基于Matlab與Wiccc環(huán)境下對水域的模糊PID動態(tài)控制

花義鋒+王文標(biāo)+汪思源+李傳金

摘 要：水浴控制系統(tǒng)不容易確定其精確的數(shù)學(xué)模型，所以較為難控，普通的PID不能實現(xiàn)提前調(diào)節(jié)，易產(chǎn)生過大的超調(diào)。設(shè)計了模糊控制與PID動態(tài)切換控制器對水浴溫度實時控制，用PLC完成了數(shù)據(jù)的采集與反饋。由于數(shù)據(jù)的實時處理與反饋由PLC完成較慢且難以實現(xiàn)，因此，采用了Matlab，通過OPC與Wincc的無縫結(jié)合實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的實時運(yùn)算。實驗表明，采用模糊PID的動態(tài)控制很好地控制了溫度的超調(diào)量，并可以快速地使溫度最終穩(wěn)定下來，提高了控制系統(tǒng)的實現(xiàn)性和精確性。

關(guān)鍵詞：模糊控制；PID控制；動態(tài)切換；PLC

中圖分類號：TP273.4 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.20.016

文章編號：2095-6835（2016）20-0016-03

由于科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步使控制系統(tǒng)中的被控對象和過程越來越復(fù)雜，當(dāng)控制對象缺乏精確的數(shù)學(xué)模型或僅能提供一些模糊信息時，傳統(tǒng)的控制方式難以奏效。為了解決精確性與復(fù)雜性的矛盾，需要加入人的思維和經(jīng)驗。在這樣的需要下，模糊控制技術(shù)得以發(fā)展并應(yīng)用在實際的控制系統(tǒng)中。模糊控制可以快速地使系統(tǒng)趨于穩(wěn)定值，但卻存在穩(wěn)態(tài)誤差，單純憑自身控制特點很難消除誤差。PID技術(shù)可以消除穩(wěn)態(tài)誤差，但其快速性與超調(diào)量之間是不可協(xié)調(diào)的矛盾。本文結(jié)合多次實際的控制以及從應(yīng)用角度出發(fā)，將兩者有機(jī)結(jié)合起來，發(fā)揮各自的優(yōu)點，提出了一種模糊PID的動態(tài)切換控制算法。

1 模糊控制系統(tǒng)的組成以及結(jié)構(gòu)分析

1.1 模糊控制系統(tǒng)

模糊控制系統(tǒng)的核心是智能性的模糊控制器，它基于人對特定對象控制的過程中總結(jié)出來的控制策略上形成一系列以“if（條件）then（控制量）”的條件語句，即控制規(guī)則。一個模糊控制系統(tǒng)的準(zhǔn)確度主要取決于模糊控制器所用的模糊規(guī)則、合成的推理算法以及模糊決策等。模糊控制器的基本原理如圖1所示。

1.2 模糊控制器的結(jié)構(gòu)

模糊控制器主要由4部分組成：模糊化、知識庫、模糊推理、去模糊化。

1.2.1 模糊化

實際誤差e以及誤差變化ec的精確量經(jīng)過模糊化變?yōu)槟：?。由給定值與實際值得到的誤差e以及ec是非模糊變量，他們的論域是實際中的真實范圍。在模糊控制器中，把他們的真實論域變?yōu)閮?nèi)部論域，論域變化后相當(dāng)于乘了一個系數(shù)，即量化因子。經(jīng)過論域變換后e以及ec仍是精確量，把他們分為多個模糊集合，一般分為7個集合NB（負(fù)大）、NM（負(fù)中）、NS（負(fù)?。?、Z（零）、PS（正?。?、PM（正中）、PB（正大），并規(guī)定各個模糊子集的隸屬函數(shù)。計算出e和ec屬于各個模糊集合的隸屬度，進(jìn)一步判斷出他們屬于的模糊集合。此時，e和ec就由精確量變成了模糊變量，完成了第一步的模糊化。

本次實驗中結(jié)合實際被控對象與被控量的特點，把e的論域分為{-7，-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5，6}，ec的論域分為{-0.6，-0.5，-0.4，-0.3，-0.2，-0.1，0，0.1，0.2，0.3，0.4，0.5，0.6}，輸出量的變化量△U論域分為{-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5，6，7}。

1.2.2 知識庫

知識庫中包含了具體控制對象的控制要求，它是由數(shù)據(jù)庫與控制庫兩部分組成。

控制庫存有模糊規(guī)則。模糊規(guī)則是設(shè)計模糊控制器的核心，模糊規(guī)則的確定直接影響著模糊控制器的精確度。模糊規(guī)則一般用“if...then...”形式表示的模糊條件語句，在本次試驗中是使用的雙輸入單輸出，具體形式分別如下：

1）if e is NB and ec is NB，then u is PB；

2）if e is NB and ec is NM，then u is PB；

……

49）if e is PB and ec is PB，then u is NB；

1.2.3 模糊規(guī)則與推理

模糊規(guī)則建立的基本思想為：當(dāng)誤差大或較大時，選擇控制量以盡快消除誤差為主；而當(dāng)誤差較小時，選擇控制量是要注意防止超調(diào)，以系統(tǒng)的穩(wěn)定性為主要的考慮點。

