CN102354229A - 一种液位模糊控制器及工作方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种液位模糊控制器及工作方法，控制器通过传感器采集到当前的液位值，求出与设定液位值的偏差E以及偏差变化率EC；根据模糊控制的要求，对偏差E和偏差变化率EC进行规范化和模糊化处理，处理的结果将E和EC变换为模糊集合中对应的论域值M，N；根据M、N的值，查出模糊控制响应表，得出输出控制量。液位模糊控制器价格低廉、集成度高、结构简单、可靠性高、处理功能强、便于操作且稳定性高和抗干扰性强等优点。这不但能满足工业生产中对液位控制的要求，而且对锅炉等设备的损坏也越来越小，保证了工作人员的人身安全。

Description

一种液位模糊控制器及工作方法

技术领域

本发明涉及一种控制技术，特别涉及一种液位模糊控制器。

背景技术

在石油化工等工业当中对液位的控制是非常重要的。它不仅仅要求可靠性高，而且随着我国经济的发展，对液位控制的精度也越来越高。近来不断有因为液位控制不当而造成的设备损坏等严重工业事故，不但造成了大量的财物损失，而且时有人员伤亡。因此，液位控制的精度和可靠性越来越受到人们的关注。

发明内容

本发明是针对现在液位控制要求高的问题，提出了一种液位模糊控制器及工作方法，结合液位检测，模数转换，LED显示，电磁阀和模糊控制技术，基于单片机的模糊理论实现对液位的控制，其控制的安全越来越可靠、精度也越来越高。

本发明的技术方案为：一种液位模糊控制器，包括单片机主机系统、数据采集电路、LED显示电路、按键与超限报警电路、输出控制电路，数据采集电路包括液位传感器和模数转换芯片，按键与超限报警电路、数据采集电路将信号输入单片机主机系统进行数据处理，输出状态信号到LED显示电路显示，同时将驱动信号通过输出控制电路送到执行机构。

一种液位模糊控制器工作方法，包括液体模糊控制器，具体包括如下步骤：

（1）定义模糊控制器的输入输出变量：定义实际液位与给定液位的误差E及其误差变化EC作为输入变量，把控制流量的供电电压U选作输出语言变量；

（2）确定各输入、输出变量的变化范围、量化等级和量化因子：分别定义模糊化后的误差E、误差变化率EC和控制量的变化U的模糊语言变量分为7级：{负大，负中，负小，零，正小，正中，正大}，简记为：{NB，NM，NS，ZE， PS， PM，PB}，误差E的论域为[-100，100]；误差变化EC的论域为[-150，150]；控制输出U的论域为[-64，64]，则各比例因子为：                                               

=3/100，

=3/150=1/50，

=64/4=16；

（3）在各输入输出变量的变化范围内定义模糊子集：首先确定各语言变量论语内子集的个数，为了提高稳态点控制的精度，对各个子集进行量化；

（4）模糊控制规则的确定：将操作员的控制经验加以总结得到集合，根据实际经验得出控制规则表如下：

（5）求模糊控制表：根据模糊控制规则表必须对所有输入语言变量量化后的各种组合通过模糊逻辑推理的一套方法离线计算出每一个状态的模糊控制器输出，最终生成一张模糊控制表；

（6）模糊控制的实现：液位模糊控制器通过传感器采集到当前的液位值，求出与设定液位值的偏差E以及偏差变化率EC，根据步骤（2）和（3）对偏差E和偏差变化率EC进行规范化和模糊化处理，处理的结果将E和EC变换为模糊集合中对应的论域值M，N；根据M, N的值，查步骤（5）所得模糊控制表，得出输出控制量。

本发明的有益效果在于：本发明液位模糊控制器及工作方法，价格低廉、集成度高、结构简单、可靠性高、处理功能强、便于操作且稳定性高和抗干扰性强等优点。这不但能满足工业生产中对液位控制的要求，而且对锅炉等设备的损坏也越来越小，保证了工作人员的人身安全。

