PLC实现的模糊PID控制器及其在通风机风量调节系统中的应用.pdf

第 5卷第 4期 2 0 0 6年 8月 江 南 大 学 学 报 自 然 科 学 版 J o u r n a l o f S o u t h e r n Ya n g t z e Un i v e r s i t y Na t u r a l S c i e n c e Ed i t i o n Vo 1 ． 5 Au g ． No． 4 2 0 0 6 文章组号 1 6 7 1 7 1 4 7 2 0 0 6 O 4 一O 4 2 2 一O 5 P L C实现的模糊 P I D控制器及其在通风机 风量调节系统中的应用 李敬 兆， 汤文兵 ， 顾 荣荣 安徽理工大学 计算机科学与技术系， 安徽 淮南 2 3 2 0 0 1 摘要 针对用于矿 井通风的轴流式风机风量调 节系统影响因素多， 数 学模型难以建立 ， 常规控制 无法获得满意效果的情况， 提 出了一种采用 P WM 输 出的新型模糊 P I D控制技 术对风量进行 自动 调节的方案 ， 并应用可编程控制器加以实现． 结果表明， 该模糊控制风量 自动调节 系统控制效果优 良， 为煤矿的安全生产和风机的高效运行提供 了可靠保 障． 关键词风机 ； 风量； 模糊 P I D； 可编程控制器 中图分类号 T P 2 7 3 ． 4 文献标识码 A Fu z z y PI D Co nt r o l Ba s e d o n PLC a n d Ap pl i c a t i o n i n t he Ve nt i l a t o r W i nd Ra t e Re g u l a t i o n S y s t e m LI J i n g - z h a o， TANG We n - b i n g ， GU Ro n g - r o n g De p a r t me n t o fC o mp u t e rS c i e n c e a n dT e c h n o l o g y，An h u l Un i v e r s i t yo fS c i e n c e a n dT e c h n o l o g y， Hmi , n2 3 2 0 0 1 ，C h i n a Ab s t r a c t Th e p a p e r p r e s e n t s t h e s o l u t i o n o f r e g u l a t i n g t h e wi n d r a t e a u t o ma t i c a l l y b y me a n s o f n e w t y p e f u z z y PI D c o n t r o l t e c h n o l o g y wi t h P W M o u t p u t a n d i mp l e me n t i n g i t wi t h P LC p r o g r a mma b l e l o g i c a l c o n t r o l l e r u n d e r t h e c i r c u ms t a n c e o f ma n y i n f l u e n c e f a c t o r s ，wh i c h e x i s t s i n t h e a xia l f l o w f a n s wi n d r a t e r e g u l a t i o n s y s t e m d u r i n g t h e p r o c e s s o f mi n e v e n t i l a t i o n ，a n d i s d i f f i c u l t t o mo d i f y t h e ma t h e ma t i c mo d e l t o o b t a i n t h e s a t i s f i e d r e s u l t b y n o r r a a l c o n t r o l wa y s ． Th e s y s t e m s h o ws t h e g r e a t r e l i a b i l i t y o f mi n e wo r k i n g s a f e t y a n d f a n s r u n n i n g e f f i c i e n c y ． Ke y wo r d s v e n t i l a t o r ；wi n d r a t e ；f u z z y P I D；P LC 通风是煤矿开采过程中最重要 的环节， 同时又 是复杂且耗能的过程． 