基于PLC的液位模糊自适应PID控制研究与应用.pdf

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2 0 1 2年 7月 第 4 0卷 第 1 4期 机床与液压 MAC HI NE T0OL HYDRAULI CS J u 1 . 2 01 2 Vo 1 . 4 0 No .1 4 D O I 1 0 . 3 9 6 9 / j . i s s n . 1 0 0 1 3 8 8 1 . 2 0 1 2 . 1 4 . 0 3 8 基于 P L C的液位模糊 自适应 P I D控制研究 与应用 罗庚 兴 佛 山职业技 术学院,广东佛 山 5 2 8 0 0 0 摘要 将模糊控制器与 P I D控制器结合起来 ,选取合适的隶属度函数和模糊控制规则 ,分析输入变量的量化因子和输 出变量的比例因子在模糊控制系统中对系统性能的影响,离线计算出模糊控制规则表,利用 s 7 . 3 0 0 P L C设计一个液位模糊 P I D控制器。在单容水箱进行实际液位控制实验,并用 Wi n C C对系统进行监控。实验结果表明采用模糊 P I D控制水箱液 位,系统具有 良好的动静态性能。 关键词 液位 ;模糊 自适应 P I D控制 ;P L C;组态监控 中图分类 号 T P 2 7 3 . 5 文献标识码 A 文章编号 Re s e a r c h a nd App l i c a t i o n o f Li qu i d Le v e l Fuz z y Ada pt i v e P l D Co nt r o l S ys t e m Ba s e d o n PLC LU0 Ge ng x i n g F o s h a n P o l y t e c h n i c ,F o s h a n G u a n g d o n g 5 2 8 0 0 0 ,C h i n a Ab s t r a c t s 7 3 0 0 P L C wa s u s e d t o d e s i g n a l e v e l f u z z y c o n t r o l l e r b y c o mb i n i n g f u z z y c o n t r o l l e r w i t h P I D c o n t r o l l e r , s e l e c t i n g a p p r o p r i a t e me mb e r s h i p f u n c t i o n s a n d f u z z y c o n t r o l r u l e s , a n a l y z i n g t h e i mp a c t s o f q u a n t i z a t i o n f a c t o r s o f i n p u t v a r i a b l e a n d s c a l e f a c t o rs o f o u t p u t v a r i a b l e t o t h e s y s t e m p e r f o r ma n c e,a n d c alc u l a t i n g t h e t a b l e o f f u z z y c o n t r o l r u l e s o ff - l i n e . A c t u a l l e v e l c o n t r o l e x p e ri me n t wa s ma d e o n s i n g l e c a p a c i t y wa t e r t a n k s wi t h s u p e r v i s i n g b y W i n C C. T h e e x p e ri me n t al r e s u l t s s h o w t h a t t h e s y s t e m h a s g o o d d y n a mi c s t a t i c p e r f o rm a n c e w h e n f u z z y a d a p t i v e P I D c o n t r o l s t r a t e g y i s u s e d t o c o n t r o l wa t e r t a n k l e v e 1 . Ke y wo r d s L e v e l ; F u z z y a d a p t i v e P I D c o n t r o l ;P L C; C o n f i g u r a t i o n s u p e rvi s i o n P I D控制具 有 算法 简单 、鲁 棒 性强 、可 靠 性高 、 稳态 无静差 等 优点 ,在工 业控 制 领域 得 到广 泛 的应 用 ,尤其 是用 于 可建 立精 确 数学 模 型 的确定 控 制 系 统⋯ 。