实例介绍
【实例简介】
锅炉汽包水位模糊PID控制的LabVIEW仿真
Scientific Research System Simulation Technology Application (Volume 13) Table 1. Rule list of fuzzy control of Kp 据、结果显示。当运行程序时,只有前面板出现在计 表1.K模糊控制规则表 算机的屏幕上,作为虚拟仪器和用户的接口。与其他 E 仿真语言相比,除了能在 Labview软件中方便地使 EC NB NM NS ZO PS PM PB 用PID工具包进行模糊PID控制器设计外,在仿真过 NB PBPB PMPM PS Z0 ZO 程中还能实现对仿真参数的动态修改,只要按照要求 NM PB PM PSPS ZO NS 在前面板上写入相应的控制参数,便可以进行参数动 Ns P Ps ZO 态修改,相应的更新结果可由前面板以多种方式显小 ZO PM PM PS ZO NS NM N 出来并可以数据文件形式保存。使仿真过程变得更加 PSPSPS ZO NSNS NMNM 灵活、便捷。本文所用的前面板如图4所示。 PM PS ZO NS NM NⅥNMNB PB ZO ZO NMNM NM NBNB 4基于LabⅤIEW的模糊PID控制系统设计 美国NI( National Instruments)公司的LabⅤILW口回6,A·逦 是基于数据流的图形化编程语言G的开发环境,是仪 器控制与数据采集的编程平台,能快速构建实现交互 控制系统的图形用户界面,并且它与测量、自动化硬 Figure3. Flow chart of drum water level control system 件紧密的结合,具冇完善的数据采集、信号分析和信 图3.汽包水位控制系统仿真流程图 息显示的解决方案。 LabVIEW中的PD工具包(PID Toolkit提供∫一个完整的模糊控制设计系统,包括: 汽包水裨制实验 ·模糊逻辑控制器设计子程序( Fuzzy Logic Con- roller Design):提供一个友好的图形用户界面 (GUI),可以直观地设计和修改模糊控制器的 水过低 圣汽流量Fe的 艰属函数、规则库、推理规则和去模糊方法等等。 ●」售定 设计的结果保存在一个以结尾的文件中,应用 冷水入口 当诞0 程序就谴用此文件。 主PTD 模糊控制器子程序( Fuzzy Controller.ⅵ):作为程 在■a2 序的个功能模块(函数),用于在应用程序中 实现模糊控制算法。 调入控制器子程序( Load Fuzzy Controller.ⅵ) E四常数56 将fs文件调入应用稈序功能模块,将指定文件的 Figure 4.The front panel of drum level control system PID参数加载到应用程序的模糊控制器中。 图4.汽包水位控制系统前面板框图 软件设计由两部分组成,即前面板和流程图。在 前面板,用输入控件( Contro)来实现参数的输入,参 为了说明该控制策略相对其他控制方法的优越 数的显示和程序运行的结果由输出控件( ndicator来性生,同时作了锅炉汽包水位系统常规串级PD控制的 完成。流程图是完成程序功能的图形化源代码,通过仿真研究,其外回路和内国路均采用PD控制器,其 对控件设置合适的参数和连线建立控制系统。采用模PID控制器的算法为 糊PID控制的带前馈的串级三冲量控制系统的流程图 u(t)=k,,(e+T Gedt+ la dr) 如图3所示。 式中:ε为设定值与探制过程返回量之间的偏差, 基于 LabView开发的程序面板具有良好的人机K为比例增益,T为积分时间常数,Ta为微分时间常 互动的风格,使用简单。前面板提供了丰富的图形控数,u(为控制器输出量。根据图3,设置PID控制器 件,可以模拟传统仪器工作方式,在前面板上放置所的参数为K=3、T=150以及a4。两种控制方式的控 需要的控件和指示器,实现仪器控制以及较直观的数制效果如图5所示。 978-1-935068-81-5c2011 SirEs 40 o1994-2012cHinaAcademicJournalElectronicpUblishingHouse.Allrightsreservedhttp://www.cnki.net Scientifie System Simulation Technology Application( Volume 13) ° Researcl 从图5(a)可以看出,在无扰动情况下,采用普通差,而普通PID则在扰动过大的时候则无法做到这 PID进行控制超调量约有30%,而采用模糊PID控制点。在汽包水位的控制过程中,通过在不同时刻施加 则将超调量控制在10%以内,并且模糊PD控制更能不同扰动,其阶跃响应图显示岀模糊PD控制都要优 有效地减少上升时间与调节时间;在初始状态有扰动于普通的PID控制,对锅炉汽包所存在的“虚假水位 的情况下如图5(b)和5(c),模糊PID均比普通PID控控制得更好,达到更令人满意的效果。因此,采用模 制具有更小的超调量及更短的调节时间;在第一次稳糊Pυ控制策略比常规P控制策略具有较好的调节 定后施加两种扰动时如图5(d所示,模糊PID相比普品质以及较强的鲁棒性和抗干扰能力,而且能在对象 通PID不仅响应快,超调小,更有效地消除了稳态误模型失配的情况下表现出较强的适应能力。 设定值 直 世D (a)无扰动 (b)加入10%蒸汽扰动 (c)加入20给水扰动 (d第一次稳定后施加两种扰动 Figure 5. Curve: Unit step response of different disturbance 图5.