基于PLC 技術(shù)的模糊PID 控制程序設(shè)計(jì)與開發(fā)

王春暉

（國網(wǎng)冀北電力有限公司 管理培訓(xùn)中心， 北京 102401）

計(jì)算機(jī)PLC 如今之所以在工業(yè)控制領(lǐng)域越來越受到行業(yè)的重視，已成為最主要的使用設(shè)備，主要就是因?yàn)槠溆兄€(wěn)定性高，操作簡單等特點(diǎn)。 隨著工業(yè)控制領(lǐng)域的發(fā)展，該領(lǐng)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(yùn)算能力和數(shù)據(jù)分析處理能力進(jìn)行完善，為了增大其應(yīng)用的廣泛性。 但是在面對一些超大且復(fù)雜的模擬控制系統(tǒng)時(shí)，PLC 中的PID 數(shù)字運(yùn)算功能就很難對系統(tǒng)進(jìn)行高效的處理，而此時(shí)，就需要對PID 的算法進(jìn)行新的設(shè)計(jì)和改良，這就是本文的一個(gè)最為重要的究方向。 因此，文中主要針對PLC 技術(shù)在模糊PID 控制時(shí)的問題進(jìn)行分析與研究，并且設(shè)計(jì)和開發(fā)出對應(yīng)的算法以及編程的過程，得出最有效的設(shè)計(jì)辦法。 并且經(jīng)過一系列試驗(yàn)以及實(shí)踐檢驗(yàn)，該系統(tǒng)可以充分達(dá)到設(shè)計(jì)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(chǔ)器，用于其內(nèi)部存儲(chǔ)程序，執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序控制、定時(shí)、計(jì)數(shù)與算術(shù)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(jī)械或生產(chǎn)過程。 它其實(shí)就是一種專用于工業(yè)控制的計(jì)算機(jī)，是由件電源、中央處理單元（CPU） 、存儲(chǔ)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(gè)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(gè)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(yīng)用，是因?yàn)樗泻芏嘧陨淼奶攸c(diǎn)和優(yōu)勢，如操作簡單，使用方便，功能性強(qiáng)，性價(jià)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(qiáng)，受到外界其他因素影響較小，有著很強(qiáng)的自我保護(hù)能力，系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、安裝、調(diào)試工作量少，為工作前的準(zhǔn)備工作節(jié)省了很多時(shí)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(guān)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(gè)方面特點(diǎn)也在隨著時(shí)間不斷地進(jìn)步，而各個(gè)PLC廠商也都在大力研發(fā)更加完滿的技術(shù)， 而要想提高其性價(jià)比，就主要需要改良兩方面的內(nèi)容，即運(yùn)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(yīng)控制、參數(shù)自整定、模糊控制等功能，使PLC 更加自如地應(yīng)用在模擬控制系統(tǒng)中，并且可以實(shí)現(xiàn)良好的控制效果[3]。

2 總體設(shè)計(jì)

PLC 標(biāo)準(zhǔn)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(hào)，經(jīng)過測量元器件后，元件將信號(hào)進(jìn)行處理，再交由A/D 模塊進(jìn)行處理使之變?yōu)閿?shù)字信號(hào)， 再將得到的數(shù)字值與事先得知的給定值進(jìn)行比較，可以得出系統(tǒng)偏差，隨即將偏差值進(jìn)行分析，這就需要進(jìn)行PID算法處理，將得出的值再用D/A 模塊進(jìn)行最后處理，使其變回模擬信號(hào)，再返回輸入端的控制系統(tǒng)，這個(gè)循環(huán)就實(shí)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(gè)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(hào)進(jìn)行處理后，對數(shù)據(jù)進(jìn)行讀寫操作以及對指令進(jìn)行編寫，從而達(dá)到對模擬量的采集和控制[4]。

圖1 PLC 標(biāo)準(zhǔn)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(gè)操作如圖所示，分別為：模糊化、知識(shí)庫及推理、解模糊。 控制器在進(jìn)行運(yùn)作時(shí)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(jìn)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(dá)，這首先就運(yùn)用到了模糊集合論，輸入值進(jìn)入系統(tǒng)后，系統(tǒng)自動(dòng)在集合中尋找與其對應(yīng)的模糊量，將準(zhǔn)確地?cái)?shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)化為與之對應(yīng)的模糊量，再按照事先確定的標(biāo)準(zhǔn)，對此輸入量進(jìn)行運(yùn)算和推理[5-6]。 運(yùn)算得出結(jié)果后就要進(jìn)行解模糊過程，其是將模糊值重新轉(zhuǎn)化實(shí)際準(zhǔn)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(yīng)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(jì)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(zhǔn)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(jìn)行確定，以及每個(gè)子集所對對應(yīng)的系統(tǒng)函數(shù)，這就是整個(gè)模糊化過程。 設(shè)計(jì)出一個(gè)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(jìn)行確定，找出最符合設(shè)計(jì)要求的初始值，第二部就是對變量進(jìn)行模糊化，這是進(jìn)行模糊控制的基礎(chǔ)，只有模糊化后得出的模糊量才能在算法中被運(yùn)用，第三步是建立模糊化分析處理準(zhǔn)則，這是最關(guān)鍵的一步，是對結(jié)果起決定作用的一步，準(zhǔn)則不同輸出值也就不同，所以要根據(jù)具體需求設(shè)計(jì)不同準(zhǔn)則， 最后一步就是輸出量街模糊化，得到最終準(zhǔn)確的輸出值。 需要注意的是，雖然模糊PID 控制器的分析運(yùn)算和處理能利用計(jì)算機(jī)操作或者人工手動(dòng)操作來實(shí)現(xiàn)，但這些操作由于前期準(zhǔn)備工作比較繁瑣，運(yùn)算時(shí)的過程比較復(fù)雜，人工處理起來效率很低，還容易出錯(cuò)，所以我們選用MATLAB 軟件的模糊邏輯工具箱來進(jìn)行分析處理和運(yùn)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(zhǔn)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(shí)現(xiàn)