通风系统 的工作状况直接影 响着煤矿的生产效率和安全生产． 矿井通风网络的 空气动力参数 、 井下工作 的工人数量、 工作性 质、 风 机 的性能曲线、 巷道 的特性 曲线 、 通风机 自身全压 值偏差 以及矿井瓦斯的变化等， 都对通风机 的风量 产生影响． 为使通风机能够安全高效地运行， 必须 对风量进行 自动调节以适应上述因素的变化． 收稿 日期 2 0 0 6 --0 1 2 7 ； 修订 日期 2 0 0 6 一O 3 2 8 基金项目安徽省高校自然科学基金重点项 目 2 0 0 3 0 2 0 z d ． 作者简介 李敬 1 9 6 3 -- ， 男， 安徽淮南人， 教授， 工学博士． 主要从事计算机控制技术等方面的研究． E ma i l ； j z h l i a u s t ． e d u ． c n 维普资讯 第 4期 李敬 兆等 P L C实现的模糊 P I D控制器及其在通风机风量调节 系统 中的应用4 2 3 由于影响风机风量 的因素较多。 仅就通风网络 而言， 由于各段巷道变化很大 ， 难 以建立被控对 象 精确的数学模型， 作者曾把该系统用一个时变的带 滞后的大惯性环节加 以描述 ， 并用 Ma t a l a b软件对 其进行了大量仿真 ， 所得数学模 型与实际调试结果 差距很大． 因此用常规的控制方法对风量进行 自动 调节很难达到预期的效果． 为此文中采用 了新型模 糊比例- 积分- 微分 P I D 控制技术对风量进行 自动 调节 ， 并用可编程控制器 P L C 实现之． 结果表明控 制效果令人满意． 1 风量调 节 系统的组成 风量调节监控 系统 由两级计算机组成 ， 上位机 完成智能化的后 台管理、 系统参数设定 、 控制及监 视等功能 I 下位机 主要完成 系统 中各种参 数的检 测、 信息处理和控制功能． 为使系统安全可靠 ， 上位机采用 了 P C总线 的 工业控制计算机 I P C ， 实时显示系统运行信息 、 故 障信息和参数设定 I 下位机采用 了西 门子公司生产 的 7 - 2 0 0可编程控制器[ 1 ] ， 配备 了一个 C P U模块 C P U2 2 6和一个 模人／ 模 出模块 E M2 3 1 ． 系统结构 如图 1 所示． 两 台计算机之间采用 P C ／ P P I电缆连 接 ， 该 电缆实现了 I P C和 7 - 2 0 0间的信息传送 ， 并 兼有 I P C作 编程 器对 可编 程 控制 器 进行 编 程 的 功能． ’ 圈 l 风量调节 系统 结构 №1 T h e s t r u c t u r e o f w i n d mt e s y s l 咖 C P U2 2 6为西 门子公 司生产的 7 - 2 0 0系列可 编程控制器 中性能最好 的 C P U模块 ， 其布尔指令 执行速度为 0 ． 3 7 s ／ 指令 ， 具有 2 4路开关量输入、 1 6路开关量输 出、 2个 R S 4 8 5通信 口和 2路 P TO ／ P WM 输 出， 通过 P C ／ P P I电缆很 容易将 C P U2 2 6 的 R S 4 8 5通信 口与 I P C机的 R S 2 3 2串行 口进行通 信． C P U2 2 6可外扩 7个模块 ， 根据系统要求 ， 在此 扩展了一个 E M2 3 1模块． E M2 3 1为模拟量输入模 块， 具有 4路 1 2位模拟量输 入功能． 2模糊 P I D控制风量调 节 系统结构 2 ． 