基于PLC的过程控制实验装置温度模糊PID控制.pdf

自 动 化 技 术 与 应 用 2 0 1 0 年 第2 9 卷 第1 0 期 工 业 控 S ul 与 应 用 n du s t r y Co n t r ol a n d Ap pli c a t ion s 基于 P L C的过程控制实验装置温度模糊 P I D控制 陶权 ． 谢彤 广西工业职业技术学院， 广西 南宁 5 3 0 0 0 3 摘 要 小之 l j s 7 【 】 过 E d。 r Eh } 乐统 舱 中锅炉火套的温度模糊控制设计思想， 对模糊 P I D控制的结构、模糊P I D 制器的波 、 荆 } 】 l I -P ； ji ll f l I C吏现进 r 分析， 戈中 细介绍了模糊摔制器程序的编写方法 ， 结果表明， 用P L C 实现 的 荆 p ⋯。 关键词 过 la j ． , - 系统 驰 ； I i I ； P L C _ J ] 炎 TP 2 7 3 足 敞 L { 芝 编 I 1 0 0 3 ～／ _ 4 1 2 0 1 O l 0 0 0 2 2 0 5 T e mp e r a t u r e F u z z y PI D Co n t r o l i n t h e Pr o c e s s Co n t r o l E x p e r i me n t a I De v i c e Ba s e dDe v i c e Ba s e d O n P。L C l T AO Qu a n ， X I E T o n g Gu a n g x i V o c a t i o n a l T e c h n i c a l I n s t i t u t e o f I n d u s t r y , Na n n i n g 5 3 0 0 0 3 Ch i n a Ab s t r a c t T h i s a r t i c l e d e s c r i b e s d e s i g n c o n c e p t o t ’r e a l i z i n g t e mp e r a t u r e f u z z y c o n t r o l f o r b o i l e r j a c k e t s i n t h e p r o c e s s c o n t r o l s y s t e m e x p e r i me n t a l d e x i c e b y u s i n g S7 2 0 0 ． i n wh i c h t h e s t r u c t u r e o f f u z z y PI D c o n t r o 1 ． f u z z y PI D c o n t r o l l e r d e s i g n i n g a n d P LC i mp l e me n t a t i o n o f f u z z , PI D c o n t r o l a r e a n a l y z e d a n d t h e f u z z y c o n t r o l l e r p r o g r a mmi n g i s a l s o i n t r o d u c e d i n d e t a i l Re s t t i t s s h 、 、 t h a t t h e f u z z y c o n t r o l l e r s c o n s i s t o f PLC a r e b o t h s i mp l e a n d p r a c t i c a 1 ． Ke y wo r d s p r o c e s s c o n t r o l s y s t e m e x p e r i me n t a l d e v i c e ； F u z z y PI D P I C 1 引言 本校 自动化实验室采用的 “ TH J 一3型高级过程控 制系统实验装置”是基于工业过程的物理模拟对象系 统 ， 该系统 包括 流量 、温度 、液位 、压 力等 热工参数 ， 可实现系统参数辨识， 单回路控制， 串级控制， 前馈一反 馈控制， 比值控制， 解耦控制等多种控制形式。