基于PLC和WinCC的水箱液位模糊控制研究与应用.pdf

2 0 1 1 年第 5期 工业仪表 与 自动化装 置 7 7 基 于 P LC 和 Wi n CC 的 水 箱 液位 模 糊 控 制 研 究 与 应 用 罗庚兴 广东松 山职业技 术学院， 广东 韶关 5 1 2 1 2 6 摘要 采用 S 7 3 0 0的 C P U 3 1 52 D P设计了一个单容水箱的液位模糊控制 器， 该模糊控制 器 克服 了传统 P I D控制对被控对 象精确数 学模型的依赖。通过查询预先计算 出的模糊控制量表直接 实现智能控制 。通过在 Wi n C C中的参数连接与设置， 实现液位运行画面的监测。实验结果表 明该 控制 系统运行可靠有效 ， 其鲁棒性明显优 于传统的 P I D控制方法。 关键词 P L C； Wi n C C； 模糊控制器； 液位控制 ； 组态监控 中图分类号 T P 2 7 3 ． 5 文献标志码 A 文章编号 1 0 0 0 0 6 8 2 2 0 1 1 0 50 0 7 7 0 5 Re s e a r c h a nd a ppl i c a t i o n o f wa t e r t an k f u z z y l e v e l c o nt r o l s y s t e m b a s e d o n PLC a nd W i nCC LUO Ge n g x i n g G u a n g d o n g S o n g s h a n P o l y t e c h n i c C o l l e g e ，G u a n g d o n g S h a o g u a n 5 1 2 1 2 6 ，C h i n a Abs t r a c t CP U3 1 5 2DP o f S 7 3 0 0 i s u s e d t o d e s i g n e d a l e v e l f u z z y c o n t r o l l e r f o r s i ng l e c a pa c i t y wa t e r t a n k s whi c h h a s o v e r c o me t h e r e l i a n c e t h e o n p r e c i s e ma t h mo d e l o f t h e t r a d i t i o n a l PI D c o nt r o 1 ．T he i nt e l l i g e n t c o n t r o l i s a c h i e v e d d i r e c t l y b y q u e r y i ng t h e pr e c alc u l a t e d f u z z y c o n t r o l t a b l e ． S u p e r v i s i n g t h e l e v e l r un n i n g p a g e s i s a c hi e v e d b y c o nn e c t i n g a n d s e t t i n g u p p a r a me t e r s i n W i nCC． T h e e x p e r i me n t r e s u i t s s h o w t h a t t h e c o nt r o l s y s t e m f u n c t i o n s r e l i a b l y a n d e f f e c t i v e l y，a n d i t s r o b u s t n e s s i s b e t t e r t ha n t h e o n e o f t h e t r a d i t i o na l PI D c o n t r o 1 ． Ke y wo r ds PLC；W i n CC；f u z z y c o n t r o l l e r ；l e v e l c o n t r o l ；c o n f i g u r a t i o n s u p e rvi s i o n 0 引言 液位控制系统是工业生产 中比较典型的控制应 用之一。液位控制对象一般具有纯滞后、 大惯性 ， 因 此液位变化缓慢 ， 系统一般呈非线性 ， 使得找到一 组合适 的 P I D参数相当困难。用经典 P I D控制器来 实现控制时， 其效果不理想 ， 系统响应 的调节 时间较 长。