不同扰动下的单位阶跃响应曲线 5结束语 Steam Generator[],Journal of System Simulation, 2004, 16(10) P450-453. 提出了使用 Labview构建模糊控制器进行锅炉 刘红军,韩璞,工东风,锅炉汽包水位系统 DMC-PID串级控 制仿真研究[,系统仿真学报,204,16(10),P450-453 汽包八位控制的仿真研究,通过比较两种控制方式,[41 XU Chun-mci, ZHANG Haol, YANG Ping, Nonlincar pid-P cascade control for boiler drum level [J]. East China Electric 可以看出对于锅炉汽包水位,采用模糊PID控制在上 Power:2009,37(5),P838~84 升时间、超调量、调节时间等控制性能都要优于普通 凃春梅,张浩,杨平汽包水位串级二冲量非线性PID控制系 统[,华东电力,2009,37(5):838~84 PⅠD控制。基于 LabVIew语言采用流程图形式开发的51 Chul-lIwan Jung, et al. A real-time self-tuning fuzzy controller 应用程序,具有良好的人机交互界面,形象直观的控 through scaling factor adjustment for the steam generator of NPl 574:53-60 制界面,更强的数据处理功能及简便实用的参数显示(6] SONG Zhi-gang; YU Qi-xiang; WANG Yi-ming;ctl, Devclop 功能。比使用其他仿真语言(如Maab/ Simulink工具 ment of fuzzy controller for parameters adaptation of PID con- troller based on L abvIEW[1, Machinery Design manufacture 箱)更容易实现各个模块之间传递数据,仿真过程还 2003(4):P11~12. 能动态修改仿真参数并实时更新,可以更好地配置控 宋智罡,郁其祥,王益明等,基于 LabVIew的PID参数自 适应模糊控制器设计山J,机械设计与制造,2003(4:11~12 制器参数以达到最优,大大缩短没计周期,提高开发[7] Jin Yihui, Process Control [m, Beijing: TSinghua universily 效率,具有较大的工程实用价值。 press. 1988 金以慧,过程控制[M,北京:清华大学出版社,1998 [8 ZHAO Baochun, LUO Zon-gan, LIu Xianghua, Design and References(参考文献 simulation of fuzzy logic controller based on LabVIEW], Con trol Engineering of China, 2006, 13(S1 ): 49-52 [1] CHEN Hong-wei, XU Zhen-yu, YANG Bo, et al, Analysis of the 赵宝纯,骆宗安,刘相华,基于LabⅤIEW的模糊控’器设计 Influential Factors to Boiler Drum Level [], Power System En 与仿真[,控制工程,2006,13:4952 neering,2007,23(02):32-33 [9] JiN Zhiqiang, Biao Qiliang, A method of design of PID controller 陈鸿伟,许振宇,杨博,等锅炉汽包水位影响因素分析[电 based on I abvIEW[], Control Automation, 2005, 21(6): 1-2 站系统工程,2007,23(02):32-33 金志强,包启亮,一种基于LabⅤIEW的PID控制器设计的 [2 ZHOU Jia, CAO Xiao-ling, LIU Yong-wen, Controlling Strategy 方法[,微计算机信息,2005,21(6):1-2 Analysis of Drum Level in Boiler [J]. Boiler Technology, 2005, [10] National Instrument, Lab VIEW simulation moduler user manual 36(03):5~10. IM, Austin: National Instruments, 2004 周佳,曹小玲,刘永文,锅炉汽包水位控制策略的现状分炘[11 LI Guo-yng, A New Fu∠ y PID Controller[ J Journal of Sys- 「J,锅炒技术,2005,36(03),P5-10 tem simulation,2003,15(10):1492-1496 [3 IIU Hongjun, HAN Pul, WANG Dongfeng, Simulation Research 李国勇,一和新型的模糊PID控制器[J,系统仿頁学报, of DMC-PID Cascade for Water Level System of a Drum boile 2003,15(10),P1492-1496 978-1-935068-81-502011 Scares. o1994-2012ChinaAcademicJournalelEctronicPublishingHouse.Allrightsreservedhttp://www.cnki.ner 【实例截图】
【核心代码】
锅炉汽包水位模糊PID控制的LabVIEW仿真