附图说明

图1为本发明模糊控制流程图；

图2为本发明液位模糊控制器单片机最小系统图；

图3为本发明液位模糊控制器电源电路原理图；

图4为本发明液位模糊控制器数据采集原理图；

图5为本发明液位模糊控制器显示电路中共阳极LED原理图；

图6为本发明液位模糊控制器显示电路中共阴极LED原理图；

图7为本发明液位模糊控制器显示电路中LED外形及引脚图；

图8为本发明液位模糊控制器显示电路中LED显示原理图；

图9为本发明液位模糊控制器按键原理图；

图10为本发明液位模糊控制器超限报警原理图；

图11为本发明液位模糊控制器输出控制电路图；

图12为本发明液位模糊控制器主程序流程图；

图13为本发明液位模糊控制器按键子程序流程图；

图14为本发明液位模糊控制器模数转换子程序流程图；

图15为本发明液位模糊控制器检测子程序流程图。

具体实施方式

模糊控制器是按一定的语言规则进行工作的，而这些控制规则是建立在总结操作员控制经验的基础上的。且大多数模糊逻辑推理方法采用Mamdani极大极小推理法。要执行模糊控制，在数字计算机中就必须以一定的算法来实现，这些模糊控制算法的目的是从输入的连续精确量中，通过模糊推理的算法过程，从而求出相应的精确控制值来。模糊控制算法有多种实现形式，常用的方法有合成推理的关系矩阵法、合成推理的查表法、合成推理的解析公式法、强度转移法和后件函数法等。在实际系统中，通常单片机是采用合成推理的查表法来实现模糊控制的。查表法模糊控制器的设计步骤：

（1）确定模糊控制器的输入输出变量：

模糊控制器选用系统的实际液位与给定液位的误差E及其误差变化EC作为输入语言变量，把控制流量的供电电压U选作输出语言变量。这样就构成了一个二维模糊控制器。

（2）确定各输入、输出变量的变化范围、量化等级和量化因子：

考虑到液位控制实际条件和控制精度，分别定义模糊化后的误差E、误差变化率EC和控制量的变化U的模糊语言变量分为7级：{负大，负中，负小，零，正小，正中，正大}，简记为：{NB，NM，NS，ZE， PS， PM，PB}，其论域设为：E={-3，-2，-1，0，1，2，3}；EC= {-3，-2，-1， 0，1，2，3}；U= {-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5，6}。误差E的论域为[-100，100]；误差变化EC的论域为[-150.，150]；控制输出U的论域为[-64，64]。则各比例因子为：

=3/100，

=3/150=1/50，

=64/4=16。

（3）在各输入输出变量的变化范围内定义模糊子集：

首先确定各语言变量论语内子集的个数，为了提高稳态点控制的精度，本系统的量化方式采用非线性化。如下表1语言变量E赋值表、表2语言变量EC赋值表、表3语言变量U复制表：

表1：

表2

表3

（4）模糊控制规则的确定

模糊控制规则实质上是将操作员的控制经验加以总结而得出一条条模糊条件语句的集合。确定模糊控制规则的原则是必须保证控制器的输出能够使系统输出响应的动静态特性达到最佳。根据实际经验得出控制规则表4如下：

表4

（5）求模糊控制表

模糊控制表是最简单的模糊控制器之一。它可以通过查询将当前时刻模糊控制器的输入变量量化值（如误差、误差变化量化值）所对应的控制输出值作为模糊逻辑控制器的最终输出，从而达到快速实时控制。模糊控制规则表必须对所有输入语言变量（如误差、误差变化）量化后的各种组合通过模糊逻辑推理的一套方法离线计算出每一个状态的模糊控制器输出，最终生成一张模糊控制表。对于双输入单输出模糊控制器，根据模糊控制规则表得出其控制系统的控制规则格式。下面以第一条模糊控制规则为例来说明其具体运算方法，其他可以此类推。即：If E=PB and EC=PB then U=NB

