第4期 洪清辉 : 基于PLC的水位模糊控制器设计 75

图1给出了水位模糊控制系统控制模型图，H表示水位高度，依水位高度将水箱划分为A、B、C 三区. A、C区分别为水位极高、极低区域，是高位、低位警戒区；B区为高效运行区，是系统经常运行的区域. 系统总的控制模式为：当H∈A时，系统运行减机模式；当H∈B时，系统运行节能模式；当H∈C时，系统运行加机模式.

系统效率 η∝Kn³dt ∈0.6～1.0N

系统节能模式是本文的研究重点，根据此图可设计一个水位模糊控制器，使变频器的输出频率即电动机的转速随着水位的变化而自动改变，使系统能够在最快地响应用户用水要求的同时，在时间上最大限度地工作在高效区，这样，系统运行的效率就可以提高，此时的系统工作于最佳状态，从而提高系统的响应速度，达到系统稳定性与快速性的较好结合[3]. ∫nn

3 水位模糊控制器的设计

在用户较多且用水时间不确定的情况下，水位波动较大，精确的数学模型很难建立. 若采用传统的PID算法则控制稳定性较差，整定参数也较难. 对于难以确定数学模型且控制精度要求不太高的系统，采用模糊控制算法是一种实用有效的方法. 依据上述分析，对水位控制类变频调速模糊控制器进行相应的设计：首先，采用水位传感器获得当前水位的水位值，并且把水位值通过微分以获得水位变化的趋势；接着，将水位值及水位变化的趋势输入到A/D转换器内转化为相应的数字量输出；然后将这两个数字量输入到模糊控制器内,按照一定的模糊控制规则进行操作，如当水位工作在A、C区时进行开电机或切除电机的操作；当水位工作在高效运行区内对电机频率进行模糊节能控制[4].

图2 模糊控制系统框图 如图2所示，模糊控制器采用双输入单输出的方式，通过变频调速来调节水位的高低. 所以，选择水位偏差e和水位偏差率ec作为模糊控制器的输入，取控制增量△u作为模糊控制器的输出量[5]. 其中，Ke、Kec为量化因子，Ku为比例因子. 设给定水位变化范围在0—H，传感器输出4—20mA的信号电流，取水位偏差e、水位偏差率ec、控制增量△u的数值范围分别为[-20，+20]、[-12，+12]、[-30，+30]. 根据系统要求，将水位偏差e所对应的语言变量E分成7档，每一档对应一个模糊子集，相应论域将精确量离散化分为13个量. 即：E= {NL：负大，MN：负中，NS：负小，0：零，PS：正小，PM：正中，PL：正大}. 若将论域在[-20，+20]间变化的水位偏差e转换到[-6，+6]区间变化的e’，其量化因子Ke =6/20=0.3，可确定出e各档、级的隶属度表. 水位偏差率ec对应的语言变量EC分为7档，相应论域分为13个级. EC = {NL：负大，MN：负中，NS：负小，0：零，PS：正小，PM：正中，PL：正大}. 将论域在[-12，+12]间变化的水位偏差率ec转换到[-6，+6]区间变化的ec’，其量化因子Kec=6/12=1/2. 控制增量△u所对应的语言变量分为7档，每档对应13级. U={NL：负大，MN：负中，NS：负小，0：零，PS：正小，PM：正中，PL：正大}. 将论域在[-30，+30]间变化的控制增量△u转换到[-6，+6]区间变化的△u’，其比例因子Ku=5，如表1所示：

表1 e 各档、级隶属度表 e’

-6 -5 -4 -3 -2 -1 0 +1 +2 +3 +4 +5 +6

NL 1.0 0.6 0.1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0

NM 0.1 0.6 1.0 0.6 0.1 0 0 0 0 0 0 0 0

NS 0 0 0.1 0.6 1.0 0.6 0.1 0 0 0 0 0 0

0 0 0 0 0 0.1 0.6 1.0 0.6 0.1 0 0 0 0

PS 0 0 0 0 0 0 0.1 0.6 1.0 0.6 0.1 0 0

PM 0 0 0 0 0 0 0 0 0.1 0.6 1.0 0.6 0.1 PL 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0.1 0.6 1.0

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