1 模糊 P I D控制系统结构 风量调节模糊 P I D控制 系统结 构主要 由参数 可调整 P I D和模糊控制系统两部分组成． 被控对象 为轴流式风机 ， 采用 同步 电动机拖动 ， 风量 的调节 是通过调整风叶角度加 以实现． 设通风机风量的期 望值 或给定值 为 r ， 风机输 出的风量实际值 或反 馈值为 ． 采用二维模糊控制器 ， 其输入为风量误 差 P r 和 风量误差 的变化 率 A e 一 ； 输 出为控制量 ． 该系统的模糊 P I D控制器由 S 7 - 2 0 0 P L C实现， 风量期望值 r 和风量实际值 均 通过 A／ D转换模块 E M2 3 1采集． 由于该 系统为大 惯性环节， 因此模糊控制器的输 出 或控制量 采 用了占空比 t ／ T 与 成正 比的脉冲信号 ， 并由S 7 - 2 0 0 P L C的 Q O ． 0和 Q O ． 1口输 出脉冲宽度调制 P WM 信号实现． 该脉冲信号通过电磁阀 K ， K 。 及液压系统 Y ， Yz 调整风叶角度 ， 进而实现风量的 调节． 采用这种输 出控制 ， 对 于风量调节这类大惯 性环节具有 良好的控制效果． 当 为正时， 由 Q O ． 0 输 出 P WM 信号 ， 使 电磁阀 K 接通， 依靠液压系统 Y 增加风叶角度 ， 从而加 大风量 I 当 为负 时， 由 Q O ． 1 输 出 P WM 信号 ， 电磁阀 K 接通 ， 依靠液压系 统 Y z 减小风叶角度 ， 从而减小风量． 风量调节系统 模糊 P I D控制结构如图 2所示． 圈 2 风■调节系统模糊 P lⅢ 控爿叠结构 №2 T h ef Ⅱ z z y哪啪 删 k r s t mc t m m o f w I n d r a t e 。 y s t e m 维普资讯 4 2 4 江 南 大 学 学 报 自 然 科 学 版 第 5卷 参数可调整 P I D完成对风量调节 系统的控制 ， 模糊控制系统实现对 P I D的 3个参数进行 自动校 正[ 2 ] ． 常规 P I D算法数字控制规律的位置形式为 个 是 一K P 是 鲁 P f 』 i s 0 个 ．L d P 是 一e k一1 ] 1 』 J 式中 K。 为 比例系数 ； T i 为积分时间常数 ； 为微 分时间常数； 是 为调节器的输出； P 是 为偏差值 ； T J 为采样周期． 2 ． 2 模糊 P I D控制器设计 根据 P I D参数 自整定原则 ， 用于校正 P I D参数 的模糊控制器采用 2输入 3输出的模糊控制器c 3 ， 以系统误差绝对值 I e I 和误差变化率绝对值 I I 为输入语言变量． 由于 S 7 2 0 0 P L C有P I D指令， 将比 例系数 K 积分时间 和微分时间 等参数存入指 令表的适当地址即可调用 P I D指令执行 P I D控制 ， 因 此取 ， 和 为模糊控制器的输出语言变量． 输入 I e I 和 I I 的模糊集均取为{ Z S M B ； 输出 ， 和 的模糊集均取为{ ZSM BV ； I e I 、I I 的论域取为{ 0 ， 1 ， 2 ， 3 ， 4 ， 5 ， 6 ； ， 和 的论域取为{ 0 ， 1 ， 2 ， 3 ， 4 ， 5 ， 6 ， 7 ， 8 ． { e I 、 I I 和 K， ， 和 的隶属函数均取三角形 ， I e I 、I I 的隶属函数如图 3 a 所示 ， K， ， 和 的隶属函数如图 3 b 所示． O O l 2 3 4 5 6 论域 a l e l 、IA e l 隶属函数 论域 b K p，r f 和 T d隶属函数 田 3 I e I 、 I I 和 ． ， 的隶一 函数 脚3 T h e雎 h m e t l o f 、 I I a n d ． ． 按照上述 P I D参数的整定原则以及对风量调节 系统的控制过程和操作经验分析可得模糊控制规则 见表 1 ． 表 1 模糊控制规则 1 口 | b．1 o 0 nt mI r u l e s 注 l Z为 Z e r o 零 } S为 S ma ll t b I M 为 Me d i u m 中 } B为 B 大 } V为 Ve r yB 很大 ． 