考慮到被控對象水浴的遲滯性以及通過多次實驗的總結(jié)對規(guī)則進(jìn)行修改，最終形成的控制規(guī)則表如表1所示。

平均值X0便是應(yīng)用重心法為模糊集合U求得的判決結(jié)果。

2 模糊PID動態(tài)切換控制系統(tǒng)的設(shè)計

在誤差較大時，采用單純的模糊控制可使系統(tǒng)快速的趨近設(shè)定值。當(dāng)誤差較小時切換到PID控制，利用PID的控制精確、靜態(tài)誤差小的特點來完成系統(tǒng)的精確控制。兩種控制方法的結(jié)構(gòu)相對簡單，模糊控制在MATLAB中完成數(shù)據(jù)的運(yùn)算，動態(tài)切換以及PID的控制在PLC中完成。

3 切換時機(jī)的分析

經(jīng)過多次的實驗得出被控對象（水域）是一種滯后較強(qiáng)、非對稱的控制系統(tǒng)，對于超調(diào)在沒有外界的輔助下，較長時間后才能回到設(shè)定值，且在前期被控對象的變化速率較慢。當(dāng)控制量達(dá)到一定程度時，變化速率與控制量是一種非線性的關(guān)系。當(dāng)閾值過小時，在誤差大于閾值時系統(tǒng)會處于模糊控制階段。由于被控對象在實際控制過程中的變化率并不總為正或負(fù)，而是處于正負(fù)的交替變化中。變化率的正負(fù)變化一直激勵著模糊控制規(guī)則庫，使模糊控制的控制輸出量處于方向相反的波動中，輸出量的正反波動使實際測量值處于波動中，測量值的波動進(jìn)一步加劇了變化率的正負(fù)變化，導(dǎo)致控制系統(tǒng)處于頻繁的波動中，模糊控制很難找到穩(wěn)定點，即使找到相對的穩(wěn)定值，但消耗的時間會較長。經(jīng)過分析和實驗最終確定模糊控制與PID的動態(tài)切換閾值為設(shè)定值的1/6，這是比較理想的閾值。

4 實驗設(shè)計與分析

4.1 Matlab與Wincc連接

在實時溫控系統(tǒng)中，要求對誤差以及誤差變化進(jìn)行實時處理，并將結(jié)果實時傳遞給執(zhí)行機(jī)構(gòu)。Wincc不能完成計算量較大的運(yùn)算，所以，將MATLAB與Wincc相連，MATLAB作為Wincc的客戶端，Wincc作為PLC的上位機(jī)，將MATLAB處理得到的控制量變化量傳遞給PLC，并對測量值、輸出值的變化進(jìn)行實時監(jiān)控。

Matlab中的控制系統(tǒng)平臺如圖2所示。

4.2 實驗參數(shù)的選取

在實驗中將e的量化因子隨初始值、設(shè)定值的不同而依據(jù)公式確定，保證了系統(tǒng)的精確性，而ec的量化因子設(shè)為2，防止其超調(diào)過大，因此，在溫度上升與下降的過程中，對控制量的變化量的比例因子設(shè)為0.2，有效地使輸出值在穩(wěn)定后處于穩(wěn)定狀態(tài)。

5 實驗結(jié)果比較分析

為了驗證控制算法的使用性和穩(wěn)定性，在實驗室中以水浴為控制對象，用300 W的加熱棒進(jìn)行了水域加熱。分別用單純PID和模糊PID動態(tài)切換控制進(jìn)行了實驗，控制水量為1 000 mL，初始溫度為20 ℃，設(shè)定值為45 ℃，模糊PID切換的閾值為給定值的1/6.

PID的系數(shù)kp=7、ki=0.023、kd=0.023。單純的PID需要20 min才可以基本穩(wěn)定下來，在輸出值穩(wěn)定之后，再給一個25 ℃的階躍，單純PID系統(tǒng)的反應(yīng)時間為19 min，輸出值會再次穩(wěn)定下來。

對于初始值和設(shè)定值，在保證PID系數(shù)不變的情況下，模糊PID動態(tài)切換控制完成控制過程只需要13 min。在給了25 ℃的階躍后，系統(tǒng)反應(yīng)時間為10 min，與單純的PID相比大大縮短了反應(yīng)時間。具體如圖3和圖4所示。

6 結(jié)束語

本文介紹了模糊控制在Matlab與Wincc無縫連接的環(huán)境下進(jìn)行的水溫控制實驗。通過多次的實驗以及對規(guī)則的修改，最終確定了模糊規(guī)則以及與PID的動態(tài)切換，并將控制算法在實際控制中進(jìn)行了驗證。由實驗結(jié)果可得出模糊PID動態(tài)切換憑其優(yōu)越性可很好地完成水溫控制，提升了控制系統(tǒng)的實時性、穩(wěn)定性和魯棒性。

參考文獻(xiàn)

[1]李士勇.模糊控制[M].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，2011.

[2]陶權(quán).基于PLC的過程控制實驗裝備溫度模糊PID控制[J].自動化技術(shù)與應(yīng)用，2010（04）.

[3]齊琳.模糊PID動態(tài)切換控制算法的研究[D].北京：北京交通大學(xué)，2008.

[4]楊世勇.模糊控制與PID控制的對比及復(fù)合控制.[J]自動化技術(shù)與應(yīng)用，2011（12）.

[5]李巖.模糊PID控制在液位控制中的應(yīng)用[D].安徽：合肥工業(yè)大學(xué)，2008.

[6]路桂明.基于模糊PID控制的電鍋爐溫度控制系統(tǒng)的研究[D].哈爾濱：哈爾濱理工大學(xué)，2007.

[7]劉金琨.先進(jìn)PID控制的Matlab仿真[M].北京：電子工業(yè)出版社，2011.

[8]宗超凡.基于雙控制器切換的模糊PID勵磁控制的仿真研究[J].電氣時代，2015（09）.