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、大惯性的特 点 ,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 实现控制时 ,效果不理想 ,系统 响应 时间较 长。模 糊控 制器是依照人工操作思维程 序工作 ,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 。将模糊控制与 P I D控制结合 起来 ,扬 长避短 ,发挥模糊控制鲁棒性强 、动态 响应 好 、上升时间快、超调小的优点,又结合 P I D动态跟 踪 品质和稳态精度高 的特点 ,对 于非线性 和大 时滞 的 液位 控制对象 ,能达到 良好 的控制效果 。 1 液位控制系统结构 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 。 流量 泵 图 1 自衡单容液位控制系统结构图 单容水箱过程控制对象是一个非线性一 阶滞后系 统,过程传递函数可近似为G s e ,是 』 1_ 1 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 ;若 时 间常数 较 大 容 器 面积较 大 ,则反应较慢 。延 时 .r 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,力矩 5 0 N i n ,输入 收稿 日期 2 0 1 1 0 6 0 1 基 金项 目 广东韶关 钢铁集 团有 限公 司科研项 目 K 1 0 4 0 1 作者简介罗庚兴 1 9 7 2 一 ,男,硕士,副教授,主要研究方向为 P L C控制及自动化。Em a i l l u o g e n g x i n g 1 6 3 . c o m。 1 0 8 机床与液压 第4 0卷 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l 0~6 0 q C。液 位 传 感 器 选 用 上 海 奇 正 P T 3 l 0 1 0 K 3 3 3 精 度 -4 - 0 . 5 % F S ,测 量 范 围为 0 1 0 k P a ,输出信号为 4~ 2 0 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 O ,数 字 量 输 入 模 块 选 用 3 2 1 - 1 B L 0 0 - O A A 0 ,数 字量输出模 块选 用 3 2 2 . 1 B H 0 1 - O A A 0 ,模 拟量 输 入模 块 选 用 3 3 1 - 7 K F 0 2 - O A B O ,模 拟 量 输 出 模 块 选 用 3 3 2- 5HD O1。 上位机 P C中安 装 了西 门子公 司 的 S T E P 7 V 5 . 4 编程软件和 Wi n C C V 6 . 0组 态软 件 。P c与 P L C之 间 用 P C A d a p t e r 连接 。 2模糊 P I D控 制器 设计 2 . 1 模 糊 P I D控 制 原理 图 模糊 P I D控制系统的设计以基本二维模糊控制器 的设计为基础,其控制原理如图 2 所示。它由一个标 准P I D控制器和一个 F u z z y自调整机构组成。图中r 为液位设定值;Y为测量值 ;u为输出值;e 为误差, 计算公式为 e r y ;∞为误差变化率,计算公式为 e c e 一 e ,e 为当前周期采样的误差,e 为上一周 期采样的误差 ;E和 E C分别 为 e 和 e c 模糊化后 的模 糊变量 ;A K A K 、A K 。为输 出模 糊变量 ;K p 、K 1 、 为精确控制量 。 图 2 模糊 P I D控制系统原理 图 利用 自调整 因子 F u z z y 控制器 设计思 想 ,根据输 入误 差 的 大 小 、方 向 以 及 变 化 趋 势 等 特 征 ,通 过 F u z z y推 理 做 出相 应 决 策 ,在 线 调 整 P I D参 数 、 K 、 ,使控制 对象具 有 良好 的动态 和静态性能 J 。 2 . 2 建立模糊变量和隶属度函数 将误差 e 和误差 变化 率 e c 模 糊化 为 E和 E C,E 和 E C的模糊论域均为 [ 一 6 ,6 ] ,量化为 l 3个等 级 { 一 6 , 一5 , 一 4, 一3 , 一 2 , 一 1 ,0 ,1 ,2 ,3 ,4 , 5 ,6 } 。△ 、△ K I 、A K 。的模糊论域取为 [ 一 6 ,6 ] , 也量化 为 1 3个 等 级{一6 , 一5 , 一4 , 一3 , 一2 , 一 1 , 0 ,1 ,2 ,3 , 4 ,5 ,6} 。设 定输 入模 糊 变量 和 输出模 糊变 量 的语 言 值模糊 子集 集合 为{ 负 大 N S ,负 中 N M , 负 小 N S ,零 蓬 z D , 正小 P S , 篓 0 .5 正 中 P M , 正 大 P B }7级 语 言 变 量 。