基于PLC的PID－模糊控制算法在水箱液位控制系統(tǒng)中的應用

張娜

(沈陽工程學院自動化學院，遼寧沈陽110136)

JBS－GK04型過程控制實驗裝置包括液位、壓力、流量、溫度4個典型控制參數(shù)，可進行單回路、串級、前饋、解耦等控制實驗.控制器采用西門子S7－200PLC，上位機采用組態(tài)王6.51和S7－200編程軟件開發(fā)的人機操作界面.液位控制是該控制裝置的一部分，系統(tǒng)設計時液位控制采用的是PID控制方式，通過改變變頻器的輸出改變水泵的轉(zhuǎn)速來實現(xiàn)液位的控制.工藝流程如圖1所示.

圖1 液位控制系統(tǒng)工藝流程

模糊控制屬于智能控制的范疇，是在總結(jié)人類自然語言概念、操作經(jīng)驗的基礎上，模擬人類智能的一種控制方法，是一種非線性控制器，對過程參數(shù)的變化和外界擾動適應性強.

模糊控制不能完全消除穩(wěn)態(tài)偏差，而PID控制器能解決這一問題，如果在控制偏差很大的時候采用模糊控制，而偏差小于一定控制值時切換到PID控制，這樣系統(tǒng)就能根據(jù)偏差的大小改變控制量的大小，既可以解決系統(tǒng)非線性的問題，又可以快速、準確地達到控制目的.

采用模糊控制和PID控制相結(jié)合的控制方式，控制雙容水箱液位，控制器采用西門子S7－200PLC.模糊控制和PID控制在PLC上實現(xiàn)具有編程簡單、參數(shù)修改方便、抗干擾能力強的優(yōu)點，在實際應用中取得了較好的應用效果.

1 模糊控制算法設計

1.1 論域設計

選取液位給定值與液位實際值的偏差e(t)及偏差的變化ec(t)作為模糊控制器的輸入，控制量變化量Δu(t)作為模糊控制器的輸出.偏差e(t)的基本論域?。郏?00，100］，偏差變化率ec(t)的實際變化范圍難以確定，可根據(jù)系統(tǒng)響應速度要求，選擇基本論域為［－5，5］，輸出Δu的基本論域為［－10，10］.綜合控制精度、系統(tǒng)的穩(wěn)定性、算法的復雜程度等方面因素，模糊化后E、EC、ΔU的論域均為{－3，－2，－1，0，1，2，3}.

1.2 隸屬函數(shù)設計

覆蓋模糊論域的子集數(shù)目應當適當，較多時雖可以提高控制精度，但模糊規(guī)制數(shù)目相應地會增加得更快，致使運算量大幅增加.綜合以上因素E、EC、ΔU的模糊子集選為7檔，為NB(負大)、NM(負中)、NS(負小)、ZO(零)、PS(正小)、PM(正中)，PB(正大).隸屬函數(shù)采用三角型隸屬函數(shù)，三角函數(shù)的解析表達式見下式，E、EC、ΔU的隸屬函數(shù)如圖2所示.

圖2 E、EC、ΔU的隸屬函數(shù)

1.3 模糊推理

為了加快控制速度，減少時間消耗，本設計采用離線計算在線查表的方法，將控制量的變化制成查詢表存入PLC中，運行中每一對及都對應唯一的控制量變化量，只要找到的值，就能輸出控制結(jié)果.對應的控制策略如表1所示.

2 模糊控制在西門子S7－200PLC中的實現(xiàn)

2.1 控制量地址計算

查詢模糊控制表采用基址+偏移地址的方法.模糊控制查詢表按照從左到右，從上到下的順序依次存入VB300－VB348中，則控制量的基址為300.例如，將輸入論域{－3，－2，－1，0，1，2，3}均轉(zhuǎn)化為{0，1，2，3，4，5，6}，則地址偏移量為E×7+EC，加上控制量的基址300，則控制量地址為300+E×7+EC.

表1 模糊控制器查詢表

2.2 反模糊過程

偏差E和偏差變化率的模糊化結(jié)果分別存在VB200及VB202中，控制量變化量ΔU的查詢結(jié)果存在VD300中.PLC輸出4～20 mA電信號，對應變頻器的輸出0～50 Hz，查表所得結(jié)果要乘以(10÷3)×(32 000－6 400)÷50，再加上現(xiàn)有控制量，即得輸出控制量值.

PLC工作流程圖如圖3所示.模糊化及反模糊化程序如下.

模糊化程序:

圖3 PLC工作流程

3 控制效果

上位機監(jiān)控采用組態(tài)王監(jiān)控軟件設計，紅色曲線為實際測量值，綠色曲線為給定值，藍色曲線為變頻器輸出，縱軸為液位百分比，橫軸為時間.圖4、圖5分別為PID－模糊控制器調(diào)節(jié)過程曲線和PID控制器調(diào)節(jié)過程曲線.曲線是給定值發(fā)生7.5%擾動的調(diào)節(jié)過程曲線，系統(tǒng)設定偏差限值ξ=4，采用PID－模糊控制算法時，PID參數(shù)為Tp=20，Ti=10，Td=2，原系統(tǒng)中PID控制器參數(shù)為Kp=20，Ti=14，Td=2.從運行曲線可以看出，系統(tǒng)采用PID－模糊控制器后響應速度加快，調(diào)節(jié)時間縮短，調(diào)節(jié)過程更平穩(wěn)，同時能消除穩(wěn)態(tài)偏差.

圖4 PID－模糊控制器調(diào)節(jié)過程曲線

圖5 PID控制器調(diào)節(jié)過程曲線

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