Scientific Research System Simulation Technology Application (Volume 13) Table 1. Rule list of fuzzy control of Kp 据、结果显示。当运行程序时,只有前面板出现在计 表1.K模糊控制规则表 算机的屏幕上,作为虚拟仪器和用户的接口。与其他 E 仿真语言相比,除了能在 Labview软件中方便地使 EC NB NM NS ZO PS PM PB 用PID工具包进行模糊PID控制器设计外,在仿真过 NB PBPB PMPM PS Z0 ZO 程中还能实现对仿真参数的动态修改,只要按照要求 NM PB PM PSPS ZO NS 在前面板上写入相应的控制参数,便可以进行参数动 Ns P Ps ZO 态修改,相应的更新结果可由前面板以多种方式显小 ZO PM PM PS ZO NS NM N 出来并可以数据文件形式保存。使仿真过程变得更加 PSPSPS ZO NSNS NMNM 灵活、便捷。本文所用的前面板如图4所示。 PM PS ZO NS NM NⅥNMNB PB ZO ZO NMNM NM NBNB 4基于LabⅤIEW的模糊PID控制系统设计 美国NI( National Instruments)公司的LabⅤILW口回6,A·逦 是基于数据流的图形化编程语言G的开发环境,是仪 器控制与数据采集的编程平台,能快速构建实现交互 控制系统的图形用户界面,并且它与测量、自动化硬 Figure3. Flow chart of drum water level control system 件紧密的结合,具冇完善的数据采集、信号分析和信 图3.汽包水位控制系统仿真流程图 息显示的解决方案。 LabVIEW中的PD工具包(PID Toolkit提供∫一个完整的模糊控制设计系统,包括: 汽包水裨制实验 ·模糊逻辑控制器设计子程序( Fuzzy Logic Con- roller Design):提供一个友好的图形用户界面 (GUI),可以直观地设计和修改模糊控制器的 水过低 圣汽流量Fe的 艰属函数、规则库、推理规则和去模糊方法等等。 ●」售定 设计的结果保存在一个以结尾的文件中,应用 冷水入口 当诞0 程序就谴用此文件。 主PTD 模糊控制器子程序( Fuzzy Controller.ⅵ):作为程 在■a2 序的个功能模块(函数),用于在应用程序中 实现模糊控制算法。 调入控制器子程序( Load Fuzzy Controller.ⅵ) E四常数56 将fs文件调入应用稈序功能模块,将指定文件的 Figure 4.The front panel of drum level control system PID参数加载到应用程序的模糊控制器中。 图4.汽包水位控制系统前面板框图 软件设计由两部分组成,即前面板和流程图。在 前面板,用输入控件( Contro)来实现参数的输入,参 为了说明该控制策略相对其他控制方法的优越 数的显示和程序运行的结果由输出控件( ndicator来性生,同时作了锅炉汽包水位系统常规串级PD控制的 完成。流程图是完成程序功能的图形化源代码,通过仿真研究,其外回路和内国路均采用PD控制器,其 对控件设置合适的参数和连线建立控制系统。采用模PID控制器的算法为 糊PID控制的带前馈的串级三冲量控制系统的流程图 u(t)=k,,(e+T Gedt+ la dr) 如图3所示。 式中:ε为设定值与探制过程返回量之间的偏差, 基于 LabView开发的程序面板具有良好的人机K为比例增益,T为积分时间常数,Ta为微分时间常 互动的风格,使用简单。前面板提供了丰富的图形控数,u(为控制器输出量。根据图3,设置PID控制器 件,可以模拟传统仪器工作方式,在前面板上放置所的参数为K=3、T=150以及a4。两种控制方式的控 需要的控件和指示器,实现仪器控制以及较直观的数制效果如图5所示。 978-1-935068-81-5c2011 SirEs 40 o1994-2012cHinaAcademicJournalElectronicpUblishingHouse.Allrightsreservedhttp://www.cnki.net Scientifie System Simulation Technology Application( Volume 13) ° Researcl 从图5(a)可以看出,在无扰动情况下,采用普通差,而普通PID则在扰动过大的时候则无法做到这 PID进行控制超调量约有30%,而采用模糊PID控制点。在汽包水位的控制过程中,通过在不同时刻施加 则将超调量控制在10%以内,并且模糊PD控制更能不同扰动,其阶跃响应图显示岀模糊PD控制都要优 有效地减少上升时间与调节时间;在初始状态有扰动于普通的PID控制,对锅炉汽包所存在的“虚假水位 的情况下如图5(b)和5(c),模糊PID均比普通PID控控制得更好,达到更令人满意的效果。因此,采用模 制具有更小的超调量及更短的调节时间;在第一次稳糊Pυ控制策略比常规P控制策略具有较好的调节 定后施加两种扰动时如图5(d所示,模糊PID相比普品质以及较强的鲁棒性和抗干扰能力,而且能在对象 通PID不仅响应快,超调小,更有效地消除了稳态误模型失配的情况下表现出较强的适应能力。 设定值 直 世D (a)无扰动 (b)加入10%蒸汽扰动 (c)加入20给水扰动 (d第一次稳定后施加两种扰动 Figure 5. Curve: Unit step response of different disturbance 图5.不同扰动下的单位阶跃响应曲线 5结束语 Steam Generator[],Journal of System Simulation, 2004, 16(10) P450-453. 