基于A3000的模糊-PI雙模控制實驗設計與開發

麥雪鳳

(廣西科技大學電氣與信息工程學院，廣西柳州545006)

0 引言

隨著生產規模的不斷擴大及自動化程度的不斷提高，生產工藝對控制系統的快速響應、可靠性、控制精度等提出了越來越高的要求［1-2］，對于被控對象存在滯后大、非線性、時變等特點的復雜場合常規PID控制難以滿足要求［3］，因此模糊控制等智能控制在冶金、化工、電力和家電等工業部門都得到了逐步的發展［4］。而我院現有的A3000高級過程控制實驗裝置只能進行單回路、串級、單閉環比值等常規控制實驗，無法開展模糊控制等的實踐教學。為滿足智能控制實踐教學及創建智能控制科研平臺的需要，在A3000裝置上開發了雙容液位模糊-PI雙模控制系統。

1 控制系統組成

設計的雙容液位模糊-PI雙模控制系統以A3000的雙容水箱為被控對象，控制參數是下水箱的液位，由液位變送器、模糊-PI雙模控制器(用西門子S7-300 PLC來實現)、電動調節閥等組成。

控制系統工作過程如下:液位變送器輸出的4～20 mA信號送到PLC的模擬量輸入模塊，經過PLC程序進行模糊-PI雙模控制運算處理后，得到精確控制量u(0～27 648的數字量)，該數字量經模擬量輸出模塊轉換為4～20 mA信號送至電動調節閥，調節上水箱的進口流量，進而控制下水箱液位。

2 控制系統原理及結構

雙容液位模糊-PI雙模控制系統結構如圖1所示。當系統的偏差|e|＞2 cm時(取e=2 cm為邊界值)，為克服系統滯后大、PID調節不夠及時的缺點，采用模糊控制;當|e|＜2 cm時，為克服模糊控制器穩態精度較低的缺點，采用PI控制器。

該控制系統的核心是二維模糊控制器，以液位偏差e和偏差變化率Δe為輸入量，以控制量u為輸出變量［5］，模糊控制器由模糊化、知識庫、模糊推理和清晰化四部分組成。

(1)模糊化。模糊化的第一個任務是進行論域變換，e、Δe和 u的變化范圍分別取［－10 cm，10 cm］、［－1 cm，1 cm］和［0，27 648數字量］，它們的論域均取為［－6，+6］，取區間內的整數值和0。則量化因子分別為:k1=n/e=6/10=0.6，k2=n/Δe=6/1=6，k3=u/n=27 648/6=4 608。K1、K2和 K3對系統性能有較大影響，如果不合適還可調試時在線調整。e、Δe首先進行尺度變換，將其變換到要求的論域范圍:e*=k1×e、Δe*=k2×Δe，再對 e*、Δe*值采用均勻量化處理變為離散的論域值 x0、y0∈［－6，+6］。

模糊化的第二個任務是求得輸入對應于語言變量的隸屬度，e、Δe和u的語言變量x、y和z均分割為7個模糊語言，分別為負大(NB)、負中(NM)、負小(NS)、零(0)、正小(PS)、正中(PM)、正大(PB)。模糊集合的隸屬度函數采用離散方式，只取論域中的離散點(整數值)及這些點的隸屬度來描述一個語言變量，用數值描述的x、y和z的隸屬度函數均采自表1。

表1 語言變量x、y和z的隸屬度函數

(2)模糊推理和清晰化。模糊推理是模糊控制器的核心，該推理過程是基于模糊邏輯中的蘊含關系及推理規則來進行的。總結過程控制實踐教學對該液位控制的手動操作經驗，例如:當液位值低很多，且液位值有進一步快速降低的趨勢時，應加大入口流量，可用模糊語句(Ri:IF x=NB AND y=NB THEN z=PB)［6］實現這條規則，本設計采用的模糊控制規則如表2所示。

表2 模糊控制規則表

由于x、y的模糊分割數均為7，該表中共包含最大可能的規則數49條，對于第i條規則“如果x是Aiand y 是 Bi，則 z是 Ci”(Ai、Bi和 Ci分別是語言變量x、y和z在其論域X、Y、Z上的語言變量值)的模糊蘊含關系 Ri為［7］:

則所有規則的總模糊蘊含關系為R。根據已知輸入x0和y0，模糊化采用單點模糊集合，根據模糊推理方法及性質，可求得輸出量的模糊集合C'為(在此:and用求交法，also用求并法，合成用最大-最小法，模糊蘊含用求交法):

據此計算出x0、y0為某個輸入組合時，分別在不同規則下的 C'1，C'2，…，C'49進而得出模糊集合 C'，再用最大隸屬度法進行清晰化計算，將模糊推理得到的控制量(模糊量)變換為清晰量z0。按照同樣的步驟，可以計算出當x0、y0為其他組合時的輸出量z0，最后列出實際查詢的控制表如表3。

表3 控制表

3 控制程序開發

3.1 模糊控制功能塊程序開發

根據圖1模糊-PI控制原理，采用西門子STEP7編程軟件開發應用程序，其中PI控制器直接調用PID功能塊FB41［8］即可實現，而STEP7中沒有模糊控制功能塊，因此需根據模糊控制原理自行開發模糊控制程序。為此創建三個自定義功能塊［9］FB1、FB2和FC2并編寫相應的程序。其中:

(1)FB1(背景數據塊DB2)是實現模糊化的功能塊，完成對e、Δe的模糊化;

(2)FC2用來存放控制表并實現模糊推理的功能，其編程思路是:首先將模糊控制表3中z0的169個控制結果按從左至右、從上到下的順序逐個存放到MW100～MW338寄存器中，然后采用公式［(x0×26+y0×2)+100］計算z0所對應的寄存器地址，如x0=4、y0=5，寄存器首址為MW100，那么z0寄存器地址為MW214，從而確定z0值(編程時為計算方便將 x0、y0和 z0的論域［－6，6］均加上6變為［0，12］)。

(3)FB2(背景數據塊DB3)是實現解模糊化的功能塊，將清晰值z0轉化為精確控制量u，采用線性變換:u=k3×Z0。FB2程序圖2所示:首先在DB3中定義輸入變量MOU數據類型為INT;輸出變量SHIU數據類型為WORD。輸入變量#MOU(即z0)先通過I-DI功能塊由整數轉換為雙整數，再通過DI-R轉換為實數并通過乘法塊MUL-R乘上k3，最后用MOVE指令送給輸出變量#SHIU，這樣就把取值為［0，12］的z0轉換為精確值u。

圖2 解模糊化程序

3.2 主程序編寫

OB1主程序塊采用循環執行的方式實現對整個程序的控制，并通過調用FB1、FC2、FB2實現模糊控制算法。需在OB1中編寫程序實現的功能主要有:計算e和Δe;模糊/PI控制功能切換;調用FB1將e和Δe模糊化;計算z0的寄存器地址;調用FC2得到清晰量z0;調用FB2將z0解模糊化得到精確控制量u。其中Δe的計算和模糊/PI控制功能切換是較關鍵的兩個部分，下面分別介紹。

(1)偏差變化率Δe(=ek－ek－1)值的求取，程序如下:

Network1:用減法塊 SUB-R 將變量'MYDATA＇.SP與變量'MYDATA＇.PV相減，結果存放到變量'MYDATA＇.e;并用 MOVE指令將 e值存放到寄存器MD10中，如圖3所示。

圖3 Network1程序

Network2:用減法塊SUB-R將MD10值(=ek)與MD14 值(=ek－1)相減，結果存放到'MYDATA＇.ec，如圖4所示。

圖4 Network2程序

Network3:用 MOVE指令將 MD10值存放到MD14，如圖5所示。

圖5 Network3程序

通過Network1～Network3程序可求得Δe值，并存放在變量'MYDATA＇.ec 中。

(2)模糊/PI控制功能切換的實現。方法是在PID塊的EN端串聯一個M1.0常開觸點和一個M3.0常閉觸點，當|e|＞2 cm時，M3.0線圈接通，其常閉觸點斷開，PID0不運行，轉到模糊控制;當|e|≤2 cm時，M1.0線圈接通，其常開觸點閉合，PID0模塊運行進行PI控制，程序如圖6所示。

