基于PLC的消防水罐液位模糊控制系统.pdf

过程控制 石 油 化 工 自 动 化 ，2 0 0 9 ，44 0 AU T0M AT1 0N 1 N PETR _ CHEM I CAL I NDUSTRY 基于 P L C的消防水罐液位 模糊控制系统 高志 国 局志 圉 中原油 田天然气处理厂 第 三气体处理 厂 ， 河南 濮 阳4 5 7 1 6 2 摘要 介绍了石油化工企业中消防水罐液位带修正因子的模糊控制系统。设计了一种混合型模糊控制器即开关式双模 糊控 制器 ， 和传统 P I D调 节器相 比， 带修正 因子模糊控制系统超调量 明显变小 ， 系统调 节时间显著缩 短， 系统 的动态性 能大大 提高， 控制效果 明显改善 ， 并且产生了较高的经济效益 。因此该带修正因子模糊控 制是一种理想 的液位控制器 。 关键词 带修正因子模糊控制； 可编程控制器 ； 液位控制； 混合型模糊控制器 中图分类号 T P 2 7 3 文献标 志码 B 文章编号 1 0 0 7 7 3 2 4 2 0 0 9 0 4 0 0 4 0 0 2 The Fu z z y Co nt r o l S y s t e m o f Li q ui d Le v e l i n t h e Fi r e W a t e r Ta nk Ba s e d o n PLC Ga o Zh i g u o Z h o n g y u a n Oi l Fi e l d Na t u r a l Ga s P r o c e s s Pl a n t ，Th i r d Ga s Tr e a t me n t P l a n t ，Pu y a n g，4 5 7 1 6 2 ，Ch i n a Ab s t r a c t Th e f u z z y c o n t r o 1 s y s t e m wi t h a c o r r e c t i o n f a c t o r f o r t h e f i r e wa t e r t a n k i n p e t r o c h e mi c a l e n t e r p r i s e s i s i n t r o d u c e d ．A mi x t u r e t y p e f u z z y c o n t r o l l e r ，i ． e ．3 s wi t c h t y p e d o u b l e f u z z y c o n t r o l l e r h a s b e e n d e s i g n e d ．T o c o mp a r e wi t h t h e t r a d i t i o n a l P I D mo d u l a t o r ，t h e s u p e r a d j u s t me n t q u a n t i t y o f t h e s y s t e m wi t h t h e c o r r e c t i o n f a c t o r h a s b e c o me s ma l l o b v i o u s l y；t h e s y s t e m r e g u l a t i o n t i me i s r e d u c e d r e ma r k a b l y；t h e d y n a mi c p e r f o r ma n c e o f t h e s y s t e m i s r a i s e d ； c o n t r o l e f f e c t i s i mp r o v e d； h i g h e r e c o no mi c be ne f i t ha s be e n a c hi e ve d． So t he f u z z y c on t r ol s y s t e m wi t h t he c or r e c t i o n f a c t o r i s a i de a l l i q u i d l e v e l c o nt r ol l e r ． Ke y wo r d s f u z z y C o n t r o l s y s t e m wi t h c o r r e c t i o n f a c t o r ； PLC； l i q u i d l e v e l c o n t r o l ； mi x t u r e t y p e f u z z y c o n t r o l l e r 1 引 言 在石化企业 中， 消防水罐是必不可少 的设施 ， 在安全生产中起着重要 的作用 ， 笔者所在企业消防 水罐除了满足紧急情况下消防水 的供应 ， 在 日常生 产 中还提供工业用水和生活用水 ， 因此如何将消防 水罐的液位控制在正常范围内是一个重要的问题。 传统的液位控制方法均是寻求对象 的精确数学模 型， 随着系统复杂程度的提高 ， 将难 以建立系统的 精确数学模型和满足实时控制的要求 。在实际工 业生产 中， 系统 的影响因素很多 ， 十分复杂。大多 数实际系统都是非线性 的， 建立精确的数学模型非 常困难 。多数对象受到扰 动后 ， 被控参数 液面高 度 的变化是非线性 的， 由于建立液位对象模 型不 够精 确， 采用此模 型整定 出的 P I D 控制器也难 以 达到理想 的控制效果。基于这种情况下 ， 模糊控制 就显得意义重大 。利用带修正 因子模 糊控制思想 来设计液位控制系统将更直接 ， 更有效 ， 是 非线性 控制的一种更有力 的控制手段 。带修正因子模糊 控制技术 已日趋成熟和完善。笔者设计的二维带 修正因子模糊控制器 已成功地应用于实际的液位 控制系统且取得了良好 的控制效果。 