设 定 E、E C 和 A K 、A K I 、A K 。 均采 用 三 角 形 隶 属 度 函 数 ,如图 3所示 。 .6 ..4.. 2 0 2 4 6 E, EC, P . A Kt U 图3 模糊变量隶属函数曲线 2 . 3 模糊 控 制规 则和 查询表 、 、K 。 是 表征 P I D控 制器 在控 制 过程 中的 比例 、积分和微分作 用 程度 的参 数。 影 响 系统 的 响应速度和精度,K 影响系统的稳态精度, 。 影响 系统的 动态 特性 。不 同 的误 差 及 误 差 变 化 率 下 , P I D参数的控制规律如下 如图 4所示 1 在 O A段 ,e 0 , 先大后小,K 。 先大后小。 2 在 A B段 ,e 0 ,e c 0 。K p 先小 后 大并 逐 渐趋 于稳定 ,K 先 大后 小并 逐渐趋 于稳定 ,K 。的大 小应视误 差变化率 的值 而定 。 20 15 昌 10 蕾 5 0 。 A c E一 一 . | V t D 。 / . . S 0 l 00 l 50 200 t l s 图4 水箱液位 P I D控制动态响应曲线 根据基本控制 理论和 上述经 验 ,可构 造 出 A K 、 △ 、△ 的模糊推理规则表 ,如表 1 3所示。 第 1 4期 罗庚兴基于 P L C的液位模糊 自适应 P I D控制研究与应用 1 0 9 表 1 A K r模糊 控制规则表 根据模 糊 控 制规 则 表 ,选 用 Ma m d 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 △ K p 、A K 。 、A K 。 。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的 情 况。 采用 M a t l a b的模糊逻辑工具箱进行仿真和计算, 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 △ 、△ 、△ 。 。 。应用模糊合成 推 理设计 P I D参数 的模糊矩阵表 ,查 出修正参 数代入下 式 ,可计算 出模糊 P I D控制器调整 P I D参数 rK p K p { E E C } P K P △ { K I { E E c } I K I A K 。 1 【 K D K D { E f E C } D K D △ 式中 、 、 为初始设定 的 P I D参数 。 在线运行过程 中,P L C通 过对模糊 逻辑规则 的结 果处理 、查表和运算 ,完成对 P I D参数 的在线 自校正。 3 P L C软件设计 3 . 1 程序结构及流程 图 模糊 P I D控制算法的程序结构如图 5所示。O B 1 是主程序 ,用于控制系统起停和调用子程序 F C 1 0 、 F C 1 2和 F B 4 1 。功 能 F C 1 0用 于实 现输 入输 出模 拟量 的规 范化处理 、误 差 e 和误差变 化率 e c的超 限处理 , 将 e 和 e c 模糊化为 E和 E C ,并对 E和 E C进行 超 限 处理 ;计算 、 、 和 、7 1 D 值。功能 F C 1 2用 于实现查模糊控制表,求得模糊输 出量 △ 、△ K、 △ K D 。F B 4 1 用 于实 现 P I D控 制。O B 3 5是循 环 中断组 织块 ,在每个采样时刻调用功能 F C 1 1 。功能 F C 1 1 用 于定时计算 e E “ 。 图5 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、 P I D初始值和输出值等参数。数据块 D B l 1 . D B 1 3用于 存 放模糊控制查询表 A 、△ K 1 、A K 。 的数据 。 模糊 P I D控制设计流程 图如 图 6所示 。 输 范化处 理 ● 定 时计 算e 和e c ● B 和P c 超 限处 理 ● P 和P c 模糊 化 为 和时 ● 所 口 C超 限处 理 ● 查 模糊 控 制查 询表 ,求A 、A 、A ● 计 算当 前 、K I 、K D ● 计算 当前 、7 1n P I D 运算 ● 输出口 规范化处理 图 6 模糊 P I D控制算法 流程 图 1 1 0 机床与液压 第 4 0卷 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 1 0中 ,其参数及数 据类 型如表 4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 4 参数数据块 地址名称 类型 0. O s , r RUCT O . 0 R REAL 4. 0 Y R EAL 8 . 0 U RE AL 1 2 . 0 K1 RE AL 1 6 . 0 K2 RE AL 2 0 . O K3 REAL 2 4. 0 K4 REAL 2 8 . 