基于MCGS和PLC的模糊控制算法在液位控制中作用

基于MCGS和PLC的模糊控制算法在液位控制中作用 中文摘要 中文摘要 液位控制是工业中常见的过程控制，它对生产的影响不容忽视。单容 液位控制系统具有非线性、滞后、耦合等特征能够很好地模拟工业过程特 征。对于液位控制系统，常规的P I D控制由于采用固定的参数，难以保证 控制适应系统的参数变化和工作条件变化，得不到理想效果。模糊控制具 有对参数变化不敏感和鲁棒性强等特点，但控制精度不太理 想如果将模 糊控制和传统的P I D控制两者结合， 用模糊控制理论来整定PID控制器 的比例、积分、微分系数，就能更好地适应控制系统的参数变化和工作条 件的变化。 关键词:PID控制;可编程控制器(PLC);模糊PID;单容水箱 I 第2章 实验系统数学模型建立 目 录 中文摘要 ..................................................... I 目 录 ............................................................ 2 第1章 绪 论 .................................................. 5 1.1题的提出及意义 ............................................. 5 1.2目前发展现状 ............................................... 5 1.3本次毕业 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 主要研究的内容 ................................. 6 第2章 实验系统数学模型建立 ...................................... 7 2.1实验液位控制对象概述 ....................................... 7 2.1.1 TGK-2型实验对象组成结构 ................................ 7 2.2液位控制对象数学模型建立 .................................. 11 第3章 控制器设计及参数整定 方法 快递客服问题件处理详细方法山木方法pdf计算方法pdf华与华方法下载八字理论方法下载 ................................. 15 3.1 PID控制 ................................................... 15 3.1.1 PID概述 ............................................... 15 3.1.2 PID模块介绍 ........................................... 16 3.1.3 PID控制原理 .......................................... 17 3.1.4利用稳定边界法整定单容水箱 ............................. 17 3.2模糊PID控制 .............................................. 19 3.2.1模糊控制技术简介 ....................................... 19 3.2.2模糊控制器设计步骤 ..................................... 19 3.2.3模糊PID控制器的设计 ................................... 21 第4章 控制系统设计 ............................................. 28 4.1系统设计要求 .............................................. 28 4.2 PLC的选择 ................................................. 28 4.2.1 S系列PLC发展概述 ..................................... 29 4.2.2 S7-200 系列PLC系统的组成 ............................. 29 4.3 组态软件的选择 ............................................ 31 4.3.1组态软件产生的背景 ..................................... 31 4.3.2组态软件的选用 ......................................... 31 4.3.3组态软件的特点 ......................................... 32 4.4设计思想 .................................................. 32 4.5 PLC控制系统的应用设计 ..................................... 33 4.5.1 PLC控制的系统的总体设计 ............................... 33 4.5.2 PLC外围功能模块选择 ................................... 38 2 第2章 实验系统数学模型建立 第5章 S7-200PLC编程软件的使用 ................................. 43 5.1编程软件系统概述 .......................................... 43 5.1.1系统要求 ............................................... 43 5.1.2软件安装 ............................................... 43 5.2 STEP7-200MICRO/WIN32软件功能 .............................. 