2 P L O液位控制系统 该模 糊 控 制 系 统 结 构 如 图 1所 示 ， 采 用 S i me n s S 7 3 0 0 P L C， 扫描速度快 ， 抗干扰能力强， 包括模拟量输入 、 输出功能模块 。利用输入点将按 等级划分的偏差转化 为开关量信 号引入 P L C， 然 收稿 日期 2 0 0 9 0 5 0 9 。 作者简介 高 志国 1 9 7 7 ～ ， 男 ， 山东 东营 人 ， 1 9 9 8年 毕业 于 西南石油大学计算机专业 ， 硕 士学位 ， 现工作于 中石化 中原 油田天 然气处理厂， 负责全厂的控 制系统 的维护 管理工作 ， 从事 多年 D C S 维护及 现场总线 维护工作 ， 任仪表 自动化工程师 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 4期 高志 国． 基于 P L C的消防水 罐液位模糊控制系统 后根据偏差的大小决定输 出值 的大小。在液位上 升到给定值的 8 5 以前 ， 采取全开度控制， 节省液 位上升时间， 待液位上升到给定值的 8 5 时 ， 采用 模糊控制， 提高控制精度， 当液位上升到给定值的 1 0 5 9 ／ 5 时 ， 采取失度控制 ， 使液位快速下降。液位传 感器 的信号送给 P L C， 执行模糊算法 的控 制程 序 后输 出信 号经 放 大， 通 过液 位 开关 阀控 制 液位 高度 。 注入 图 1 PL C 液 位 控 制 系统 3 模糊控制算法 液位控制系统的主要 目的是控制液位恒定 ， 液 位与液体出入罐流量 ， 液体的黏度 、 温度 ， 环境温度 等因素有关 ， 液位控制系统具有强时滞 、 非线性 的 特点。因此采用常规 P I D控制无法达到满意的控 制效果 。为了解决这一难点， 该系统采用了模糊控 制算法 。模糊控制算法结合 了专家知识经验 与现 场熟练工人的经验 ， 模仿人的大脑进行决策 ， 不需 要被控对象的精确数学模 型， 对 强时滞 、 非线性 的 被控对象具有很好 的控制效果。 根据实际控制要求 ， 该模糊控制器液位测量值 与给定值的偏差 E的语言变量值取 负大 ， 负 中， 负小 ， 零 ， 正小 ， 正 中， 正大 ， 偏差 的变化率 及 阀门开度增量 △ 【 ，厂 的语言变量值取 负大 ， 负 中， 负 小， 零 ， 正 小 ， 正 中， 正 大 ， 量 化 等 级都 取 { 一 6 ， 一 5 ，一 4 ，一 3 ，一 2 ，一 1 ，0 ， 1 ， 2 ， 3 ， 4 ， 5 ，6 } 。各模糊子集的隶属函数取三角 函数 。 由于在不同的温度下 ， 系统要求 的工作状态是 不同的， 对误差及误差 变化率 的加权 值应有所不 同， 引人消除误差 的加权值 a ， 当系统误差较大时 ， 控制器的主要任务是快速消除误差 ， 因此 ， 应取较 大的 a值， 即加强误差的权值 ， 以加速系统的快速 响应 。反之 ， 当系统误差较小时， 控制器 的主要任 务是使系统尽快趋于稳定 ， 因此 ， 应取较小的 a值 ， 即加强误差变化率 的权值 ， 以提高系统的稳定性 。 为了满足系统在不 同状 态下对修正 因子的不 同要 求 ， 引入 2个修正 因子 O L ， ， 修正因子是不 同情况 下的 a值 。其解析表达式如下 △u f 一 卜 【 一 [ 口 z E 1 一 口 2 E c ] E 一 1．0 E 一 2． 3 式 中a ， 口 。 0 ～ 1 ， 实数 ， 且 ， 该 控 制 系 统 中取 一 0 ． 4 5 ， 一 0 ． 5 5 ， 建 立 相应 的模 糊控 制查询表 。 在实际应用 中，如 已知 E和 E 则 可通过求 得液体 阀门开度增量 A U， 再按最大隶属度原则解 模糊 ， 选择隶属度最大的元素 为精确控制信号 ， 乘 以比例 因子 Ku ， 即为实 际液体 阀门开度 控制 信 号 ， 所以阀门开度控制 信号 U 一 U k一 1 △ 己 ， ， 经 D ／ A转换为模拟量控制液体阀门的开度 ， 从而达到控制系统液位的目的。 4 结束 语 将模糊控制与 P L C控制系统相结合 ， 既显示 了 P L C的可靠 ， 灵活， 适应性强 的特点 ， 也大大提 高了控 制 系统 的智 能化程 度。基 于模 糊控 制 的 P L C系统适用于很多场合 ， 控制程序易于模块化 ， 标准化 ， 与 P L C自带 的P I D控制模块相比， 具有编 程灵活 ， 限制条件少 ， 模糊变量和模糊规则个数不 受系统硬件限制等特点 ， 降低了系统 的开发成本 ， 扩大了应用范围 ， 使系统的响应速度进一步加快 ， 并且提高了系统的稳定性。 参 考文献 1 冯冬青 ， 谢宋和． 模糊智能控制E M3 ． 北京 化工工业出版社， 1 9 9 8 2 杨宏丽． 单 片机 的模 糊 控制 系 统 [ M] ． 北 京 机 械 工 业 出版 社 ， 1 9 9 6 3 王 立 新． 模 糊 系统 与模 糊 控 制 [ M] ． 北 京 清 华 大 学 出 版 社 ， 2 0 0 3 4 宋伯生． P L C编程理论 、 算法 及技巧 [ M] ． 北 京 机械工业 出版 社 ， 2 0 0 2 5 郁汉琪． 电气控制与可编程序 控制器应用技术 E M3 ． 南京 东南 大学出版社 ， 2 0 0 2 6 阳宪惠． 工业 数据通 信与控 制 网络[ M] ． 北京 清华大 学 出版 社 ， 2 0 03 7 路林 吉． 可编 程控制 器原理 及应 用[ M] ． 北京 清 华大 学 出版 社 ， 20 0 3 科 学 发 展 是 第 一 生 产 力 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m