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6 4 工业仪表与自动化装置 2 0 1 1年第 3期 模糊 P I D 控制在 S 73 0 0 P L C 中的实现及 应 用 焦舟波 ， 石红瑞 东华大学 信息科学与技术学院， 上海 2 0 1 6 2 0 摘要 针对双容水箱的液位控制 ， 采用模糊 自适应 P I D串级控制方案。模糊 自适应 P I D算法不 需要建立精确模型 ， 并保 留了传统 P I D算 法的优点， 基 于模糊规 则在 线调整 P I D参数。在西 门子 s 7 3 0 0 P L C中， 使用编程软件 S t e p 7中梯形图和 S T L语 言编写程序 ， 开发 了模糊 自适应 P I D模块。 将该算法应用于双容水箱的液位控制， 实验结果表明， 相对 于串级 P I D控制， 模糊 自适应 P I D 串级 控制 系统在超调量、 调节时间、 抗干扰等方面有更好的控制品质 。 关键词 模糊 自适应 P I D串级控制 ； s 73 0 0 P L C； 液位控制 中图分类号 T P 2 7 3 ． 4 文献标志码 A 文章编号 1 0 0 0 0 6 8 2 2 0 1 1 0 30 0 6 4 0 4 Re a l i z a t i o n o f f u z z y PI D c o n t r o l o n S 73 0 0 PLC a nd i t s a pp l i c a t i o n J I AO Z h o u b o ，S HI Ho n g r u i C o l le g e ofh o r ma t i o n S c ie r w e a n d T e c h v w l o g ， Do n g h d U n iv e rs i ty，S h a n g h a i 2 0 1 6 2 0， C h i n a Abs t r a c t Ai mi n g a t t h e l e v e l c o n t r o l o f c o u p l e d t a n k s，a f u z z y a d a pt i v e P I D c a s c a d e c o n t r o l s t r a t e g y b a s e d o n f u z z y l o g i c wa s p r o p o s e d．I t wa s no t n e c e s s a r y t o b ui l d a n a c c u r a t e ma t h e ma t i c a l mo d e l ，a n d i t r e t a i n e d t h e a d v a n t a g e s o f t h e t r a d i t i o n a l P I D a l g o r i t h m．T h e f u z z y P I D a l g o r i t h m a d j u s t e d P I D p a r a m e t e r s o n l i n e b a s e d o n f u z z y r u l e s ．Th i s a l g o r i t hm wa s d e v e l o pe d o n Si e me n s S 7 3 0 0 PLC a n d p r o g r a mme d wi t h l a dd e r di a g r a m a nd S T L l a ng u a g e i n S t e p 7．And a f uz z y a da p t i v e PI D mo d ul e wa s o b t a i n e d．I t wa s a p p l i e d t o c o n t r o l t h e l e v e l o f c o u p l e d t a n ks ．