基于PLC的过程控制实验装置液位模糊PID控制

摘要：对模糊PID 控制的结构、模糊PID控制器的设计及模糊PID 控制的PLC 实现进行了分析，并以PCT-II型过程控制系统实验装置为物理模拟对象，利用S7-300PLC实现了对液位的模糊PID控制。结果表明，用PLC实现的模糊PID控制器简单实用，系统的性能大为改善。

关键词：过程控制系统实验装置；模糊PID；PLC；S7

中文分类号：TP271文献标识码：A文章编号：1009-3044(2011)16-3967-02

Liquid Level Fuzzy PID Control in the Process Control Experimental Device Based on PLC

XU Chun-hui

(School of Electric and Electronic Eng., East China Jiaotong Uni., Nanchang 330013, China)

Abstract: The structure of fuzzy PID control and the fuzzy PID controller designing are analyzed in this article, so does the PLC implementation of fuzzy PID. Taking type PCT-II process control system experimental device as a Mock Object, the Liquid level's fuzzy PID control is realized based on S7-300PLC. Results shows that the fuzzy controllers consist of PLC are both simple and practical, and the performance of system is improved.

Key words: process control system experimental device; fuzzy-PID; PLC; S7

“PCT-II型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―反馈控制，比值控制，解耦控制等多种控制形式。其中结构如图1所示的双容水箱实验系统，可进行液位控制系统的实验。系统采用的调节器为工业上常用的宇光AI-818调节仪。现为了提高液位控制系统的动态性能，对控制系统进行改造，采用西门子S7-300 PLC代替常规调节器，采用模糊PID控制算法代替常规PID控制，实现双容水箱的液位控制。

1 模糊PID 控制算法及结构

传统PID控制原理简单，使用方便，适应性强，广泛应用于各种工业过程控制领域。但是，液位系统具有时变、滞后等特性，而常规PID控制只能利用一组固定参数进行控制，不能兼顾动态和静态性能，鲁棒性较差，对非线性、大时滞、时变参数等系统难以获得满意的控制效果。简单模糊控制器将采样时所获得的误差及误差变化信号，根据其模糊化结果查询模糊控制表，转换为精确量后，直接作用于被控对象，极易在平衡点附近产生小振幅振荡，使整个控制系统不能拥有良好的动态品质差。模糊PID控制克服了常规PID控制和简单模糊控制的缺点，改善了系统的控制性能

模糊PID控制是在PID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PID参数与误差e及误差变化率de/dt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de/dt，再利用模糊规则进行模糊推理，查询模糊矩阵表进行在线PID参数自调整，以满足不同的e和de/dt对控制参数的不同要求，使被控对象有良好的动、静态性能[1]，其控制结构如图2所示。

2 模糊PID 控制器设计

控制系统采用“双入三出”的模糊控制器。输入量为温度给定值与测量值的偏差e以及偏差变化率ec，输出量为比例系数Kp、积分时间Ti、微分时间Td。由图2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ec，并以此作为PLC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Td给PID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。

2.1 输入模糊化

E和Ec分别为e和ec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、ec 论域等级为e=ec=[-3,-2,-1,0,1,2,3]，模糊化子集为E=Ec=[NB,NM,NS,ZE,PS,PM,PB]。Kp、Ti、Td 论域等级为Kp=Ti=Td=[-3,-2,-1,0,1,2,3]，模糊化子集为KP=TI=T=[NB,NM,NS,ZE,PS,PM,PB]。

[NB,NM,NS,ZE,PS,PM,PB]表示[负大，负中，负小，零，正小，正中，正大]。

e、ec和Kp、Ti、Td的隶属度如表1所示。

2.2 模糊决策和模糊控制规则

模糊推理程序在PLC 中实现较为困难，主要体现在模糊规则的编写、模糊规则表的生成和模糊规则的调试与修改三个环节。模糊规则主要由语言变量和IF-THEN语句构成，采用Setp7编程软件平台没有对应的软件包，需要用户采用基本指令完成，难度较大；在调试过程中，若模糊规则发生变化，修改和调试过程也十分耗时。为提高PLC 的编程和调试效率，采用离线计算查询表的方法，使用MATLAB 软件的Simulink和Fuzzy工具箱――FIS Editor，可方便地获得复杂的查询表。

模糊控制设计的核心是总结工程设计人员的技术知识和实践操作经验。建立恰当的模糊控制规则表是设计好模糊控制器的关键。模糊控制规则表的建立来自对过程的认识和推理，通过分析系统控制对象和典型系统的单位阶跃响应曲线，并采取了偏差大优先的原则，即偏差大时以偏差为主的原则，最终确立了系统的3个控制规则表，如表2所示。

2.3 输出反模糊化

在Fuzzy 工具箱――FIS Editor中，推理的方法为min，合成的方法为max，去模糊化的方法为mom，将FIS Editor中的模糊规则导出Workspace。在MATLAB中的Simulink平台选择模糊控制器模块，同时，设计假定的模糊输入变量，并运行输出至Workspace，最后导出3个13×13的矩阵查询表。

3 模糊PID 控制的PLC实现

PLC程序设计流程图如图3所示。具体程序清单，因篇幅所限在此略去。

4 结束语

采用阶跃输入作为激励和最终输出的目标值，通过PID常规控制器和模糊PID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，得到如图4、图5的响应特性曲线。相对于常规PID控制来说，模糊PID控制有着响应时间更短、更快的反应速度，并且超调更小。这表明对于液位过程控制系统，采用模糊PID控制可以取得更好的性能，实现对控制系统的快速、准确控制。

该文利用西门子S7-300 PLC实现过程控制系统实验装置中的液位模糊PID控制，这一算法的改进，为PID参数在线调整提供了很大的方便。与常规的PID控制相比，模糊PID控制克服了液位控制的时变、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,2006.

[2] 李敬兆,张崇巍. 基于PLC直接查表方式实现的模糊控制器研究[J].电工电子技术杂志,2001(9):31-32.

[3] PCT-II型过程控制系统实验装置说明书[M].杭州:求是科教设备有限公司,2007.

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