44 5.2.1编程软件功能简介 ....................................... 44 5.2.2窗口组件及功能 ......................................... 44 5.2.3系统组态 ............................................... 47 5.3编程及运行 ................................................ 47 5.3.1程序文件操作 ........................................... 47 5.3.2梯形图设计 ............................................. 49 STEP7-Micro/WING32编程软件有很强的编辑功能，熟练掌握编辑和修 改控制程序操 作可以大提高编程的效率。梯形图如图5-4:调节阀采集程序 ....... 49 5.3.2 调节阀转换程序 ........................................ 50 5.3.3 模糊PID程序 .......................................... 51 第6章 上位机监控界面设计 ....................................... 54 6.1概述 ...................................................... 54 6.2 MCGS特点 .................................................. 54 6.3监控界面设计步骤 .......................................... 55 6.3.1制作文字框图 ........................................... 56 6.3.2制作水箱 ............................................... 56 6.3.3定义数据对象 ........................................... 58 6.3.4动画连接 ............................................... 59 6.3.5水位升降效果 ........................................... 59 6.3.6水泵、阀门的启停 ....................................... 60 6.3.7水流效果 ............................................... 61 6.3.8脚本程序 ............................................... 64 6.4系统调试 .................................................. 64 6.4.1硬件连接 ............................................... 64 6.4.2参数设置 ............................................... 65 6.4.3建立在线联系 ........................................... 66 6.4.4建立修改PLC通讯参数 ................................... 66 6.5存在问题及解决方法 ........................................ 66 6.5.1设计中存在的问题 ....................................... 67 6.5.2解决存在的问题 67 第七章 实验数据及结果 ........................................... 68 3 第2章 实验系统数学模型建立 PLC定义和概念 .................................................. 71 4 第2章 实验系统数学模型建立 第1章 绪 论 1.1题的提出及意义 随着科学技术的发展，特别是大规模集成电路的问世和微处理机技的应用，出现了可编程序控制(PLC)，它不仅可以取代传统的继电接触器控制系统，还可以进行复杂的过程控制和构成分布式自动化系统，使电气控制技术进入了一个崭新的阶段。为了实现基于MCGS和PLC模糊控制PID算法在液位控制中的应用，本次设计的内容是基于两者的PLC控制水位控制系统。而水位控制系统在我们的现实生活中应用也是十分广泛的，例如:水利部门的水位测量、高层建筑的水位控制等。 1.2目前发展现状 社会在发展，人类在进步，随着科学技术的发展和人们对生活饮用水品质的不断提高，恒压供水系统以逐渐取代原有的水塔供水系统，广泛应用于多层住宅小区生活消防供水系统。然而，由于新系统多会继续使用原有系统的部分旧设备，所以，此技术用在对原有系统的改造过程中，既可以体现恒压供水的优势，又可以尽量保留原有的设备，有效的节省了大量的资金，并且可以保证系统的可靠的运行。与此同时,水位测量一直是水文、水利部门的重点，由于没有进行有效监测，江堤决口，水冲毁的恶性事故时有发生，给国家和人民生命财产带来重大损失，为及时发现事故苗头，防患于未来。而在社会经济飞速发展的今天，水在人们正常生活和生产中起着越来越重要的作用，一旦断了水，轻则给人民生活带来极大的不便， 重则可能造成严重的生产事故及损失。因此给水工程往往成为高层建筑或工矿企业中最重要的基础设施之一。任何时候都能提供足够的水量、平稳的水压、合格的水质是对给水系统提出的基本要求。就目前而言，多数工业、生活供水系统都采用水塔、层顶水箱等作为基本储水设备，由一级或二级水泵从地下市政水管补给。因此，如何建立一个可靠安全、又易于维护的给水系统是值得我们研究的课题。 