圖6 模糊/PI控制功能切換程序

4 系統運行調試

將開發的雙容液位模糊-PI雙模控制系統在A3000實驗裝置［10-11］調試，在組態王監控界面記錄系統運行曲線。系統實際運行過程如下:液位設定值為25 cm，開始投運時測量值為0，由于e很大采用模糊控制，系統快速相應，使測量值很快接近設定值，并在3～4min趨于穩定且|e|＜2 cm進入PI控制。第6 min后即可獲得較滿意的控制效果，這時液位測量值與設定值曲線幾乎完全重合，系統運行穩定可靠，控制精度達到±1%以內，系統超調也在1%以內。系統穩定運行一段時間后(約在第16 min)做擾動實驗，方法是打開另一條支路往水箱中加水使液位出現一個較大的波動，如圖7所示。從曲線可以看出，模糊-PI雙模控制系統能迅速平穩地改變調節閥的開度，使測量值約在2 min內很快重新穩定在設定值范圍，可見系統穩定性很好且抗干擾能力很強。由于雙容液位系統滯后大，采用常規PID控制難以獲得滿意的控制效果，因此，上述實際運行表明，采用模糊-PI雙模控制，極大地提高了系統的動態特性和穩態特性，在響應速度、控制精度、抗干擾能力、縮短調試時間［12］等方面均優于常規PID控制。

圖7 系統運行曲線

5 結語

本文介紹的在A3000裝置上開發模糊-PI雙模控制的方法簡單易行、可靠性高、控制效果好、開發成本低［13］，可在高校同類實驗裝置中推廣使用。本實驗項目彌補了傳統A3000過程控制實驗裝置的不足［14］，通過本實驗項目可使學生掌握模糊一PI雙模控制的原理及特點、提高學生綜合應用PLC、編程組態軟件及現場儀表構建智能控制系統的能力，為“過程控制工程”、“智能控制”等課程提供了更好的的實驗平臺［15］。

［1］ 高 鵬.螺旋扁管換熱器溫度串級模糊控制試驗研究［J］.石油機械，2008，36(11):9-11.

［2］ 金以慧.過程控制［M］.北京:清華大學出版社，2005.

［3］ 韓大平，林國海，等.模糊PID控制算法在回轉窯溫度控制中的應用［J］.材料與冶金學報，2005，4(4):321-325.

［4］ 邵裕森，戴先中.過程控制工程［M］.北京:機械工業出版社，2000.

［5］ 李士勇，夏承光.模糊控制與智能控制理論與應用［M］.哈爾濱:哈爾濱工業大學出版社，1990.

［6］ 劉金琨.智能控制［M］.北京:電子工業出版社，2005.

［7］ 李國勇.智能控制及其MATLAB實現［M］.北京:電子工業出版社，2005.

［8］ 陳海霞.西門子S7-300/400編程技術及工程應用［M］.北京:機械工業出版社，2012.

［9］ 西門子自動化與驅動集團.深入淺出西門子S7-300 PLC［M］.北京:北京航空航天大學出版社，2004.

［10］ 北京華晟高科教學儀器有限公司編制［Z］.A3000高級過程控制系統實驗指導書V3，2005.

［11］ 北京華晟高科教學儀器有限公司編制［Z］.A3000過程控制系統使用說明和產品維護V2，2005.

［12］ 馬克茂，朱奕.帶有前饋補償的模糊控制系統及其在鍋爐水位控制中的應用［J］.計算機測量與控制，2004，12(6):537-539.

［13］ 高宏巖.用controllogix實現雙容水箱液位系統的模糊控制［J］.PLC＆FA，2004(8):105-106.

［14］ 王 娟.A3000系統在化工自動化及儀表實驗中的應用［J］.實驗室研究與探索，2006，25(9):1079-1080.

［15］ 任俊杰，李紅星.基于PLC和組態王的過程控制實驗系統［J］.實驗室研究與探索，2010，29(5):16-18.