Th e e x p e r i me n t a l r e s u l t s s h o we d t h a t t h e o v e r s h o t ，t he a d j u s t i n g t i m e a n d t h e c a p a c i t y o f a n t i i n t e r f e r e n c e o f f u z z y a d a p t i v e P I D c a s c a d e c o n t r o l w e r e s u p e r i o r t o t h o s e o f c a s c a d e PI D c o n t r o 1 ． Ke y wo r ds f u z z y a d a pt i v e PI D c a s c a de c o n t r o l ； s 73 0 0 P LC； l e v e l c o n t r o l 0 引言 工业过程控制系统中， 往往涉及到很多非线性 、 大时滞的复杂控制系统 ， 而这类系统很难建立精确 数学模型 ， 或者根本不可能建模 ， 传统的控制理论和 控制方法受到了挑 战。近年来 ， 针对这类 复杂控制 提出了许多先进 的控 制方法。模 糊控制 就是其 中之一 。与传统 的 P I D控制方法相 比， 模糊 自适应 P I D控制具有不建立数学模型， 响应快超调小 ， 较好 的动态响应品质和鲁棒性好的特点。该文将模糊 自 适应 P I D算法应用于 s 7 3 0 0 ， 通过在 S t e p 7中用梯 形图及 S T L 语言编程， 实现对双容水箱的液位控制。 1 被控对象 系统是在天煌教仪过程控制教学设备上实现 ， 收稿 日期 2 0 1 01 O一 2 7 作者简介 焦舟波 1 9 8 6 ， 男， 江苏江阴人 ， 硕士研究生， 主要从 事过程控制 、 控制理论的研究以及应用 。 图 1为实验装置。分为工艺设备和 自动化装置两部 分 ， 工艺设备部分包括双容水箱 ， 一个贮水箱 ， 水泵 和相应水管等 ； 自动化装置部分 由测量 液位 和流量 的变送器 、 调节 阀、 S 73 0 0和上位机等组成。实验 过程中 ， 液位流量等模拟量参数 ， 都会通过 P L C进 行实时采集和处理 ， 从而实现对整个过程的 良好控 制。并在监控软件上显示下水箱水位和进水流量。 图 1 过程控制实验装置 过程控制部分由下位机西 门子 s 7 3 0 0 P L C和 上位机人机界面构成 ， 下位机面向生产现场数据采 集及过程控制等， 上位机通过 W i n C C软件监控系统 2 0 1 1 年第 3期 工业仪表与 自动化装置 6 5 完成对下位机 的监控及生产操作管理等。 2 控制方案 2 ． 1 模糊 P I D 串级控 制 双容水箱系统 由上下两个单容水箱构成 ， 是典 型的二阶工业对象 ， 控 制要求下水箱 的液位在控制 系统 的作用下能够快速 、 准确 、 稳定地维持在期望的 液位值上 。控制方案采用上水箱的液位 为副参数 ， 下水箱液位为主参数构成串级控制系统。模糊 P I D 串级控制 系统结构如图 2所示。 图 2 模糊 P I D串级控 制系统结构 控制系统 中， 副调节器采用纯 比例控制 ， 而主调 节器采用模糊 自适应 P I D控制 ， 以实现对 双容水箱 的控制。 2 ． 2 模糊 P I D控制算法 在普通 P I D控制器上加人模糊控制环节 ， 通过 模糊规则调整系统的 P I D参数 ， 构成模糊 P I D控制 器 ， 结构如图 3所示。 图 3 模糊 P I D控制器结构 图 通过采样获取被控量的实 际值 ， 然后与给定值 进行比较得到误差信号 ， 把误差模 糊化 J 。然后经 由模糊规则进行决策 ， 得到模糊控制量。 输入量偏差 e的语言变量 为 E， 偏差变化率 e c 语言变量为 E C， 相应 的模糊 子集定义 为 { N B， N M， N S ， z O， P S ， P M， P B} ， 论域为 {一 3 ， 3 } ， 输出量 ， K 和 的语言变量分别为 ， ， ， 上述变量的隶属 函数都选为三角函数 ， 便于计算处理 。 