与上述条件语句对应的模糊关系矩阵可按以下几个步骤进行：

第一步：从误差E的隶属函数赋值表中取出与PB对应的向量，并定义为A，即：

A=[0，0，0，0，0，0.6，1]；

同理，从误差变化EC的隶属函数赋值表中取出与PB对应的向量，并定义为B，即：B=[0，0，0，0，0，0.5，1]；

第二步：求A x B

D=A x B=[0，0，0，0，0，0.6，1]x[0，0，0，0，0，0.5，1]；

第三步：将D写成列矢量DT，即：

DT=[0，0，0，0，0，0，0，0，0，0…0，0.5，0.6，0…0，0.5，0.6

第四步：从控制量的变化隶属函数赋值表中取出与NB对应的向量，并一记为C，即：

C=[1.0，0.6，0.4，0，0，0，0，0，0，0，0，0，0]

第五步：求关系矩阵

：=DT×C，同理可求得与另外48条模糊控制语句相对应的模糊关系矩阵，

，

，最后根据上述求出的

，i=1，2，…，49  可求得与模糊控制规则表相对应的模糊关系矩阵，即：；在求得模糊关系矩阵R之后，根据公式U = [E x EC

R可求得在输入E和EC作用下的输出模糊向量集，采用隶属函数最大原则求取各相应控制量，可得如下表5所示系统的模糊控制表：

表5

至此，模糊控制表已经建立。由于模糊控制表的建立是离线进行的，因此它丝毫没有影响模糊控制器实时运行的速度。一旦模糊控制表建立起来，模糊逻辑推理控制算法就是简单的查表法，其运算速度是相当快的，完全能够满足实时控制的要求。

（6）模糊控制的实现

系统通过传感器采集到当前的液位值，求出与设定液位值的偏差E以及偏差变化率EC。鉴于液位变化特点和控制系统的实际情况，以及避免出现设备频繁启闭的现象。我们取5秒时间段的液位变化值作为要求的变化率。模糊控制算法的基本思路是：根据模糊控制的要求，对偏差E和偏差变化率EC进行规范化和模糊化处理，处理的结果将E和EC变换为模糊集合中对应的论域值M，N。根据M, N的值，查出模糊控制响应表，得出输出控制量，本系统的输出控制量为控制设备的启闭状态，控制设备的运行状态有3种：保持原状态，从停止转换为启动和从启动转换为停止。模糊控制流程图如下图1所示。

模糊控制器由单片机主机系统、数据采集电路、LED显示电路、按键与超限报警电路、输出控制电路组成，按键与超限报警电路、数据采集电路将信号输入单片机主机系统进行数据处理，输出状态信号到LED显示电路显示，同时将驱动信号通过输出控制电路送到执行机构。

单片机最小系统如图2所示：一个典型的单片机最小系统一般由时钟电路、复位电路、电源电路等组成，其中电源电路见图3所示。

数据采集电路：有液位传感器，模/数转换芯片，74LS74，74LS02等组成，如下图4所示。

 LED显示电路：LED显示器价格低廉、发光较强、机械性能好，在普通单片机系统中应用广泛，常用于显示各种数字或符号。LED显示器包括发光二极管组成的数码显示器或LED点阵显示模块。其中8段LED数码显示管应用最为广泛，它由8个发光二极管组成。LED显示器按连接方式分为两种：一种是8个发光二极管的阳极都连在一起，称之为共阳极LED显示器，用低电平驱动。如图3所示；另一种是8个发光二极管的阴极都连在一起的，称之为共阴极LED显示器，用高电平驱动，如图5所示。

共阳和共阴结构的LED显示器各笔划段名和安排位置是相同的。当二极管导通时，相应的笔划段发亮，由发亮的笔划段组合显示各种字符。8个笔划段 a，b，c，d，e，f，g，dp。LED引脚如图7所示。

