基于模糊PID算法的电动阀控制浮选柱液面的应用研究

基于模糊 PID算法的电动阀控制浮选柱液面的应用研究

郭喜民

（北京华宇中选洁净煤工程技术有限公司，北京， 100000）

摘 要：本文以浮选柱液面为控制对象，该系统具有大惯性，大滞后，非线性，以及控制的数学模型难以找到等特点。利用PID控制的可靠性和稳定性强和模糊算法不需寻找数学模型的优点，采用模糊算法和PID控制相结合的控制方法控制电动阀。通过电动阀调控浮选柱液面，达到液面控制的目的。

关键字：浮选柱；电动阀；模糊PID控制

1 引言

近年来,浮选柱作为一种高效的选煤设备在选煤生产中的发挥着重要的作用，随着浮选柱的推广应用，其自动控制及液位检测的设计越发的难以满足生产的要求。在实际操作中，大多的浮选工采用手动控制矿浆液面控制闸门，用经验控制浮选柱的液面和泡沫厚度，由于每个工人经验不同，所带来的控制效果也不同，使浮选效率难以提高。而在浮选柱的液面控制中，由于此系统具有大惯性，大滞后，非线性等特点，实现浮选柱的自动控制关键问题在于柱内液面的控制，这也是提高浮选柱使用效率的前提。

PID控制器以其结构简单，性能可靠以及调整方便而广泛应用于工业领域中。此外，基于理论的控制方法和模糊数学思想的模糊控制是通过模糊数学来控制或处理过于复杂或难以准确描述的系统^[1-2]。

本文采用PID控制与模糊算法相结合的方法，利用模糊控制原理中的知识库以及模糊推论对PID的三个参数进行实时调节，提高控制精度，保证了控制系统的快速反应和稳定性，取得了良好的控制效果。

2模糊算法与PID控制结合的原理

2.1模糊控制特点

模糊控制的基础是人工经验，其表达手段为模糊控制语言，可以有效处理传统控制方法难以实现或解决的控制问题。与传统控制技术相比，由于对外界的干扰有较强的抑制能力，对被控对象的参数变化有较强的鲁棒性，易于对非线性系统或不确定系统进行控制以及具有无需知道被控对象的数学模型等特点，模糊控制近些年得到了快速发展。其具体特点主要表现为：

1．模糊控制采用的是连续多值逻辑，当系统参数发生变化时，能更容易地实现稳定控制，具有较强的适应性与鲁棒性，对参数变化不灵敏。

2．采用人类思维中的模糊量表达，而且由模糊推理导出控制量。模糊推理和模糊量反映了人类的智能活动和思维，体现出了人类的智能控制。

3．模糊控制的设计依据是以人对被控系统的控制经验，不需要建立被控对象的数学模型。

4．模糊控制的规则是模糊控制的核心，这些规则用人类语言表达，易被人们所接受。

5．参数调整和系统规则简便。

6．模糊控制系统的软硬件实现都比较简单，构造容易。

常规模糊控制器原理示意图如图1所示：

图1 常规模糊控制器原理

2.2 PID控制规律

PID控制规律：

式中: k_p -比例系数; T_t-积分时间常数; T_D-微分时间常数。

PID控制分为比例环节、积分环节和微分环节，三个环节各自的特点如下:

1. 比例环节：作为简单的控制方式的一种，比例控制是使控制器输入和输出的偏差信号成比例，可以较快且成比例的反映控制系统的偏差信号e(t)，并快速的对控制系统产生控制信号。

2. 积分环节：使积分控制器的输出与输入偏差信号的积分成正比关系是本环节的主要作用。积分控制通过对时间的积分，可以消除控制工程系统中存在的稳态误差。在这个过程中，“积分项”随着时间的增加而增大，控制器的输出也随之增大，从而减小了稳态误差。

3. 微分环节：控制器的输出与输入偏差信号的微分成正比关系是本环节的主要作用。由于系统中存在有较大的滞后组件或惯性组件，因此控制系统的调节过程中经常会出现振荡现象甚至是失稳的情况。为了解决振荡的问题，在控制系统中引入微分环节，对存在有较大的滞后或惯性的被控对象，比例微分(PD)控制器可以明显改善控制系统中存在的失稳或振荡情况。

（3）模糊PID控制是结合PID 控制和模糊控制结合得出的控制方式,其基本原理如下^[3]:

图2 模糊PID控制器原理

由上图可知，整个控制系统由PID和模糊控制两个部分构成，当传感器检测到的信号传入比较器并比较后有误差存在时，把误差和误差变化率作为变量输入，输入到模糊控制器。模糊控制器通过模糊化，模糊推论，再清晰化等过程最终输出PID的三个参数，再利用PID的控制原理对浮选柱的液面进行控制。这样的结合就避免了PID控制中三个参数的人工调节所带来的控制系统的不稳定性。

3模糊PID控制的设计

模糊控制器输入变量E和EC分别表示液位偏差和偏差变化率，将变量E和EC模糊化,论域为[-6,-5,-4,-3,-2,-1,0,1,2,3,4,5,6]。输出变量U为控制量,论域为[-6,-5,-4,-3,- 2,-1,0,1,2,3,4,5,6]。输入和输出变量的语言值均取7个，即{NB,NM,NS,ZE,PS,PM,PB}，含义依次为负大、负中、负小、零、正小、正中和正大。其中，U，EC和E的函数皆为均匀分布和全交叠的三角形隶属度函数，采用重心法解模糊。根据试验时的调节经验,模糊控制规则如表1所示，此表只用一个参数说明，PID其他两个参数同理可得

^[4]。

为了实现模糊控制，需要先将对输入的控制量进行模糊化处理，并在模糊集合里进行讨论，从而得到相应的隶属函数。当某个区域内的隶属度与输入值E落在该区域内有不同时，那么表明两者性质相近。

模糊PID控制以西门子PLC为控制核心，辅以相应的液位传感器，变送器和电动阀。在整个控制系统中，液位传感器测量浮选柱液位，并通过变送器转化为4-20mA输入PLC，经过PLC的模糊PID控制后，以标准控制信号输出给电动阀，进而对液面进行调节。

经过仿真后，把仿真结果和传统PID控制的结果做比较，其比较图如下：

图5 系统响应曲线

图5为系统响应曲线图，曲线1为传统PID控制曲线，曲线2为基于模糊算法PID控制曲线。由图可知，曲线1和曲线2控制的上升时间相当，而对于调节时间而言，曲线2明显更快而且没有超调量，稳定性得到了提高。所以此控制方法在时域分析中比传统的PID控制有明显的优势。

4结论

采用模糊PID控制浮选柱的液面，相比于传统的控制方法相比，其稳定性有了很大的提高，并且反应迅速，调节的稳定误差较小，液面相对平稳，对提高浮选效率有重要意义。

[参考文献]

[1] 崔艳，智能模糊PID控制系统研究与设计:(硕士学位论文).太原理工大学，2005.

[2] 周祖德，陈幼平主编.机电一体化控制系统技术和系统.华中科技大学出版社

[3] 模糊PID控制技术研究发展回顾及其面临的若干问题.自动化学报，2001

[4] 吕春兰，王立国，孟亚男等.基于模糊自整定PID参数控制器的设计.吉林化工学院学，2002.

[5] 苏明， 陈伦军 模糊PID控制及其MATLAB仿真[J].计算机应用，2004（4）：51～54.