根据不 同的偏差 e 和偏差变化率 e c ， ， K 和 的整定规则 如下 当I e I 较大时， 为使系统具有较好 的跟踪性能 ， 取较大的 与较小的 ， 同时为避免系统响应出现 较大的超调 ， 应对积分作用加以限制， 通常取 K 0 ； 当 I e l 处于 中等大小时， 为使系统响应具有较小 的超调 ， 应取得小些 ， 在这种情况下 ， 的取值对 系统响应 的影响较大 ， K的取值要适 当； 当I e I 较小时， 为使系统具有较好的稳定性能， K 和K均应取大些， 同时为避免系统在设定值时出 现震荡 ， 并考虑系统抗 干扰的性 能， 当 I e c l 较大时 ， 可取小些 ； l e c l 较 小时 ， 可 取得较 大些。通 常 为中等大小。 为了便于在线调整 ， 将 e和 e c整数论域 {一3 ， 3 } 中的全部元素进行任意组合 ， 通过模糊推理和模 糊判决得 出它们对应的 ， K和 的值。将它们写 成矩阵的形式 即形成表 1 、 表 2和表 3所示 的模糊 调整查询表。 表 1 的模糊 查询表 NB NM NS Z0 PS PM PB NB 0．1 02 0． 3 0 0 0． 3 0 0 0． 3 00 0． 3 00 0． 3 0 0 0． 1 0 2 NM 0．1 02 0．1 98 0． 1 98 0． 1 9 8 0． 1 98 0．1 98 0． 1 02 NS 0．1 98 0． 3 0 0 0． 3 0 0 0． 1 0 2 0． 3 00 0． 3 0 0 0． 1 98 Z0 0．1 98 0． 3 0 0 0． 30 0 0 0． 3 00 0． 3 0 0 0． 1 9 8 ● PS 0 ． 1 9 8 0 ． 3 0 0 0 ． 3 0 0 0 ． 1 0 2 0． 3 0 0 0 ． 3 0 0 0 ． 1 9 8 PM 0 ． 1 0 2 0 ． 1 9 8 0 ． 1 9 8 0． 1 9 8 0 ． 1 9 8 0 ． 1 9 8 0 ． 1 0 2 PB 0．1 02 0． 3 0 0 0． 3 00 0． 3 00 0． 3 00 0． 3 0 0 0． 1 0 2 表 2 的模糊 查询表 NB NM NS Z0 P S PM PB NB 0 0 0 0 0 0 0 NM 0 ． 0 2 0 4 0 ． 0 2 0 4 0 0 0 0 ． 0 2 0 4 0 ． 0 2 0 4 NS 0 ． 0 3 9 6 0 ． 0 6 0 0 0 ． 0 3 9 6 0 ． 0 3 9 6 0 ． 0 3 9 6 0 ． 0 6 0 0 0 ． 0 3 9 6 Z 0 0 ． 0 6 0 0 0 ． 0 6 0 0 0 ． 0 6 0 0 0 ． 0 6 0 0 0 ． 0 6 0 0 0 ． 0 6 0 0 0 ． O 6 O 0 PS 0 ． 0 3 9 6 0 ． 0 6 0 0 0． 0 3 9 6 0 ． 0 3 9 6 0 ． 0 3 9 6 0 ． 0 6 0 0 0． 0 3 9 6 PM 0 ． 0 2 0 4 0． 0 2 】 4 0 0 0 0 ． 0 2 0 4 0． 0 2 0 4 PB O 0 0 0 0 0 0 表 3 的模糊查询表 NB NM NS Z0 PS PM PB NB 1． 02 0． 3 0 0． 3 0 0． 3 0 O． 3 0 0． 30 1 ． 02 NM 1． 98 1 ． 9 8 1 ． 9 8 1 ． 9 8 1 ． 98 1． 98 1 ． 98 NS 0 1 ． 0 2 1 ． 0 2 1 ． 0 2 1 ． 0 2 1 ． 0 2 0 Z0 0 0 0 0 0 0 0 PS 0 1 ． 0 2 1 ． 0 2 1 ． 02 1． O2 1 ． 0 2 0 P M 1 ． 9 8 1 ． 9 8 1 ． 9 8 1 ． 9 8 1 ． 9 8 1 ． 9 8 1 ． 9 8 P B 1 ． 0 2 3 ． O 0 3 ． O 0 3 ． O 0 3 ． 0 0 3 ． 0 0 1 ． O 2 2 ． 3 串级 P I D控制 该实验主要目标是实现下水箱液位的自动控 6 6 工业仪表与 自动化装置 2 0 1 1 年第 3期 制， 为克服实验中容量滞后 ， 提 高控制质量 ， 引入 了 流量副回路 ， 从而构成 液位流量 串级控制 系统 。 以上水箱液位为副参数 ， 下水箱液位为主参数 ， 主调 节器接收主参数信号 ， 它 的输 出作为副调节器 的外 给定信号， 而副调节器则是根据副参数 与主调节器 的给定信号去调节 阀门。 