设备中 的模拟锅炉可进行温度控制系统的实验 ， 其中锅炉夹套 水温控制系统的结构如图 1所示， 图 2是锅炉夹套水温 定值控制系统的方框图。系统 中锅炉内胆为动态循环 水 ， 磁力泵、电动调节阀、锅炉内胆组成循环供水系 统 ， 被控变量为锅炉夹套的水温 ， 即要求锅炉夹套水温 稳定于给定值 。实验前先通过变频器 一磁力泵动力支 路给锅炉 内胆和锅炉夹套均打满水 ， 然后关闭锅炉内胆 和夹套的进水阀。待实验系统投入运行以后 ， 再打开锅 收稿 日期2 0 1 0 0 5 1 2 炉内胆的进水阀， 允许变频器 一磁力泵以固定的小流量 使锅炉内胆的水处于循环状态。在锅炉夹套水温的控 制过程 中， 由于锅炉内胆循环水的作用 ， 使得锅炉内胆 与夹套热交换更充分 ， 因而控制效果较好。系统采用的 调节器为工业上常用的宇光 AI 一 8 0 8 智能调节仪【 引 。现 为了提高锅炉夹套水温控制系统的动态性能， 对控制系 统进行改造 ， 采用西门子 7 - 2 0 0 P L C代替常规调节器， 采用模糊 PI D控制算法代替常规 P I D控制实现锅炉内 胆水温控制。 2 模糊 P I D控制的结构 算法 传统 P I D 比例、积分和微分 控制原理简单， 使用方 便 ， 适应性强， 可以广泛应用于各种工业过程控制领域。 但是 P I D控制器对象电炉加热器温度具有非线性、大时 滞、强耦合等特点， 控制效果并不理想； 同时P I D控制器 没有 自适应工况变化的能力 ， 对一些系统参数会变化的 工 业 控 制 与 应 用 n du s t r y Con t r ol an d App l ic a t ion s 自动化技术与 应用2 0 1 0年第 2 9卷第 1 0期 过程 ， 存在参数改变不方便等问题 ， P I D控制就无法有 效地对系统进行在线控制 。不能满足在系统参数发生 变化 时 PI D参数 随之 发生相应改 变的要 求 ， 严重 的影响 了控制效果 。为此 ， 研究 P I D参数 自整定和智能控制算 法 具有 重要 的 工程 意义 。 图 1 锅炉夹套水温控制系统的结构示意图 过程控制实验装置 电炉加热器温度对象具有严重 的滞后性 ， 用常规 的 PI D控制 ， 由于参数一 经设 定 ， 不随 系统参数变化而改变 ， 影响控制质量 ， 而模糊控制级数 有限 ， 单纯使用使得控制程序难 以保证 ， 本文采用了在 动态过程中改变 PI D参数即模糊控制PI D的办法。 图2 锅炉夹套水温 P l D控制系统的结构示意图 由参数 可调节 的 PI D 来完成对 温度 的控 制 ， 模 糊控 制器实现对 PI D三个参数的自动校正。 温度 P I D控制的公式为 f K P _1 f t d t 】 1 ’ ⅡZ 式中 Kp为 比例系数， T i 为积分时间常数， T d为微 分时间常数 ， T t 为调节器输出， e t 为偏听偏差值。 模糊控制是在 P I D控制算法的基础上 ， 通过总结工 程设计人员知识和实践经验 ， 找出P I D参数与误差 e及 误差变化率 e c之间的模糊关系， 建立合适的模糊规则， 运行中不断地检测和运算误差 e和误差变化率 e c ， 再利 用模糊规则进行模糊推理 ， 查询模糊矩 阵表进行在线 P I D参数 自调整， 以满足不同的 e 和 e c 对控制参数的不 同要求， 使被控对象有 良好的动、静态性能I 1 1 ， 如图3是 模糊 PI D控制结 构图 。 r s 7 - 0 0 P L C 给 字一 e I l T j I T d I 一j e c 黼 忽 图3 模糊 P I D控制结构图 3 模糊 P I D控 制器设计 控制系统采用 “ 双入三出”的模糊控制器 。