基于PLC 技術的模糊PID 控制程序設計與開發(fā)

王春暉

（國網(wǎng)冀北電力有限公司 管理培訓中心， 北京 102401）

計算機PLC 如今之所以在工業(yè)控制領域越來越受到行業(yè)的重視，已成為最主要的使用設備，主要就是因為其有著穩(wěn)定性高，操作簡單等特點。 隨著工業(yè)控制領域的發(fā)展，該領域中主要工作就是模擬閉環(huán)控制系統(tǒng)，為了滿足此目的，PLC不斷對自身的運算能力和數(shù)據(jù)分析處理能力進行完善，為了增大其應用的廣泛性。 但是在面對一些超大且復雜的模擬控制系統(tǒng)時，PLC 中的PID 數(shù)字運算功能就很難對系統(tǒng)進行高效的處理，而此時，就需要對PID 的算法進行新的設計和改良，這就是本文的一個最為重要的究方向。 因此，文中主要針對PLC 技術在模糊PID 控制時的問題進行分析與研究，并且設計和開發(fā)出對應的算法以及編程的過程，得出最有效的設計辦法。 并且經(jīng)過一系列試驗以及實踐檢驗，該系統(tǒng)可以充分達到設計需求[1]。

1 PLC（可編程控制器）

可編程邏輯控制器（PLC），它采用一類可編程的存儲器，用于其內(nèi)部存儲程序，執(zhí)行邏輯運算、順序控制、定時、計數(shù)與算術操作等面向用戶的指令，并通過數(shù)字或模擬式輸入/輸出控制各種類型的機械或生產(chǎn)過程。 它其實就是一種專用于工業(yè)控制的計算機，是由件電源、中央處理單元（CPU） 、存儲器、輸入輸出接口電路、功能模塊、通信模塊等部分構(gòu)成，一般情況下，它的工作流程為3 個階段，分別為輸入采樣、用戶程序執(zhí)行和輸出刷新， 上面的3 部完成后稱為一個掃描周期[2]。 可編程邏輯控制器之所以被過程工業(yè)所廣泛應用，是因為它有很多自身的特點和優(yōu)勢，如操作簡單，使用方便，功能性強，性價比大大超過同類型產(chǎn)品，產(chǎn)品自身配套齊全，用戶不需要在購入其他裝置，穩(wěn)定性強，受到外界其他因素影響較小，有著很強的自我保護能力，系統(tǒng)的設計、安裝、調(diào)試工作量少，為工作前的準備工作節(jié)省了很多時間，最后就是維修量非常小，這跟系統(tǒng)自身的穩(wěn)定性有很大的關系，所以事故率很低。 隨著PLC 的產(chǎn)生到如今的大規(guī)模使用，其控制功能以及各個方面特點也在隨著時間不斷地進步，而各個PLC廠商也都在大力研發(fā)更加完滿的技術， 而要想提高其性價比，就主要需要改良兩方面的內(nèi)容，即運算和處理數(shù)據(jù)能力以及特殊功能模塊。 豐富的功能指令和多種配套模塊，以及一些PLC 增加的適應控制、參數(shù)自整定、模糊控制等功能，使PLC 更加自如地應用在模擬控制系統(tǒng)中，并且可以實現(xiàn)良好的控制效果[3]。

2 總體設計

PLC 標準模擬控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1 所示，它的具體控制過程為，模擬的結(jié)果先生成反饋信號，經(jīng)過測量元器件后，元件將信號進行處理，再交由A/D 模塊進行處理使之變?yōu)閿?shù)字信號， 再將得到的數(shù)字值與事先得知的給定值進行比較，可以得出系統(tǒng)偏差，隨即將偏差值進行分析，這就需要進行PID算法處理，將得出的值再用D/A 模塊進行最后處理，使其變回模擬信號，再返回輸入端的控制系統(tǒng)，這個循環(huán)就實現(xiàn)了對控制系統(tǒng)的循環(huán)控制。 下面以宏光TB3C 系列PLC 組成的一個可編程邏輯控制系統(tǒng)為例，首先系統(tǒng)包括最基本的數(shù)模和模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊，系統(tǒng)使用TB3C-5AD 和TB3C-5DA 作為控制系統(tǒng)的輸出模塊，然后使用控制系統(tǒng)的功能模塊對信號進行處理后，對數(shù)據(jù)進行讀寫操作以及對指令進行編寫，從而達到對模擬量的采集和控制[4]。

