張娜

(沈陽工程學(xué)院自動化學(xué)院，遼寧沈陽110136)

JBS－GK04型過程控制實(shí)驗(yàn)裝置包括液位、壓力、流量、溫度4個(gè)典型控制參數(shù)，可進(jìn)行單回路、串級、前饋、解耦等控制實(shí)驗(yàn).控制器采用西門子S7－200PLC，上位機(jī)采用組態(tài)王6.51和S7－200編程軟件開發(fā)的人機(jī)操作界面.液位控制是該控制裝置的一部分，系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)液位控制采用的是PID控制方式，通過改變變頻器的輸出改變水泵的轉(zhuǎn)速來實(shí)現(xiàn)液位的控制.工藝流程如圖1所示.

圖1 液位控制系統(tǒng)工藝流程

模糊控制屬于智能控制的范疇，是在總結(jié)人類自然語言概念、操作經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，模擬人類智能的一種控制方法，是一種非線性控制器，對過程參數(shù)的變化和外界擾動適應(yīng)性強(qiáng).

模糊控制不能完全消除穩(wěn)態(tài)偏差，而PID控制器能解決這一問題，如果在控制偏差很大的時(shí)候采用模糊控制，而偏差小于一定控制值時(shí)切換到PID控制，這樣系統(tǒng)就能根據(jù)偏差的大小改變控制量的大小，既可以解決系統(tǒng)非線性的問題，又可以快速、準(zhǔn)確地達(dá)到控制目的.

采用模糊控制和PID控制相結(jié)合的控制方式，控制雙容水箱液位，控制器采用西門子S7－200PLC.模糊控制和PID控制在PLC上實(shí)現(xiàn)具有編程簡單、參數(shù)修改方便、抗干擾能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，在實(shí)際應(yīng)用中取得了較好的應(yīng)用效果.

1 模糊控制算法設(shè)計(jì)

1.1 論域設(shè)計(jì)

選取液位給定值與液位實(shí)際值的偏差e(t)及偏差的變化ec(t)作為模糊控制器的輸入，控制量變化量Δu(t)作為模糊控制器的輸出.偏差e(t)的基本論域?。郏?00，100］，偏差變化率ec(t)的實(shí)際變化范圍難以確定，可根據(jù)系統(tǒng)響應(yīng)速度要求，選擇基本論域?yàn)椋郏?，5］，輸出Δu的基本論域?yàn)椋郏?0，10］.綜合控制精度、系統(tǒng)的穩(wěn)定性、算法的復(fù)雜程度等方面因素，模糊化后E、EC、ΔU的論域均為{－3，－2，－1，0，1，2，3}.

1.2 隸屬函數(shù)設(shè)計(jì)

覆蓋模糊論域的子集數(shù)目應(yīng)當(dāng)適當(dāng)，較多時(shí)雖可以提高控制精度，但模糊規(guī)制數(shù)目相應(yīng)地會增加得更快，致使運(yùn)算量大幅增加.綜合以上因素E、EC、ΔU的模糊子集選為7檔，為NB(負(fù)大)、NM(負(fù)中)、NS(負(fù)小)、ZO(零)、PS(正小)、PM(正中)，PB(正大).隸屬函數(shù)采用三角型隸屬函數(shù)，三角函數(shù)的解析表達(dá)式見下式，E、EC、ΔU的隸屬函數(shù)如圖2所示.

圖2 E、EC、ΔU的隸屬函數(shù)

1.3 模糊推理

為了加快控制速度，減少時(shí)間消耗，本設(shè)計(jì)采用離線計(jì)算在線查表的方法，將控制量的變化制成查詢表存入PLC中，運(yùn)行中每一對及都對應(yīng)唯一的控制量變化量，只要找到的值，就能輸出控制結(jié)果.對應(yīng)的控制策略如表1所示.

2 模糊控制在西門子S7－200PLC中的實(shí)現(xiàn)

2.1 控制量地址計(jì)算

查詢模糊控制表采用基址+偏移地址的方法.模糊控制查詢表按照從左到右，從上到下的順序依次存入VB300－VB348中，則控制量的基址為300.例如，將輸入論域{－3，－2，－1，0，1，2，3}均轉(zhuǎn)化為{0，1，2，3，4，5，6}，則地址偏移量為E×7+EC，加上控制量的基址300，則控制量地址為300+E×7+EC.

表1 模糊控制器查詢表

2.2 反模糊過程

偏差E和偏差變化率的模糊化結(jié)果分別存在VB200及VB202中，控制量變化量ΔU的查詢結(jié)果存在VD300中.PLC輸出4～20 mA電信號，對應(yīng)變頻器的輸出0～50 Hz，查表所得結(jié)果要乘以(10÷3)×(32 000－6 400)÷50，再加上現(xiàn)有控制量，即得輸出控制量值.

PLC工作流程圖如圖3所示.模糊化及反模糊化程序如下.

模糊化程序:

圖3 PLC工作流程

3 控制效果

上位機(jī)監(jiān)控采用組態(tài)王監(jiān)控軟件設(shè)計(jì)，紅色曲線為實(shí)際測量值，綠色曲線為給定值，藍(lán)色曲線為變頻器輸出，縱軸為液位百分比，橫軸為時(shí)間.圖4、圖5分別為PID－模糊控制器調(diào)節(jié)過程曲線和PID控制器調(diào)節(jié)過程曲線.曲線是給定值發(fā)生7.5%擾動的調(diào)節(jié)過程曲線，系統(tǒng)設(shè)定偏差限值ξ=4，采用PID－模糊控制算法時(shí)，PID參數(shù)為Tp=20，Ti=10，Td=2，原系統(tǒng)中PID控制器參數(shù)為Kp=20，Ti=14，Td=2.從運(yùn)行曲線可以看出，系統(tǒng)采用PID－模糊控制器后響應(yīng)速度加快，調(diào)節(jié)時(shí)間縮短，調(diào)節(jié)過程更平穩(wěn)，同時(shí)能消除穩(wěn)態(tài)偏差.

圖4 PID－模糊控制器調(diào)節(jié)過程曲線

圖5 PID控制器調(diào)節(jié)過程曲線

［1］ 鄉(xiāng)碧云，皮云云.基于模糊PID在餅干生產(chǎn)線溫度控制的研究［J］.機(jī)電工程技術(shù)，2013，42(6):18－21.

［2］ 劉文遠(yuǎn)，毛一之，楊子亮.基于西門子PLC的模糊控制在電弧爐電極調(diào)節(jié)中的應(yīng)用［J］.電氣傳動，2012，42(10):78－80.

［3］ 陳水生，孟慶建.基于PLC的溫度PID－模糊控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真［J］.農(nóng)機(jī)化研究，2011，6(6):49－53.

［4］ 徐春暉.基于PLC的過程控制實(shí)驗(yàn)裝置液位模糊PID控制［J］.計(jì)算機(jī)工程應(yīng)用技術(shù)，2011，7(16):3967－3968.

［5］ 林勇堅(jiān).基于PLC的模糊控制算法在液位控制中的應(yīng)用［J］.電子世界，2013(10):97－80.