基于模糊PID的双容水箱液位控制系统的设计

李亚 李高

摘要：本文将介绍模糊PID在双容水箱液位控制系统中的应用。首先建立双容水箱的数学模型，将传统的PID控制方法与模糊PID控制方法做对比;最后采用MATLAB/Simulink进行仿真研究。仿真结果表明采用模糊PID控制比传统的PID控制精度高，鲁棒性强，动态性能好等优点，实验结果表明，该控制方法对双容水箱类控制系统是有效的。

关键词：双容水箱;PID控制;模糊控制;Simulink仿真

中图分类号：TP213 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2019）07-0011-02

1 双容水箱的数学模型建立

1.1 双容水箱的总体结构分析

双容水箱的总体的结构图如图1所示，水箱的主体部分由两个圆柱形水箱组成，各个水箱分别设有出水阀门和进水阀门，并分别与水泵1和水泵2相连。在试验过程中，水槽中的水被水泵1和水泵2抽出后经过比例阀门1和比例阀门2进入圆柱形水箱，然后分别通过各自的出水阀门1和2流回到水槽中，两个圆柱形水箱的进水流量和出水流量分别由各自的阀门进行调节。我们还在两个圆柱形水箱间设立了一个连通阀门，通过调节该阀门的开度大小可以改变两个水箱间的水流量。

1.2 水箱数学模型推导

2 控制器设计

2.1 PID控制系统原理图及其数学模型

根据偏差的比例（P）、积分（I）、微分（D）进行控制（简称PID控制），是实验研究与日常生产中最常见的也是应用最普遍的一种控制方法。常规的PID控制系统的原理框图如图2所示。

3 仿真设计

对传统PID控制方法的仿真。经过查阅相关资料，我们知道双容水箱的传递函数为：G（s）=

当参数取K=20，Ti=1，Td=350时，得到的仿真效果图如图4所示。

4 结语

4.1 两种控制方法的对比研究

当双容水箱存在延时和干扰时，这时候再继续使用传统的PID控制方法是不准确的，系统的超调量比较大，最后不能到达稳态值，振荡比较严重。传统的PID控制方法往往满足不了我们的要求，而模糊PID对数学模型的要求不是特别高，故当系统的传递函数发生变化时，对控制要求的影响不会太大，本课题所设置的方法也能基本满足双容水箱的液位控制要求。

4.2 本课题控制方法中存在的一些问题及不足

雖然模糊PID针对传递函数不稳定和存在纯延时的控制系统向比较与传统PID会有一个比较良好的控制效果，但是如果针对固定的系当传递函数不发生变化时，模糊PID的控制效果并不比传统的PID控制效果好，甚至还没有传统的PID控制方法效果好，如：系统的响应时间比较慢，通过调节一些参数使响应加快的时候，又发现超调量又比较大，或者系统的振荡比较严重等等问题，还需要通过更好的控制方法来解决。

参考文献

[1] 王志新，关云东，王佳银，宋雯彦.双容水箱上的几种液位控制实验及被控对象的数学模型[J].北京师范大学学报，2006，42（2）：127-129.

[2] 王维荣.模糊控制技术在双容水箱液位控制中的应用研究[J].天水师范学院学报，2010，30（5）：122-125.

[3] 胡宝钢，应浩.模糊PID控制技术研究发展回顾及其面临的若干重要问题[J].自动化学报，2001，27（4）：568-570.

[4] 晓伟.水箱液位PID控制系统研究[J].制造业自动化，2012，34（17）：91-93.