输入量 为温度值给定值与测量值的偏差 e以及偏差变化率 e c ， 输出量为比例系数 Kp 、积分时间 T i 、微分时间Td 。由 图 3可知 ， 控制过程为控制器定时采样温度值和温度值 变化率与给定值比较 ， 得温度值偏差 e以及偏差变化率 e c ， 并以此作为 PL C控制器的输入变量 ， 经模糊控制器 输 出比例系数 Kp 、积 分时间 Ti 、微分 时间 T d给 P I D控 制器进行调节 ， 然后经 D／A转换送温控对象 。 模糊 控制器 包 括输入 量模 糊化 、模糊推 理 模糊 决 策和模糊控制规则 和反模糊 3个部分。 3 。 1 输入模糊化 E和 E c 分别为 e 和 e c 模糊化后的模糊量， KP 、KI 、 KD分别为 Kp 、Ti 、Td模糊化后的模糊量。 e 、e c 论域等级为 e e c [ -3 ，2 ， 一1 ， 0 ， 1 ， 2 ， 3 】 ， 模糊 化子集 为 E E c [ NB， NM ， N S， Z E， P S， P M， P B】 。 表 1 e 、e c隶属度赋值表 覃 |＼ 级 、 ＼ ．3 _ 2 ． 1 0 l 2 3 语 言 ＼＼ p B 0 0 0 0 0． 2 0 ． 5 1 P M 0 O 0 0 ． 2 0． 5 1 0 ． 5 P S O 0 O ． 2 0 ． 5 1 0 ． 5 0 ． 2 O 0． 2 0 ． 5 l 0 ． 5 0 ． 2 0 NS O-2 0j l 0 ． 5 0 ． 2 0 0 啪 0 ． 5 1 0 ． 5 0 ． 2 0 0 0 NB 1 0 ． 5 0 ． 2 0 0 0 0 Kp 、T i 、T d论域等级为 Kp T i T d [ 一 3 ， - 2 ， 一 1 ， 0 ， l ， 2 ， 3 ] ， 模糊化子集为 KP T I T D [ N B， NM， NS ， Z E， P S， P M ， P B] 。 [ NB，NM， N S， Z E， P S ， P M， P B ] 表示[ 负大 ， 负中， 负 小 ， 零 ， 正小 ， 正 中 ， 正大】 。 e 、e c 和 Kp 、T i 、Td的隶属度如表 1 、表 2 所示。 自 动 化技 术 与 应 用 2 0 1 0 年 第2 9 卷 第1 0 期 工 业 控 制 与 应 用 n du s t r y Con t r o l a n d Ap p l i c a t i o ns 表 2 K p 、T i 、T d 隶属度赋值表 ＼ 隶属＼ 级 ＼ ＼ -3 -2 1 0 l 2 3 语 言 ＼＼ PB 0 0 0 0 0 。 2 0 ． 5 1 M 0 0 0 0．2 0 ． 5 1 0 ． 5 PS 0 0 O ． 2 0． 5 1 O ． 5 O ． 2 ZE 0 0 ． 2 0 ． 5 1 0 ． 5 0 ． 2 0 NS O ． 2 0． 5 1 O 5 O ． 2 0 O NM 0 ． 5 1 0 ． 5 0．2 0 0 0 NB 1 0． 5 O ． 2 0 0 0 O 3 ． 2 模糊决策和模糊控制规则 总结 电加 热器 温度 的控 制过程 中经验 ， 得 出控制规 则 ， 如表 3 、表 4 、表 5所示 。选取控制量变 化的原则是 当误差大或较大时 ， 选择控制量 以消除误差为主。而当 误差较小时， 选择控制量要注意防止超调。 