0 K 5 REAL 3 2 . 0 K6 REAL 3 6 . 0 E1 REAL 4 0 . 0 E 2 REAL 4 4 . 0 EC REAL 4 8 . 0 EN DI NT 5 2 . 0 ECN DI NT 5 6. 0 KP C RE AL 6 0. 0 KI C R EAL 6 4. 0 KDC RE AL 6 8 . 0 KP 0 REAL 7 2 . 0 KI 】 REAL 7 6 . 0 KDO REAL 8 0 . 0 KP REAL 8 4 . 0 Kl REAL 8 8 . 0 KD REAL 9 2 . 0 T 1 T I ME 9 6 . O TD T 1 ME 初始值 1 . 2 0 0 0 o o x1 0 O . O o o 0 o o 1 . 9 0 0 O 0 01 0 3 . 0 0 0 0 0 01 0 3 . O 0 0 0 0 01 0 2 . 4 0 0 0 0 0 1 . 3 0 0 0 0 01 0一 3 . 4 0 0 0 0 01 0 1 . 0 0 0 O 0 o 0 . O 0 o o o 0 0 . o0 0 0 0 0 0 . 0 0 0 0 0 o L} }o L 0 O . 0 0 0 O o o 0. o o O 0 o 0 O. 0 0 0 O 0 0 5 . 0 0 0 O 0 o 4. 0 0 o o o 0 5 . o o 0 0 0 0 O . 0 0 0 0 0 0 O . O 0 o 0 oO 0 . oo 0 0 0 0 T 加 MS T}I o MS 注释 1 0 0 . 0 EN D_S TR UCT 设定液位 c m 测量液位 c m 输出开度 % 误差量化因子 误差变化率量化因子 K 比例因子 比例因子 K 。比例因子 输出开度例因子 第 n 次误差 第n 一1 次误差 误差变化率 误差量化值 误差变化率量化值 A K 解模糊值 A K 解模糊值 A K 。 解模糊值 初始值 初始值 K 。 初始值 输出值 输出值 。输出值 积分时间 m s 微分时间 m s 应 用 模 糊 合 成 推 理 设 计 P I D模 糊 控 制 查 询 表 A K 、A K 、△ K D的矩 阵数据 值 ,按 由左 到 右 、由上 到下 的顺序分别依次填入共享数据块 D B 1 1 一 D B 1 3的 D B D 0 一 D B D 6 7 2中。每 个 数 据 块 各 有 1 6 9个 数 据。 A K 、A K 。 、A K 。的数 据 类 型 选 择 为 实 型 ,采 用 基 址 变址 的寻址方式访 问 ,基址为 0 ,偏 移地址 为 [ E 6 1 3 E C 6 ] 4 , 即 [ D B 1 0 . D B D 4 8 6 1 3 D B 1 0 . D B D 5 2 6 ] 4 。 3 . 3 控制程序设计 误差 e 的采样值用 系统提供 的连续 P I D控制 程序 F B 4 1 实现 。在 F C 1 1中编 写计 算 e c的程 序 ,初始 采 样 时的误 差变 化率 为初 次 误差 减初 次误 差 ,用 开关 M 0 . 6实现初始误差变化率 的计算 。 输入采样 定 时时 间 T 1 S ,通 过 O B 1的端 口 C Y C L E设定 。循环 中断 0 B 3 5的硬 件组态 中设定循 环时 间为 1 0 0 0 m s 。通 过 0 B 3 5调用 F C 1 1 ,实 现每 隔 1 s 计算一次误差变化率 e c 。 在 F C 1 0中编写 程序 实现 调用 F C 1 0 5和 F C 1 0 6 实现模拟量输 入输 出 的规范化 处 理 ;将 e 和 e c模糊 化为 E和 E C,分 别存放 在数据 寄存 器 D B 1 0 . D B D 4 8 和 D B 1 0 . D B D 5 2中,考 虑 调试 需 要 修 改 量 化 因 子 , 需对 E和 E C作 超 限处 理 ,使 E 的数值 在 模糊 论 域 [ 一 6 ,6 ] 中,E C的数值在 模糊论域 [一 6 ,6 ] 中; 根据公式 1 计算 、 、K 。 ;计算 。 、 ,计算 公式如式 2 ,计算结果为 3 2位双整数 。 r 1 fT 1 l 1 00 0 .0 l { 【r 2 l 7 1n l 1 0 0 0 . 0 I L‘ L KP J 根据 模 糊 量 E和 E C查 询 模 糊 控 制 输 出 A K 、 △ K l 、A K 。的数据是实现 P L C模 糊控制 器 的关键 。在 F C 1 2中编写程序,实现模糊控制输 出 △ K p 、A K 、 A K 的数据查询。 在 O B 1中编写 水泵 电机 的起 停控 制 ,采 用 两地 控制方式 一 是用 本地控 制按 钮 1 0 . 6和 1 0 . 7 实 现起停 ,一是 用上 位机监 控画 面 的按 钮 M 4 . 0 实 现起停。用电机启动运行作为调用条件 ,在 O B 1中 调用 F C 1 0、F C 1 2和 F B 4 1 。 