提出了使用 Labview构建模糊控制器进行锅炉 刘红军,韩璞,工东风,锅炉汽包水位系统 DMC-PID串级控 制仿真研究[,系统仿真学报,204,16(10),P450-453 汽包八位控制的仿真研究,通过比较两种控制方式,[41 XU Chun-mci, ZHANG Haol, YANG Ping, Nonlincar pid-P cascade control for boiler drum level [J]. East China Electric 可以看出对于锅炉汽包水位,采用模糊PID控制在上 Power:2009,37(5),P838~84 升时间、超调量、调节时间等控制性能都要优于普通 凃春梅,张浩,杨平汽包水位串级二冲量非线性PID控制系 统[,华东电力,2009,37(5):838~84 PⅠD控制。基于 LabVIew语言采用流程图形式开发的51 Chul-lIwan Jung, et al. A real-time self-tuning fuzzy controller 应用程序,具有良好的人机交互界面,形象直观的控 through scaling factor adjustment for the steam generator of NPl 574:53-60 制界面,更强的数据处理功能及简便实用的参数显示(6] SONG Zhi-gang; YU Qi-xiang; WANG Yi-ming;ctl, Devclop 功能。比使用其他仿真语言(如Maab/ Simulink工具 ment of fuzzy controller for parameters adaptation of PID con- troller based on L abvIEW[1, Machinery Design manufacture 箱)更容易实现各个模块之间传递数据,仿真过程还 2003(4):P11~12. 能动态修改仿真参数并实时更新,可以更好地配置控 宋智罡,郁其祥,王益明等,基于 LabVIew的PID参数自 适应模糊控制器设计山J,机械设计与制造,2003(4:11~12 制器参数以达到最优,大大缩短没计周期,提高开发[7] Jin Yihui, Process Control [m, Beijing: TSinghua universily 效率,具有较大的工程实用价值。 press. 1988 金以慧,过程控制[M,北京:清华大学出版社,1998 [8 ZHAO Baochun, LUO Zon-gan, LIu Xianghua, Design and References(参考文献 simulation of fuzzy logic controller based on LabVIEW], Con trol Engineering of China, 2006, 13(S1 ): 49-52 [1] CHEN Hong-wei, XU Zhen-yu, YANG Bo, et al, Analysis of the 赵宝纯,骆宗安,刘相华,基于LabⅤIEW的模糊控’器设计 Influential Factors to Boiler Drum Level [], Power System En 与仿真[,控制工程,2006,13:4952 neering,2007,23(02):32-33 [9] JiN Zhiqiang, Biao Qiliang, A method of design of PID controller 陈鸿伟,许振宇,杨博,等锅炉汽包水位影响因素分析[电 based on I abvIEW[], Control Automation, 2005, 21(6): 1-2 站系统工程,2007,23(02):32-33 金志强,包启亮,一种基于LabⅤIEW的PID控制器设计的 [2 ZHOU Jia, CAO Xiao-ling, LIU Yong-wen, Controlling Strategy 方法[,微计算机信息,2005,21(6):1-2 Analysis of Drum Level in Boiler [J]. Boiler Technology, 2005, [10] National Instrument, Lab VIEW simulation moduler user manual 36(03):5~10. IM, Austin: National Instruments, 2004 周佳,曹小玲,刘永文,锅炉汽包水位控制策略的现状分炘[11 LI Guo-yng, A New Fu∠ y PID Controller[ J Journal of Sys- 「J,锅炒技术,2005,36(03),P5-10 tem simulation,2003,15(10):1492-1496 [3 IIU Hongjun, HAN Pul, WANG Dongfeng, Simulation Research 李国勇,一和新型的模糊PID控制器[J,系统仿頁学报, of DMC-PID Cascade for Water Level System of a Drum boile 2003,15(10),P1492-1496 978-1-935068-81-502011 Scares. o1994-2012ChinaAcademicJournalelEctronicPublishingHouse.Allrightsreservedhttp://www.cnki.ner 【实例截图】
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