根据输入量 I e I 、I I 模糊量化后得到的 x i ， ，可计算出K 相应的 Z l1 ， 对 X， y中元素所有组合 全部计算出相应 K 的输出值 ， 可得模糊输出 的模 糊控制表 见表 2 ． 裹 2 j 的模糊控制表 仙． 2 c o n t r o l t a b l e f l蛐m y J 模糊量 4 6 5 3 模糊 P I D控制器的 P L C程序设计 3 ． 1 模糊控制器的程序设计 模糊控制器的程序设计 主要分输入量的模糊量 化 、 模糊 控制表 查询 和模糊 控 制器输 出去模糊 化 3 步． 3 ． 1 ． 1 输入量的模糊量化及其程序设计 根据 I e I 和 I I 论域所分的等级， 将实际变化范围平均分为 1 3 档， 并用量化因子 k ， k 对实测的精确量 e 和 进 行量化， 变换为相应论域的元素． 在此使用的 ～ D转 换模块为 E M _ 2 3 5 ． 经 ～ D转换后的 r 和y的取值均为 0～ 3 2 0 0 0 ． 由于 e g --Y ， 因此， 理论上经 A ／ D转换 后 的e 取值将有可能为一3 2 0 0 0 ～3 2 0 0 0 ， 然而， 实 际上只是开始起动时 e 可能达 3 2 0 0 0 外， 一般 e 的取 值 比上述范围小得多． 在此， 将 e的取值为一2 4 0 0 ～ 2 4 0 0 ， 则 I e I 为 0～2 4 0 0 ， 量化因子 一 b-- a 一 二Q一 r 9 、 一 O t 2 4 0 0 0 4 0 0 对 e 具体量化时， 采取的办法为 1 k , eV D 3 0 8 ， 一2 0 0 ／ ／ 若2 O O e 一2 0 0 ， A D Ⅵ 3 0 8 ， -2 2 O O ∥ 若-1 8 0 0 P -2 2 O O A D P 1 8 0 0 ， A D v D 3 O 8 ， 1 8 0 0／ ／ 则 V W3 6 0 - - 5 A D v D 3 O 8 ， 2 2 0 0／ ／ 或P A C O ， 0 ． 0 ／ ／ 是否在 5 0 0 0 1 0 0 0 0 MOV WA CO ， S MW7 0 P L s 0 ／ ／ q o ． 0 输出P WM控制信号 L D D A CO ， 0 ／ ／ 是否在O ～5 0 0 0 I NVD ACO D 0 。Ac o MOV WACO 。 S MW8 O P L S 1 ／ ／ q o ． 1 输出P WM控制信号 4结 论 采用模糊 P I D控 制的风量 自动调节 系统效果 好 ， 不仅响应快 、 无超调 ， 而且控 制精度高、 鲁棒性 好 ， 风机运行平稳 ， 取得 了令人满意 的控制效果． 为 煤矿的安全生产和高效生产提供了可靠保 障． 参考文献 E l 3廖常初．S 7 2 0 0 P L C应用技术E M]．北京 机械工业出版社，2 0 0 3 ． E z 3 L i S h i y o n g ． Qu a l i t a t i v e r e a s o n i n g i n i n t e l l i g e n t p r o c e s s c o n t r o l [ J ] ．I E E E I n t e r n a t i o n a l C o n f e r e n c e O n I n t e l l i g e n t P r o c e s s i ng S y s t e ms ，1 9 9 7， 17 1 1 - 7 1 4 ． E 3 3李勇．模糊控制、 神经控制和智能控制论[ M]．哈尔滨 哈尔滨工业大学出版社，1 9 9 8 ． E 4 3易继借， 侯援彬．智能控制技术[ M]． 北京 北京工业大学出版社， 1 9 9 9 ． [ 5 ]永权， 曾碧． 单片机模糊逻辑控制[ M]． 北京 北京航空航天大学出版社， 1 9 9 5 ． E 6 3陈金华． 可编程控制器应用技术[ M]． 北京 电子工业出版社， 1 9 9 5 ． 责任鳊辑 邢宝妹 维普资讯