3 控制方案在 S 7 3 0 0 P L C 中的实现 系统 的 P L C选用 了 S I E ME N S的 S 73 0 0 系 列 ， 配置如下 中央处理模块 C P U C P U 3 1 52 D； 模 拟量输入模块 A I S M 3 3 1 ， 2块 8 X 1 2位 ； 模拟量 输 出模块 AO S M 3 3 2 ， 1块 4 X1 2位 ； 电源模块选 用 P S一 3 0 7， 5 A， 2 4 V D C； P C适配器 R S 2 3 2串行通 信接 口。 西门子 S 7 3 0 0 P L C是模块 化的中小型 P L C， 使用 于 中等性 能的控制 要求 ， 品种繁多 的 C P U模 块 、 信号模块和功能模块能满足各种领域 的 自动控 制服务。S 73 0 0稳定 可靠、 功能强 大且 自动化程 度非常高。软件 系统包 括组态 软件 S t e p 7 V 5 ． 4及 W i n CC6． 0 J ，S t e p 7 V 5 ． 4完成系统组态及编程 ， 实现 对液位流量的控制。Wi n C C 6 ． 0则用 于调节并监控 现场各参数 ， 实现人机交互。在 S t e p 7中通过一个 系统组织块 O B 1 将组织块 O B 3 5 、 控制功能块 F B 4 1 以及存储系统数据块结合成一个整体， 以实现对液 位流量控制系统安全可靠地监控。在 Wi n C C 6 ． 0中 创建项 目， 并对各种过程画面进行组态 。Wi n C C 6 ． 0 组态 系统采用 S I MA T I C S 7 P r o t o c o l S u i t e 作为驱动程 序 ， 通过 C P 5 6 1 1通信卡与下位机s 73 0 0 P L C进行 通信 。将 s 7 3 0 0程序下 载到 P L C， 在完成测试后 就可将系统投入运行 ， 系统运行 中相应监控 画面可 以在 上位 机 上通 过 Wi n C C 6 ． 0显 示 。 3 ． 1 模糊 自适应 P I D 串级控制的实现 在 S t e p 7中完成 系统硬件组 态 ， 并 在功能块 中 写入梯形 图及 S T L语 言程序 。在模糊控制算法 中， 模糊控制量表的查询是程序设计的关键 。将模糊论 域的元素 { 一3 ， 一2 ， 一1 ， 0 ， l ， 2， 3 } 转换为 { 0 ， 1 ， 2 ， 3 ， 4 ， 5， 6 } 以便于寻址查询 ， 然后采用基 址 变址 的 寻址方式将模糊控制量表 中的 P I D控制结果按从上 到下 ， 从 左 到 右 的 顺 序 填 入 P L C 的数 据 寄 存 区 DB1 ． 0～DB1 ． 1 9 2． DB2 ． 0～DB 2． 1 92 ， DB3 ． 0 ～DB3． 1 9 2 中。控制量的基址为 0 ， 其偏移地址为 0 E c X 7 E 。P I D 个参数的寻址分别找到后， 经过解模糊运 算， 可得到精确 的控制量 K ， K 和 。表 4为在 S t e p 7中所建立 的控制量 K 查询表。 表 4 S t e p 7中建立的 查询表 将表 1中经离线计 算得到 的 K 值按地址分别 写入 S t e p 7中的表中 每个值按一个双字计 。 梯形图程序部分 ， 在 O B 1中编写程序实现信号 输入采样 ， 得到误差和误差变化率 ， 在循环 中断组织 块 O B 3 5中调用 “ C O N T C ” E 8 1 实现 P I D闭环控制 ， 查表程序分别在 F B 1 ， F B 2 ， F B 3中进行实现 ， 查询表 存放在数据块 D B 1 ， D B 2 ， D B 3中以供查询 。 3 ． 2 串级 P I I 控制的实现 S t e p 7提供 了一个 以固定时间间隔循环运行的 循环 中断组织块 O B 3 5 。在 O B 3 5中编写逻辑 图程 序实现 P I D闭环控制 。该文在 S t e p 7中用 S T L语言 进行编程， 以双容水箱的下水箱液位为主参数， 上水箱 液位为副参数， 对电动阀进行调节以实现串级控制。 通过调用连续 P I D控制功能块 F B 4 1能够实现 P I D控制功能。