模糊控制器是依照人工操作思维程序工作。与 传统控制方法相 比， 模糊控制无需建立数学模型， 被 控对象的特性和参数变化对控制质量的影响较小 鲁 棒性强 ， 对于非线性和大时滞对象采用模糊控制的 效果要 比 P I D效果好 J ， 因此很适合液位过程控制。 收稿 日期 2 0 1 1 0 42 1 基金项目 广东韶钢集团公司科研项目 基于 P L C的模糊 P I D 控制在水箱液位控制 的实验研究 K 1 0 4 0 1 作者简介 罗庚兴 1 9 7 2 ， 男 ， 湖南 郴 州人 ， 1 9 9 6年 毕业于 东北 重 型机械 学院 ， 副教授 ， 硕士 ， 主要研 究方 向为 P L C控制及 自动化。 1 液位模糊控 制系统的结构 单容水箱是指 只有一个储 蓄容量 的水箱 ， 图 1 是典 型单 容 自衡 液位 过 程控 制 系 统 的结 构 示 意 图 。利用水泵将蓄水池 中的水抽 出， 通过 电动调 节阀 V调节进水流量 ， 采用单 闭环控制水箱液位 ， 使水箱液位保持恒定 ， 液位变送器 L T对水箱液 位 进行实时测量。 图 1 自衡单容液位控制系统结构图 一 一 一 二一 一 搴 7 8 工业仪表与 自动化装置 2 0 1 1 年第 5期 单容水箱过程控制对象是一个非线性一阶滞后 五 ， 系统 ， 过程传递 函数模 型可近似 G s e ， 1 十l 是典型的含纯 滞后 的一阶惯性 环节 。时 间常数 与水箱截面积 、 水 阻和液体密 度有关 ， 时间常数 越 小 ， 系统对输入的反应越快 ， 反之 ， 若时间常数较 大 容器面积较 大 ， 则反应较慢 ； 延时 与调节 阀 和水箱入 口的距离有关 。 电动调节阀 V选用深圳东仪 T O Y I ～0 5 R S Z 额 定电压 2 2 0 V A C， 额定电流 0 ． 2 A， 输出功率 5 0 N m， 输入电流 4～2 0 m A， 动作时 间 1 0 S ， 输 出信号 4～ 2 0 m A， 环境 温度 一1 O～ 6 0℃ 。液位传感器选用上 海奇正 P T 3 1 01 0 K 3 3 3 精度 0 ． 5 ％F S ， 测量 范围 为 0～1 0 k P a ， 输 出信号 为 4～2 O m A。控 制器 L I C 选用西门子公司的 S 7 3 1 5 2 D P P L C 订货号 3 1 5 2 A G 1 0 0 A B 0 ， 数字量输入模块选用 3 2 11 B L 0 0一 O A A O， 数字量输 出模块 选用 3 2 21 B H 0 10 A A 0， 模拟量输入模 块选用 3 3 17 K F 0 2 0 A B O， 模拟 量 输出模块选用 3 3 25 HD 0 1 0 A B 0 。 2 模糊控制器的设计 2 ． 1 模糊控制系统结构 模糊控制系统的设计 以基本二维模糊控制器的 设计为基础 ， 图 2所示为结构框 图。模糊控制器包 括输入量模糊化、 模糊推理和解模糊 3个部分 。图 中 r 为设 定值 ， Y为测量值 ， M为输 出值 。e为误 差 ， 计算公式为 e r Y ； e c 为误差变化率 ， 计算公式为 e c e 一e ， 式 中， e 为 当前采样 的误差 ， e 为上次采 样的误差。E和 E C分别为 e和 e c模糊 化后 的模糊 变量。△ 为输 出模 糊变量 ， △u为 △ J ， 解模 糊化 后的输 出增量 ， “为精确输 出量。K e 、 K e c 分别为 e 、 e c的模糊量化 因子 。K u为△lZ的比例 因子 。 图 2 模糊控制器基本结构 2 ． 2模糊变量 设定模糊变量 E的模糊论域 为[一3 ， 3 ] ， 并将 其量化为 7个等级 { 一3 ， 一 2， 一1 ， 0， 1 ， 2 ， 3 } 。设定 模糊变量 E C的模糊论域为[ 一 2 ， 2 ] ， 并将其量化为 5个等级 { 一 2， 一1 ， 0， l ， 2 ， } 。输出模糊变量 △U的 模糊论域为 [一 4 ， 4 ] ， 并量化为 9个等级 {一 4， 一 3 ， 一 2 ， 一1 ， 0， 1 ， 2， 3 ， 4 } 。 设定模糊变量的语言值集合 。设定输入模糊变 量 E的语言值集合 为 { 负大 N B ， 负 中 N M ， 负 小 N S ， 零 Z O ， 正 小 P S ， 正 中 P M ， 正 大 P B } 7级语 言变 量。