4组态监控效果 4 . 1 Wi n C C组 态设 计 川 打开 Wi n C C E x p l o r e r窗 口,创 建 一 个 英 文 名 的 Wi n C C单用户项 目。在变量管理器下添加驱动 “ s I MA T I C s 7 P R O T O C O L S U I T E” ,在 MP I 下 建 立 名 为 “ P L C 1 ”新驱动程序的连接,设置站地址为 2 ,机架 号 为 0 ,插 槽 号 为 2 。这样 就 建 立 了 Wi n C C项 目与 M P I 地址 为 2的 P L C站点之间的通讯 。 在名 称 为“ P L C 1 ” 的 连 接 下 ,按 表 4 建 立 Wi n C C的外部 变量 与 P L C的数 据 块 D B 1 0的通 讯 连 接 ,启 动 、停止按钮与变量 M 4 . 0的连 接。 用图形编辑器创建一个名为 “ 主画面” 的液位 控制过程画面。按图7所示,编辑画面窗口,添加相 应 的输入输 出。 在变量记录下,建立一个过程值归档。对液位的 设定 值 D B 1 0 . D B D 0 、测 量 值 D B 1 0 . D B D 4 和 调节阀开度的输出值 D B 1 0 . D B D 8 3个过程变量进 行归档 。设 置采集 类 型为 周期 一连续 ,采样 周 期 为 1 s ,归档周期为 5 S ,取平 均值输 出。 从控件选项 卡 中添加 “ Wi n C C O n l i n e T r e n d C o n 1 1 6 机床与液压 第 4 0卷 对机床进行数据恢复 。 数据 的备份 与恢 复一般 常用 两种 方法 1 使 用外接计算机进行数据的备份和恢复 ; 2 用存储 卡在引导系统屏幕画面进行数据的备份和恢复。 下面介绍用计算机用计算机进行系统数据的备份 与恢复 。 1 用计算机进行 系统数据 的备份 用计算机进行系统数据的备份,数据传输方向是 数控机床至计算机 。 用 R S 2 3 2通信 电缆将机床与计算机连接,同前 面讲的数据传输的过程一样,将机床和计算机的传输 参 数设 置正确。 开启计算机和机床 ,然后进行如下操作 ① 计算机 打 开 传 输 软 件 Wi n P C I N,首 先 点 击“ T e x t F o r m e r ” ,传输 软件 准备 工 作 ;然 后点 “ R e c e i v e D a t a ” 接收 ,给定一个 文件名 例 如 “ b a c k u p ” 以 及保存位置,点击 “ 确定” ,计算机等待接收。 ② 机床 在数控机床操作面板上 ,将机床l 方式选择l 旋钮 置于 “ 编辑 ”方式 ,然后 进行如下操作 按1s y s te m 1键一按 [ 参数]软键一按 [ 操作]软 键一 按[ 扩 展 ]软键 一 按[ P U N C H]软键 一 按 [ E X E C]软键,这时所要传输的参数就传输到计算 机中,文件名和保存地址是上边第①步给定的。 按 [ P U N C H]之 后 ,有 2个 选 项 一 是 非零 参 数 ,一是全部 参 数。如 果选 择 全 部参 数 ,则 内容 较 多 ,传输需要 的时间较长 。 2 用计算机进行 系统数据 的恢复 用计算机进行系统数据的恢复,数据传输方向是 计算 机至数控机床 。 开启计算机和机床 ,然后进行如下操作 ① 机床 在数控机床操作面板上, 将机床I 方式选择1 旋钮 置 于 “ 编辑 ”方式 ,然后进行如下操作 按Js y s t e m I键一按[ 参数] 软键一按[ 操作] 软键一 按 [ 扩展 ] 软 键一 按 [ R E A D] 软 键一 按 [ E X E C ] 软键 , 这时机床进入接受状态,等待电脑传输数据。 ② 计算机 打开传输软件 Wi n P C I N,点击 “ S e n d D a t a ” 发 送 ,找到电脑上备份的参数文件 ,点 “ 打开” ,数 据发送成功,数控机床上的参数恢复。 1 0结 束语 介绍 了 F A N U C系 统数 控 机床 与 计 算 机之 间 R S 2 3 2串口线路的连接、数控机床参数的设置、程序 的传输 以及机床参数的备份与恢 复的方法 和步骤。随 着 C A D / C A M软件的13益成熟和普及 ,计算机 自动编 程得到了越来越广泛的应用 ,数控加 工中的数控 机床 与计算机之间的数据通讯也越来越重要。数 控机床 与 计算机之间 的数据通讯 已成为数控机床操作人员和维 修人员必须掌握 的基本技能 。 参考文献 【 1 】 耿国卿, 陈胜利, 王敬艳. 数控铣削编程与加工[ M] . 北 京 清华大学出版社, 2 0 1 0 . 【 2 】 刘永久. 数控机床故障诊断与维修技术 F A N U C系统 [ M] . 2版. 北京 机械工业出版社 , 2 0 0 9 . 【 3 】 刘萍, 林国勇. 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