实验中以被控量 P I W2 5 8 下水箱液 位 为外部设 备输 入的 I ／ O格式 的过程 变量 ， s P I N T设定内部设定值 ， I ／ O控制器输出 P Q W 2 5 6调 节 电动 阀的开度 。部分 S T L语言如下 CAL L“ CONT C”， DB 41 COM RS T 2 0 1 1 年第 3期 工业仪表与 自动化装置 6 7 MAN ON一F ALS E PVPER ON TRUE P S EL I _S EL I NT _HOLD I _I TLON D S EL CYCLE S P _I NT PVI N PV _PERP I W 25 8 MAN GAI N TI TD TM L AG DEADB W LMN HLM L MN L LM PV F AC5． 0 0 0 0 0 0e0 0 0 PV OFF0． 0 00 0 00 e0 0 0 LMN FAC2． 0 0 0 0 0 0e0 0 0 L MN OF F0． 0 0 0 00 0e0 00 I I TL VAL DI S V LMN LMN PER 4实验结果 根据 以上模糊 自适应 P I D和串级 P I D控制 方 案 ， 完成 P L C的内部 运行程序之后 ， 分别 使用模糊 自适应 P I D的方法和串级控制对双容水箱的液位进 行控制 ， 系统给定 的控制液位为 3 0 m l ， 主调节器的 过程变量比例因子设为 5， P I D输出值 比例因子设为 2 ， 副调节器的过程变量比例因子设为5 ， P I D输出值比 例因子设为 1 。分别得到图4 、 图5所示控制曲线。 图4 模糊 P I D控制曲线 图 5串级控 制曲线 由以上结果可 以看出 ， 模糊 自适应 P I D控制在 响应速度方面明显优于 串级控制， 并且仅有较小的 超调量 ， 稳定之后 曲线稳定性也较好。相对于 串级 控制 ， 模糊 自适应 P I D控制的控制质量明显更好 ， 无 论在系统响应时间， 稳定性抗干扰性方面 ， 模糊 自适 应 P I D控制都优 于串级控制 ， 具有超调小、 调节速度 快 、 鲁棒性好的特点。 5 结论 双容水箱作为工业生产 中典型的二 阶系统 ， 具 有一定的容积迟延 ， 该文在研究模糊理论 的基础上， 提出了模糊 自适应 P I D串级控制方案 ， 并 以工业应 用广泛的 s 7 3 0 0为工具， 结合 S t e p 7 、 Wi n C C等组 态软件 ， 对双容水箱 的系统进行 了控制。实验结果 表 明模糊控制是解决大时滞 、 非线性、 建模 困难的工 业对象控制的一种较为合适 的方法 ， 其控制特性优 于串级控制 。并且使用 P L C与模糊控制相结合 ， 能 较简便地通过软件实现模糊控制 ， 既达到了 P L C控 制系统可靠 、 灵活 、 适应力强 的特点 ， 又提高 了系统 的智能化程度。这种方法和思路对现有设备低成本 条件下 的技术改造很有意义。 参考 文献 [ 1 ] 曾光奇 ， 胡均安， 王东， 等． 模糊控制理论与工程应用 [ M] ． 武汉 华 中科技大学 出版社 ， 2 0 0 6 1 3 ． [ 2 ] 胥军 ， 方彦军． 模糊推理 自整定 P I D控制及其在 P R O F I B U S控制器中的应用[ J ] ． 仪表技术与传感器， 2 0 0 6 5 3 5 3 8 ． [ 3 ] 王树东， 张东， 刘旭东， 等． 模糊控制在城市污水处理中 的应用[ J ] ． 工业仪表与自动化装置， 2 O L O 2 1 6 1 8 ． [ 4 ] 丁永生 ， 任立红． 一种新颖的模糊 自调整免疫反馈控 制系统[ J ] ． 控制与决策 ， 2 0 0 0 ， 1 5 4 4 4 4 4 4 6 ． [ 5 ] 李国勇． 过程控制系统 [ M] ． 北京 电子工业出版社 ， 2 0 0 9 1 3 81 4 2． [ 6 ] 任双艳， 边春元， 孙亦红， 等． s 73 0 0 ／ 4 0 0 P L C原理与 实用开发指南[ M] ． 北京 机械工业出版社， 2 0 0 8 ． [ 7 ] 苏昆哲． 深入浅出西门子 Wi n C C V 6 [ M] ． 北京 北京 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