设定输 入模 糊变量 E C语 言 值集合为 { 负大 N B ， 负小 N S ， 零 Z O ， 正小 P S ， 正大 P B } 5级语言变量。设定输 出模 糊变 量△ 的语言值集 合为 { 负大 N B ， 负 中 N M ， 负小 N S ， 负微 N W ， 零 Z O ， 正微 P W ， 正 小 P S ， 正中 P M ， 正大 P B } 9级语言变量 。 输入模糊变量 E、 E C和输 出模糊变量 △【 ， 取三 角形隶属函数。 2 ． 3模糊控制规则库 模糊变量 E有 7级语言变量 ， 模糊变量 E C有 5 级语言变量 ， 所以输出模糊变量△ 总共有 3 5条模 糊控制规则。根据基本控 制理论 和经验 ， 将模糊控 制规则绘制成模糊控制规则表 ， 如表 1所示 。 表 1 模糊控制规则表 △ U 根据模糊控制规则表 ， 选用 Ma md a n i 的极大 一 极小推理法进行模糊推理合成 ， 可得 到输 出控制模 糊变量△ _ 6 J 。解模糊方法选 用加权平均法。加权 平均法 较适 合 输 出模 糊 集 的隶 属 度 函数 是 对 称 情况。 采用 M A T L A B的模糊逻辑工具箱进行分析仿 真和计算 ， 离线求 出每一对模糊论域 上的输入 E， E C 所对应的输出控制变量△ ， 求取对应的输出控 制变量 △ 的值 ， 如表 2所示。 一 附 聘 雎 阳 一 一 黔 腿 一 ～ 附 加一 № 一 M M B B M O 一 一 № 一 聘 一 阳 2 0 1 1年第 5期 工业仪表与 自动化装置 7 9 表 2 模糊控 制查询表 △ 一2 4 1 4 EC O 一4 1 3 2 O 一4 3 2 4 2 1 3 1 0 1 0 1 0 2 2 2 1 0 1 1 3 2 4 3 4 3 模糊控 制器的 P L C实现 3 ． 1程序结构及流程图 模糊控制算法的程序结构如图 3所示 。O B 1 是 主程序 ， 用 于控制 系统启停 和调用 子程序 F C 1 0和 F C 1 2 。功能 F C I O用于实现输人输出模拟量的规 范 化处理 ， 误差 e 和误差变化率 e c 超限处理 ， 将 e 和 e ． c 模糊化 为 E和 E C， 并对 E和 E C超 限处 理。功 能 F C 1 2用于实现查模 糊控制 表 ， 求 得输 出模 糊增 量 △U 。O B 3 5是循环中断组织块 ， 实现每采样时刻调 用功能 F C 1 1 。功能 F C 1 1用于定时计算 e和 e c ， 将 △ 解模糊为 a／2 , ， 计算 ∑a 。 图 3 程序结构 框图 数据 块 D B 1 0用 于存 放设定值 、 测 量值 、 输 出 值、 误差和误差变化率及其量化值 、 量化 因子 、 比例 因子等参数。数据块 D B 1 1 用于存放模糊控制查询 表△ 的数据。 模糊控制设计流程如图 4所示。 图 4 模糊控制算法 流程 图 3 ． 2 数据块设计 所有与上位计算机通信的数据放在共享数据块 D B I O中【 ， 其 参数及数据类 型如表 3所 示。为 了 运算精确 ， 输入输 出变量 、 误差和误差变化率 、 量 化 因子等参数均设置成实 型数 据。因为 P L C的内部 存储器地址是 3 2位 的， 误差和误差变化率的量化值 E和 E C必须设置成 3 2位的整型数据 。 表 3 参数数据块 根据模糊控制查询表中△u的值 ， 按 由左到右 、 由上 到 下 的 顺 序依 次 填 人 共 享 数 据 块 D B 1 1的 2 0 1 1年第 5 期 工业仪表与 自动化装 置 8 1 入曲线图， 可以监控液位的设定值 、 测量值和调节 阀 开度输出值的运行情况。图 5中， 设 置误差量化 因 子为 0 ． 6 7 ， 误差变化率量化因子为 1 5 ． 0 ， 输 出比例 因子为 1 ． 0 。当设定液位从 1 2 a m跃变到 2 2 a i R时 ， 设定值、 测量值和输出值的变化曲线如图6 a 所示。 图 6 b为液位系统采用 P I D调节 的曲线 K p8 ． 3 ， 2 8 0 ． 0 s ， 0 ． 0 s 。采样周期均为 1 S 。 设定 3 0 o 2 5 0 2 0 o 1 5 o I O 0 5 ． 