圖1 PLC 標準模擬控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖Fig. 1 PLC standard analog control system overall structure

3 模糊PID 控制算法

模糊控制系統(tǒng)中最重要的部分就是模糊控制器，其原理就是通常所說的模糊控制原理。圖2 位模糊控制器的整體結(jié)構(gòu)圖， 模糊控制器中最核心的3 個操作如圖所示，分別為：模糊化、知識庫及推理、解模糊。 控制器在進行運作時選擇的輸入值就是系統(tǒng)模數(shù)轉(zhuǎn)換后得到的與原值比較后的偏差值，輸入值確定后在進行模糊化，模糊化就是將精確地輸入值轉(zhuǎn)變?yōu)槟：Z言來表達，這首先就運用到了模糊集合論，輸入值進入系統(tǒng)后，系統(tǒng)自動在集合中尋找與其對應的模糊量，將準確地數(shù)字信號轉(zhuǎn)化為與之對應的模糊量，再按照事先確定的標準，對此輸入量進行運算和推理[5-6]。 運算得出結(jié)果后就要進行解模糊過程，其是將模糊值重新轉(zhuǎn)化實際準確的數(shù)字控制量。 流程中，第一步就是對輸入變量的選擇，應該依照具體的情況即控制系統(tǒng)的需求來選取輸出量的取值范圍，然后通過計算得出轉(zhuǎn)移系數(shù)，轉(zhuǎn)移系數(shù)連接的是模糊控制器的端口，通過轉(zhuǎn)移系數(shù)將原本準確地輸入值轉(zhuǎn)變?yōu)槟：齾^(qū)域所需要的模糊值，然后要對所有模糊子集的數(shù)量進行確定，以及每個子集所對對應的系統(tǒng)函數(shù)，這就是整個模糊化過程。 設計出一個模糊PID 控制器需要四步，第一步就是要對輸入輸出的函數(shù)變量進行確定，找出最符合設計要求的初始值，第二部就是對變量進行模糊化，這是進行模糊控制的基礎，只有模糊化后得出的模糊量才能在算法中被運用，第三步是建立模糊化分析處理準則，這是最關鍵的一步，是對結(jié)果起決定作用的一步，準則不同輸出值也就不同，所以要根據(jù)具體需求設計不同準則， 最后一步就是輸出量街模糊化，得到最終準確的輸出值。 需要注意的是，雖然模糊PID 控制器的分析運算和處理能利用計算機操作或者人工手動操作來實現(xiàn)，但這些操作由于前期準備工作比較繁瑣，運算時的過程比較復雜，人工處理起來效率很低，還容易出錯，所以我們選用MATLAB 軟件的模糊邏輯工具箱來進行分析處理和運算， 它也是PID 中最為常見的是一種推理工具，不僅操作簡單，且效率及準確性都很高。

圖2 模糊控制器的整體結(jié)構(gòu)Fig. 2 The overall structure of the fuzzy controller

4 模糊PID 控制算法實現(xiàn)

下面進行算法的具體設計，首先要進行編程就需要對輸入量進行模糊處理，然后將模糊處理的結(jié)果用作算法中的必要對比參數(shù)，然后才能進行計算和推理[7]。 設計若直接采用PLC 的基本功能指令完成，進行在線推理，實現(xiàn)起來難度較大又十分耗時，為了增強系統(tǒng)的實時性，采用離線計算查詢表的方法實現(xiàn)PLC 的模糊PID 控制。 首先將輸入量依據(jù)系統(tǒng)需求進行調(diào)整和選擇，并將輸入量的范圍作出確定，于此同時利用MATLAB 模糊工具箱對輸入量進行數(shù)模轉(zhuǎn)換后再進行模糊處理，得到模糊控制表，將處理后得到的數(shù)據(jù)表格依照系統(tǒng)涉及的順序放入到按數(shù)據(jù)寄存器中，觀察數(shù)模轉(zhuǎn)換以及模糊處理后的實時變化數(shù)據(jù)， 主要確定變化出的迷糊量，在表中找出對應的數(shù)據(jù)寄存器，這就得到了準確地的PID整定參數(shù)， 再利用這個準確地參數(shù)在系統(tǒng)中進行運算和處理， 最終獲得對緩慢大滯后性被控量的有效控制。 具體的PLC 程序的設計過程包括3 個部分： 輸入量的模糊化程序、模糊控制查詢表程序和PID 參數(shù)輸出程序。 圖3 所示為模糊控制查詢表程序。