表 3 K p的模糊规则 表 4 T i 的模糊规则 N B ⋯ ⋯ NB NB N B NM NM N B NB NM NS NB NM NS N M NM N S PS i NS 珏 p M Z E Z E PS PB 正 Z E PS 表 5 T d的模糊规则 Z E P S PM 由表 3 、表 4 、表 5的模糊规则可写成条件语句 ， 即 I f e Ai a nd e c Bi t he n Kp o r Ti or Td Ci 其中Ai 、B i 和 C i 是定义在 e 、e c 和 K p 、T i 、T d的 论域 X、Y、Z上的模糊集 ， 每条规则 R i j A i x B i X C i j 共有 4 9条规则 ， 全部系统模糊集为 RRI 1 V Rl 2 V R 1 3 V R 1 4 V ⋯一R4 4 9 V表示 “ 并” ； 当e 、e c 分别取模糊集X、Y时， 输出 Kp 、T i 、Td 的模糊子集为[ 】 Z i j X X Y R 根据输入 e 、e c 模糊 量化后得到的 X、Y 可计算 出 Kp对应的 Z i j ， 如表 6 所示 。 表 6 K p的模糊控制表 ． 3 - 2 - 1 O l 3 3 Z Z Z Z“ Z Z 6 Z -2 j z 乏， z t Z Z 。 l z ； Z L , Z 3 孟 z * 玉 0 己 ． 乙2 乙j Z z Z 4 l z 西3 z 孟 } z r 2 7 - ． - 3 z1 1 Z 2 Z - ； Z- Z- z_ 6 Z- “ 以系统的稳定性为主。例如 ， 当温度值低很多 低 于 目标值 ， 且温度值有进一步快速降低的趋势时 ， 比例 系数 Kp增 大 ， 应加大 电炉加热器 电压 。可用模糊语 句 实现这条规则 I f e N B a n d e c N B t h e n Kp P B 。 当 误差为负大且误差变化为正大或正中时 ， 控制量不宜再 增加 ， 应取控制量的变化为 0， 以免出现超调。一共有 4 9条规则。 3 ． 3 输出反模糊化 具体实现上述控制算法的关键在于解决输人量等 级量化程序梯形图设计和查表获取模糊控制量的查表 程序梯形图设计 。 4 模糊 Pl D控制 的 P L C实现 4 ． 1 程序设计流程 P LC程序设计流程图如图4所示【 I 。 4 ． 2 输入量等级量化的梯形图设计 根据 e和 e c论域所分的等级， 将实际温度变化范围 分为 7档， 依据式下式将基本论域区 】 的精确量按四 合五入原则量化为论域区间【 a ， b 】 的论域元素 模糊量 ， n 3 ， e为温度变化值 ， y为量化级数。 y 2 n [ e 一 a b ／ 2 ] ／ b a 7 -2 0 0的 A／ D转换模块 ， 理论上模糊控制器的输 入的取值范围可能为 0 ～3 2 0 0 0 。然而， 实际上仅刚开始 起动等很少时候可能达到 3 2 0 0 0。在正常运行过程中， 的基本论域取值比上述范围要小得多 ， 一般可取为【 0， 一 一 蛐m Ⅲ № ～ ； ￡{ ￡ 工 业 控 制 与 应 用 n d us t r y Con t r ol a nd App l i c at i o ns 自动 化技术 与应 用 2 0 1 0年第 2 9卷第 1 0期 2 4 0 0 】 ， 模糊量化的论域取为[ _ 3 ， 3 】 ， 则量化因子为 6 ／ 2 4 0 0 1 ／ 4 0 0 ， e 对应的模糊化论域如表 7 所示。 图4 程序流程图 表 7 e对应的模糊化论域 X元素表 j 竺； 塑 竺i 竺 竺 J 竺 至 兰 X 3 - 2 1 - l 0 l 2 】 3 输人量的变化量 e模糊化程序见子程序 S B R～1 如 图5 所示， 量化值存人 V W2 0 0 ， e C 量化值存人 VW3 0 0 ， 限 于篇 幅 e c模糊 化程序 在 此略 。 哥 卜￡ 叫 二 } 十 -} * 1．- } 十 。卜 ● - ●● 图 5 子程序 S BR- 1 4 ． 3 模糊控制表程序 模糊控制查询表是经模糊推理与逆模糊化运算获 得的一个 7 7 基于上述对语言变量论域范围的设定 的 二维矩阵。表 2 给出了一个模糊控制查询表 Kp的实例， 表中矩阵元素 Kp是由输入量 e和e c的论域元素确定的 输 出控 制量 的量 化值 。 