系统误差较大时，用单模糊控制器(1)进行控制，以达到快速响应及消除误差的目的；当系统的误差较小时，用单模糊控制器2进行控制，以改善模糊控制器对于系统误差较小时的控制效果，进而帮助取得较好的控制效果。

2 锅炉液位控制系统的双模糊控制设计
    锅炉液位控制系统的原理简图如图2所示。入口处的阀门由一个调节器控制，以保持水位的不变，出口处的阀门由外部操纵。

    进行仿真时，给定输入信号为单位阶跃信号。控制对象数学模型表示为：
   
    该系统是一个大滞后系统，为非线性工业控制对象。输入信号误差E量化为8个等级{NB，NM，NS，NO，PO，PS，PM，PB}；误差变化率EC和输出变量U量化为7个等级{NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB}，误差E及误差变化率、输出变量论域为[-6，+6]。误差E及误差变化率、EC输出变量U的隶属度函数选为三角形隶属度函数。
    在总结专家经验和过程知识的基础上，得到模糊控制规则表如表1所示。控制规则多少决定了控制系统的精度，控制规则的多少也与输入／输出变量数目、每一变量的语言值数目等因素有关。该系统共设计了56条规则，见模糊控制规则表1。

    使用的推理方法是最大最小推理法。最终推理结果是以模糊子集的形式来表示系统输出量阀门的校正量。

3 仿真结果及分析
    利用Matlab的Simulink进行仿真，建立该系统的双模糊控制器仿真结构图如图3所示，仿真示意图如图4所示。

    仿真结果如图5所示。

    从结果对照图来看系统响应时间的对比，即：双模糊控制响应时间短，只需不到300 s即可使系统到达稳态，常规PID控制响应时间长，大约需要600 s。常规PID控制存在明显的超调，双模糊控制则没有超调，双模糊控制器在稳态时消除了系统稳态误差。

4 结语
    本文设计实现了一种双模糊控制器，利用双模糊控制器完成了对系统的仿真。仿真结果显示，双模糊控制器的上升时间短，响应速度快，稳态精度高。从实验来看，双模糊控制器可以改善系统的控制精度和稳定性能。若将该理论应用于实际工程，无疑具有很好的应用价值。