下面進(jìn)行算法的具體設(shè)計(jì)，首先要進(jìn)行編程就需要對輸入量進(jìn)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(jìn)行計(jì)算和推理[7]。 設(shè)計(jì)若直接采用PLC 的基本功能指令完成，進(jìn)行在線推理，實(shí)現(xiàn)起來難度較大又十分耗時(shí)，為了增強(qiáng)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性，采用離線計(jì)算查詢表的方法實(shí)現(xiàn)PLC 的模糊PID 控制。 首先將輸入量依據(jù)系統(tǒng)需求進(jìn)行調(diào)整和選擇，并將輸入量的范圍作出確定，于此同時(shí)利用MATLAB 模糊工具箱對輸入量進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換后再進(jìn)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(shí)時(shí)變化數(shù)據(jù)， 主要確定變化出的迷糊量，在表中找出對應(yīng)的數(shù)據(jù)寄存器，這就得到了準(zhǔn)確地的PID整定參數(shù)， 再利用這個(gè)準(zhǔn)確地參數(shù)在系統(tǒng)中進(jìn)行運(yùn)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(shè)計(jì)過程包括3 個(gè)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(shí)際應(yīng)用測試

為了驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的PLC 模擬控制系統(tǒng)的合理性和實(shí)用性，將其應(yīng)用于鍋爐過程控制系統(tǒng)的實(shí)際操作中。 以鍋爐過程控制系統(tǒng)為實(shí)驗(yàn)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(diǎn)， 采用PLC 編程實(shí)現(xiàn)不同的控制方法，并采用易控組態(tài)軟件實(shí)現(xiàn)上位監(jiān)控和遠(yuǎn)程功能，最終對整個(gè)鍋爐過程控制系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試來實(shí)現(xiàn)測試要求。 鍋爐過程控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖4 所示。 實(shí)驗(yàn)前做的主要準(zhǔn)備有，在保證原始裝置中被控單元的前提下，使用一個(gè)附加的PLC 控制系統(tǒng)，并加入與之同型號(hào)的數(shù)模轉(zhuǎn)換功能模塊，可以進(jìn)行模糊處理，并將得到的信號(hào)連入預(yù)先設(shè)定好的輸出端，這就實(shí)現(xiàn)了單元與單元之間的聯(lián)通，再對程序進(jìn)行編譯，使用我們論述的算法鍋爐液位進(jìn)行控制， 并針對鍋爐溫度的大滯后性， 自行研發(fā)先進(jìn)模糊PID算法實(shí)現(xiàn)有效控制。 對鍋爐的液位和溫度進(jìn)行控制主要是通過PLC 控制程序設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的， 通過PLC 對模擬量的讀寫和PID 運(yùn)算[8-9]。為了使控制的效果達(dá)到最理想的狀態(tài)，依據(jù)誤差的產(chǎn)生范圍分別運(yùn)用PD 和PID 控制，即PLC 編程實(shí)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(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，并將監(jiān)控得到的數(shù)據(jù)及時(shí)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(jìn)行控制，從而實(shí)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(shí)際應(yīng)用的測試數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，該模擬控制系統(tǒng)達(dá)到了預(yù)期的設(shè)計(jì)要求，有很大的使用價(jià)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(shù)的模糊PID 控制程序設(shè)計(jì)與開發(fā)，對標(biāo)準(zhǔn)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(chǔ)上，設(shè)計(jì)開發(fā)了一個(gè)全新的框架，并且優(yōu)化了PID 的控制算法，對之前工程應(yīng)用中出現(xiàn)的問題進(jìn)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(jìn)行驗(yàn)證，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，我們的設(shè)計(jì)思路完全達(dá)到了預(yù)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(shí)際測試結(jié)果表明， 該控制程序可以有效提高控制準(zhǔn)確度和生產(chǎn)效率，節(jié)約成本，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

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