0 o o a 模糊控制 l 1 ／ 0 4 ／ 0 8 I l 1 8 3 8 1 l l 9 5 0 1 1 2 1 0 2 1 1 2 2 1 4 J I 2 3 2 0 l 1 2 4 3 8 b 传统 P I D控制 图6 单容液位控制响应曲线 对比图6的响应曲线， 传统 P I D控制， 系统调节 时间长 ， 稳定性较差 ， 误差较 大1 0 ％ ， 而且调节 阀开关频率大， 容易疲劳 ， 影响工作寿命 ； 模糊控制 ， 系统无超调 ， 误差较小 4 ％ 以内 ， 调节 阀开度基 本稳定。实验结果表 明， 无论在 响应调节时间还是 稳定性及鲁棒性等方面， 基 于 P L C的模糊控制优 于 传统 的经典 P I D控制方法 。 5结论 将 P L C与模糊控制相结合 ， 能较简便地通过软件 实现模糊控制策略； 通过上位机 Wi n C C实时监控， 能较 方便地修订量化因子和 比例因子 ， 使控制系统更加稳 定 ， 在很大程度上提高了控制系统的智能化程度。 参考 文献 [ 1 ] 李兵 ， 方敏， 汪洪波． 模糊 P I D液位控制系统的设计与 实现[ J ] ． 合肥工业大学学报 自然科学版， 2 0 0 6 1 1 1 37 01 3 7 4． [ 2 ] 郭阳宽， 王正林． 过程控制工程及仿真基于 MA T - L A B ／ S i m u l i n k [ M] ． 北京 电子工业 出版社 ， 2 0 0 9 ． [ 3 ] 胡开明， 李跃忠 ， 钱敏． 基于模糊 P I D与组态技术的 液位控制系统的研究 [ J ] ． 机床与液压 ， 2 0 0 9 9 1 50 1 52． [ 4 ] 褚静． 模糊控制原理与应用 [ M] ． 北京 机械工业出版 社 ， 1 9 9 8 ． [ 5 ] 谢仕宏． MA T L A B R 2 0 0 8控制系统动态仿真实例教程 [ M] ． 北京 化学工业出版社 ， 2 0 0 9 ． [ 6 ] 罗庚 兴． P I D参数 模糊 自整定 控制器 在加 热炉煤 气 流 量控制中的应用[ J ] ． 南方金属， 2 0 0 7 5 2 52 8 ． [ 7 ] 罗庚兴 ， 宁玉珊． 大中型 P L C应用技术[ M] ． 北京 北 京师范大学出版集团， 2 0 1 0 ． [ 8 ] 瞿枫 ， 徐中宏， 孙冀． 基于西门子 s 73 0 0 P L C的模糊 控制实现[ J ] ． 南京师范大学学报 工程技术版， 2 0 0 7 1 2 2 3 2 7 ． [ 9 ] 罗庚兴 ， 宁玉珊． 基 于 Wi n C C和 S T E P 7的 P I D控制 [ J ] ． 机电工程技术， 2 0 0 9 1 3 9 4 2 ． [ 1 0 ] 西门子 中国 有限公司自动化与驱动集团． 深入浅 出西门子Wi n C C V 6 [ M] ． 北京 北京航空航天大学出 版社 ， 2 0 0 4 ． 上接第 7 6页 5结束语 该文设计 了基 于 D S 1 8 B 2 0数字式温 度传感器 的温度采集系统 ， 系统 以 S T C 8 9 C 5 2 R C单片机作为 主控制器 ， 采用 4位 L E D数码管显示 ， 实现 了温度 的实时采集和精确显示。整个设计过程结合 了硬件 设计 、 软件设计 、 E D A软件仿 真技术 和在线编程技 术。通过实物电路的验证， 整个系统电路简单， 性能 稳定 ， 在 一 5 5～1 2 5 o 【 范围内测温准确。 参考文献 [ 1 ] 黄双根， 吴燕 ， 黄大星 ．基于 S T C 8 9 C 5 2新型一氧化碳 [ 2 ] [ 3 ] [ 4 ] [ 5 ] [ 6 ] 报警器设计[ J ] ．机械与电子， 2 0 0 9 1 0 6 9 7 1 ． 吴汉清 ．单 片机 的分类与选型 [ J ] ．无线 电， 2 0 0 7 1 1 2 4 2 5 ． 李铁 ．基于单片机的温度控制系统的设计[ J ] ．微型 机与应用， 2 0 1 0 ， 2 9 2 4 2 93 0 ， 3 8 ． 牛 斗 ．火力 发 电厂 电缆接 头 温 度 监 测 系 统 的 研 制 [ J ] ． 信息技术， 2 0 0 5 1 2 8 3 0 ． 冯平 ．数字温度报警器的设计与实现[ J ] ．广东通信 技术， 2 0 0 9 4 1 8 2 1 ， 3 2 ． 朱松海， 朱志松 ．一线总线在智能建筑温度检测中的 应用[ J ] ．电子设计工程 ， 2 0 0 9 1 0 2 93 0 ． 叫 √ 叫 『1 叫 测 姐 0 馈 旷 测 ∞ m 0 ， ▲ 11】JJ {{11】|11{1 1】|{1，j 0 O O 0 0 O O 矬 加 加 m o