在单片机应用系统中，显示器显示有静态显示和动态扫描显示两种方法。所谓静态显示，是指显示器显示某一字符时，相应段的发光二极管恒定地导通或截止。当显示的位数多时，可以采用动态显示。所谓动态显示，就是一位一位地轮流点亮显示器的各个位（扫描）。本系统选用动态扫描显示的方法。动态扫描显示是单片机中应用最为广泛的一种显示方式。其接口电路是把所有显示器的8个笔划段a--dp同名端联在一起，而每一个显示器的公共极com各自独立的受I/O线控制。CPU向字段输出口送出字形码时，所有显示器接收到相同的字形码，但究竟是哪个显示器亮，取决于com端，而这一端是由I/O控制的，因此就可以自行决定何时显示哪一位了。所谓动态扫描就是指采用分时的方法，轮流控制各个显示器的com端，使各个显示器轮流点亮。在轮流点亮扫描过程中，每位显示器的点亮时间是极为短暂的(约1ms )，但由于人的视觉暂留现象及发光二极管的余辉效应，尽管实际上各位显示器并非同时点亮，但只要扫描的速度足够快，给人的印象就是一组稳定的显示数据，不会有闪烁感，LED显示系统电路图如图8所示。

如图9所示按键与超限报警电路：本系统用三个按键控制电路的预设值以及其增减。只有按下按键2时，按键3和按键4才能起作用。

为了在某些紧急状态或反常状态下，能使操作人员不致忽视，以便及时处理，往往需要有某种更能引起人们注意提起警觉的报警信号产生，这种报警信号通常有三种类型：闪光报警、鸣音报警、语音报警。本系统采用简单易行的声光报警电路，如图10所示。

如图11所示输出控制电路：根据液位的高度由单片机来控制电磁阀的开和闭，当单片机输出低电平时三极管导通，继电器的线圈通电，使电磁阀闭合；当单片机输出高电平时，三极管截止，继电器线圈断电，电磁阀断开。

系统软件程序用C语言编写，主要包括：系统主程序，数据转换子程序，显示子程序，检测子程序，按键子程序，延时子程序等。

本设计的主程序流程图如图12所示；如图13所示按键子程序流程图，主要包括去抖动，增、减功能等；如图14所示模/数转换子程序，是将模拟电压量转化为数字量；如图15所示检测子程序流程图，主要包括：求取液位差，超限报警以及控制输出等。

Claims (2)

1.一种液位模糊控制器，其特征在于，包括单片机主机系统、数据采集电路、LED显示电路、按键与超限报警电路、输出控制电路，数据采集电路包括液位传感器和模数转换芯片，按键与超限报警电路、数据采集电路将信号输入单片机主机系统进行数据处理，输出状态信号到LED显示电路显示，同时将驱动信号通过输出控制电路送到执行机构。

2.一种液位模糊控制器工作方法，包括液体模糊控制器，其特征在于，具体包括如下步骤：

（1）定义模糊控制器的输入输出变量：定义实际液位与给定液位的误差E及其误差变化EC作为输入变量，把控制流量的供电电压U选作输出语言变量；

（2）确定各输入、输出变量的变化范围、量化等级和量化因子：分别定义模糊化后的误差E、误差变化率EC和控制量的变化U的模糊语言变量分为7级：{负大，负中，负小，零，正小，正中，正大}，简记为：{NB，NM，NS，ZE， PS， PM，PB}，误差E的论域为[-100，100]；误差变化EC的论域为[-150，150]；控制输出U的论域为[-64，64]，则各比例因子为：                                               

=3/100，

=3/150=1/50，

=64/4=16；

（3）在各输入输出变量的变化范围内定义模糊子集：首先确定各语言变量论语内子集的个数，为了提高稳态点控制的精度，对各个子集进行量化；

（4）模糊控制规则的确定：将操作员的控制经验加以总结得到集合，根据实际经验得出控制规则表如下：

（5）求模糊控制表：根据模糊控制规则表必须对所有输入语言变量量化后的各种组合通过模糊逻辑推理的一套方法离线计算出每一个状态的模糊控制器输出，最终生成一张模糊控制表；

（6）模糊控制的实现：液位模糊控制器通过传感器采集到当前的液位值，求出与设定液位值的偏差E以及偏差变化率EC，根据步骤（2）和（3）对偏差E和偏差变化率EC进行规范化和模糊化处理，处理的结果将E和EC变换为模糊集合中对应的论域值M，N；根据M, N的值，查步骤（5）所得模糊控制表，得出输出控制量。

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