将查询 表 元素逐 行依 次存储 在 PLC 的 VD 5 0 0～ VD 5 4 8中。查表程序设计利用变址寄存器 ， 通过采取 “ 基址 偏移地址”寻址的设计方法来实现。设 e和 e c 的论域元素分别为 X、Y， 则输出量 比例 Kp的位置为 表首地址 [ 7 X 6 Y 6 】 ， 表首地址为 V D5 0 0 。同理将 T i 、T d论域元素分别存放在 V D6 0 0 ～V D 6 4 8 、V D7 0 0 ～ V D7 4 8中， 程序略。 Kp的查询表程序为S B R～2 ， 如图6所示。 图 6 子程序 S B R - 2 4 。 4 反模糊化程序 图 7 子程序 S B R - 3 把由表 6查 出的控制量模糊论域 中的值 Z pi j 即 VD 5 0 0 -V D5 4 8中的值 乘以比例因子 K1 便可以得到实 际的比例系数 Kp * K1 x Z p i j ， 实际的积分时间Ti 自 动 化 技 术与 应用 2 0 1 0 年 第2 9 卷 第1 0 期 工 业 控 制 与 应 用 n du s t r y Con t r o l an d Ap p l i c at i o n s K2 X Z i i j ， 实际的微分时间T d K3 x Z d i j 。在本实验 装置的温度控制系统 中取比例系数范围是 0～1 0， 积分 时间范围是 0 ～l 0分钟， 微分时间范围是 0 ～5 分钟， ， 故 K1 1 0 ／ 6 1 ． 6 6 6 7 ， K 2 1 0 ／ 6 1 ． 6 6 6 7 ， K3 5 ／ 6 0 ． 5 。程 序如图7所示。 4 ． 5 参数可调的P I D 运算程序 P LC在执行 P I D调 节指令 时 ， 须对算法 中的 7个参 数进行运算， 为此 S 7 2 0 0的P I D指令使用一个存储回路 参数的回路表， PI D回路表的格式及含义如表 8所示。 表 8 P I D回路表 兰篓 塾【 竺 ． ； ． 二 三 釜 墨 兰 篓 一 羔墨 里j 塑圭 篁 鱼 一 L ￡ 三 堕 j 茎 兰 1 主程序如图 8 所示 图 8 主程序 2 中断程序如图9 所示 爱 筹 ； 越薹 等 薹 舒 盘 ‘ 珩 蠢 囊 予 曩 序 ’ 。 。 。 爱 谯 簟 予 曩 片 5 结束语 图9 中断程序 采 用阶跃 输入 作为激 励和最 终输 出的 目标值 ， 通 过 P I D常规控制器和模糊 P I D控制器对相同输入的响应特 性曲线来进行二者之间的比较。通过运行在 Ma t l a b中 建立的模型， 可以得到如图 1 0的响应特性曲线。相对于 常规 P I D控制来说， 模糊 P I D控制有着响应时间短、更 快的反应速度 ， 并且超调小。这表明对于温度过程控制 系统 ， 采用模糊 P I D控制可以取得更好的性能， 基本实现 对控制系统的快速 、准确控制。 图 1 0 两种控制器的响应特性曲线 本文通过利用西门子 S 7 2 0 0实现过程控制系统实 验装置中的温度模糊控制， 这一算法的改进给 P I D参数 在 线调整提供 了很大 的方便 ， 与常规的 P I D控 制相 比， 模 糊 P I D控制克服了温度控制的时变、非线性等不利因素 的影响， 具有鲁棒性强、动态性能好等特点。 参考文献 [ 1 】曾光奇． 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 ， 9 5 8 - 7 0 ． 【 2 ]李敬兆， 张崇巍． 基于 P LC直接查表方式实现的模糊控 制器研究 ． 电工电子技术杂志， 2 0 0 1 ， 9 3 1 -3 2 ． [ 3 】 THJ 一 3 型高级过程控制系统实验装置说明书[ M] ． 杭州 天煌教学仪器设备公司， 2 0 0 4 ， 7 2 - 4 ． 作 者 简介 陶权 1 9 6 3 一，男，副教授 ，工程 师， 研 究方 向工 业 自动 化 方 向 。