圖3 模糊控制查詢表程序Fig. 3 Fuzzy control query table

5 實際應用測試

為了驗證所設計的PLC 模擬控制系統(tǒng)的合理性和實用性，將其應用于鍋爐過程控制系統(tǒng)的實際操作中。 以鍋爐過程控制系統(tǒng)為實驗測試對象，按照本文論述的PLC 模擬控制系統(tǒng)的算法， 針對鍋爐液位控制和溫度控制的特點， 采用PLC 編程實現(xiàn)不同的控制方法，并采用易控組態(tài)軟件實現(xiàn)上位監(jiān)控和遠程功能，最終對整個鍋爐過程控制系統(tǒng)進行調(diào)試來實現(xiàn)測試要求。 鍋爐過程控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設計如圖4 所示。 實驗前做的主要準備有，在保證原始裝置中被控單元的前提下，使用一個附加的PLC 控制系統(tǒng)，并加入與之同型號的數(shù)模轉(zhuǎn)換功能模塊，可以進行模糊處理，并將得到的信號連入預先設定好的輸出端，這就實現(xiàn)了單元與單元之間的聯(lián)通，再對程序進行編譯，使用我們論述的算法鍋爐液位進行控制， 并針對鍋爐溫度的大滯后性， 自行研發(fā)先進模糊PID算法實現(xiàn)有效控制。 對鍋爐的液位和溫度進行控制主要是通過PLC 控制程序設計實現(xiàn)的， 通過PLC 對模擬量的讀寫和PID 運算[8-9]。為了使控制的效果達到最理想的狀態(tài)，依據(jù)誤差的產(chǎn)生范圍分別運用PD 和PID 控制，即PLC 編程實現(xiàn)積分分離PID 控制，溫度控制就是使用本文所論述的 PID 控制算法，對鍋爐的溫度進行實時監(jiān)控，并將監(jiān)控得到的數(shù)據(jù)及時傳入到PLC 中，使用測試比較的偏差量作為模糊PID 控制器的輸入， 利用模糊控制原理得到在線整定的PID 控制參數(shù)，PID 輸出的控制量對電加熱絲的功率大小進行控制，從而實現(xiàn)了對鍋爐溫度的控制，將鍋爐整體溫度提升緩慢這一問題得到了很好解決，提高了使用效率，對控制的精度也得到了提高，通過實際應用的測試數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，該模擬控制系統(tǒng)達到了預期的設計要求，有很大的使用價值。

圖4 鍋爐過程控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig. 4 Boiler Process Control System structure

6 結(jié) 論

文中基于PLC 技術的模糊PID 控制程序設計與開發(fā)，對標準PLC 模擬閉環(huán)控制系統(tǒng)、PLC 的PID 控制算法展開分析和研究。 在原有PLC 理論的基礎上，設計開發(fā)了一個全新的框架，并且優(yōu)化了PID 的控制算法，對之前工程應用中出現(xiàn)的問題進行了分析，得出了解決方案，并將方案在鍋爐過程控制系統(tǒng)中進行驗證，實驗結(jié)果表明，我們的設計思路完全達到了預期的效果，將鍋爐整體溫度提升緩慢這一問題得到了很好解決，提高了使用效率，對控制的精度也得到了提高，對其他工業(yè)生產(chǎn)過程也起著很好地借鑒意義。 實際測試結(jié)果表明， 該控制程序可以有效提高控制準確度和生產(chǎn)效率，節(jié)約成本，達到了設計要求。

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