5 第2章 实验系统数学模型建立 1.3本次毕业设计主要研究的内容 主要用到了PLC和计算机系统构成工业控制系统采用自动调节水泵电机的速度，改变了以往先启后停的方式，系统能够自动和手动完成各个泵的启动、停止和无冲击切换，以及故障报警，使平稳过渡。 在水位控制系统设计中，对液位传感器控制也进行了必要的讲解。包括传感器原理，传感器的分类以及参数的设定。其硬件由PLC、电机、继电器等组成。详细的论述了PLC的原理、传感器的原理、硬件设计、软件设计;操作、参数设定、控制系统图的设计。 设计中利用PLC控制，采用模糊控制控制器，形成为闭环的控制系统，从而实现液位的恒定，而泵的启动和停止可以自动和手动来实现的。与此同时，泵的启动和停止可以自动和手动来实现的。而使本系统运行可靠，抗干扰性强，且具有经济性。在本系统中，用水泵通过一个调节阀给一水箱供水,水箱中用一液位变送器测量水位。对液位变送器的输出进行采样，要求采样周期为一个扫描周期，多次采样扣求得平均值，折算为水箱水位， 应用PID指令控制调节阀，保证水箱水位保持在设定值。然后利用模糊控制器更改PID的三个参数，提高系统的静态和动态性能。 6 第2章 实验系统数学模型建立 第2章 实验系统数学模型建立 过程控制系统的品质是由组成系统的各个环节的结构及其特性所决定的。过程的数学模型是设计过程控制系统，确定控制 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 、分析质量指标、整定调节器参数等等的重要依据。所以建立实验系统数学模型是过程控制系统设计分析和应用的重要资料。 2.1实验液位控制对象概述 本次设计采用RTGK-1型过程系统实验台。即电压1~5V，电流4~20mA。实验系统供电要求:三相380V交流电。 2.1.1 TGK-2型实验对象组成结构 过程控制实验对象系统包含有:不锈钢储水箱、强制对流换热器系统、串接圆筒有机玻璃上水箱(Ф250×370mm)、中水箱(Ф250×370mm)、下水箱(Ф250×270mm)、三相4.5KW电加热锅炉(由不锈钢锅炉内胆加温筒和封闭式外循环不锈钢冷却锅炉夹套组成)，纯滞后盘管实验装置。系统动力支路分为两路组成:一路由单相丹麦格兰富循环水泵、电动调节阀、涡轮流量计、自锁紧不锈钢水管及手动切换阀组成;另一路由小流量水泵、变频调速器、小流量电磁流量计、自锁紧不锈钢水管及手动切换阀组成。如下图2.1的系统结构图所示。图中的检测变送和执行元件有:液位传感器、温度传感器、涡轮流量计、电磁流量计、压力表、电动调节阀、电磁 阀等。 2.1.2 TGK-2实验对象的检测及执行装置包括: 检测装置:扩散硅压力液位传感器。分别用来检测上水箱、下水箱液位和小流量水泵的管道压力;电磁流量计、涡轮流量计分别用来检测小流量泵动力支路流量和单相格兰富水泵动力支路流量;Pt100热电阻温度传感器分别用来检测锅炉内胆、锅炉夹套和对流换热器冷水出口、热水出口、纯滞后盘管出口水温。 7 第2章 实验系统数学模型建立 执行装置:三相可控硅移相调压装置用来调节三相电加热管的工作压电动调节阀调节管道出水量;变频器调节小流量泵。系统结构图2-1如下 图2-1系统结构图 1.液位传感器 工作原理:当被测介质(液体)的压力作用于传感器时，压力传感器将压力 8 第2章 实验系统数学模型建立 信号转换成电信号，经归一化差分放大和输出V/A电压、电流转换器，转换成接线如图2-2所示: 与被测介质(液体)的液位压力成线性对应关系的4~20mA 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 电流输出信号。 图2-2液位传感器 接线说明:传感器为二线制接法，它的端子位于中继箱内，电缆线从中继箱的引线口接入，直流电源24V+接中继箱内正端(+)，中继箱内负端(—)接负载电阻的一端，负载电阻的另一端接24V-。传感器输出4~20mA电流信号，通过负载电阻250/50Ω转换成电压信号。当负载电阻接250Ω时信号电压为1~5V，当负载电阻切换成50Ω时信号电压为0.2~1V。 零点和量程调整:零点和量程调整电位器位于中继箱内的另一侧。校正时打开中继箱盖，即可进行调整，左边的(Z)为调零电位器，右边的(R)为调增益电位器。 2.压力表 安装位置:单相泵之后，电动调节阀之前。 测量范围:0~0.25Mpa 图2-3压力表 3.电动调节阀 QSVP20-15N智能电动单座调节阀 主要技术参数: 9 第2章 实验系统数学模型建立 执行机构型式:智能型直行程执行机构 输入信号:0~10mA/4~20mADC/0~5VDC/1~5VDC 输入阻抗:250Ω/500Ω 输出信号:4~20mADC 输出最大负载:<500Ω 电源:220V?10%/50Hz 信号断电时的阀位:可任意设置为保持/全开/全关/0~100%间的任意值 4.压力变送器 PB800系列压力变送器用于测量液体或气体的压力，并把压力信号转换成电信号的现场远传压力仪表。 PB800系列压力变送器广泛应用于石油、化工、冶 金、环保、轻工、医药、制冷、恒压供水等行业。 特点:高精度:0.25级、0.5级电源、输出二线制(24VDC、4—20mA)都采用316C不锈钢隔离膜片、抗腐蚀性强、小体积、高质量、低价格，而且测量范围广，本地量程、零点可调技术参数: 基本误差:0.25,、0.5, 线形度:优于0.2%F.S 温度漂移:<?0.025,F.S,? 长期稳定性:<0(2,F.S,年 响应时间:10毫秒 供电电源:24VDC 输出:4—20mADC 负载电阻:0—600Ω 过载极限:最大额定压力的1.5 倍 环境温度:-20? —+85? 被测介质温度:-20? —+85? 存贮温度:-40?—+125? 传感器接口:M20×1.5或1,2NPT 电气接口:M20×1.5 安装位置:无限制 10 第2章 实验系统数学模型建立 外壳防护等级:IP65 可具有防爆特性，防爆等级:ia II CT4 2.2液位控制对象数学模型建立 由于在仿真的时候要用到THJ-2型过程控制系统中的上水箱的传递函数，现用开环阶跃响应曲线法建立被控对象的模型。在本设计中将通过实验建模的方法，分别测定被控对象上水箱在输入阶跃信号后的液位响应曲线和相关参数。通过磁力驱动泵供水，手动控制电动调节阀的开度大小，改变上水箱液位的给定量，从而对被控对象施加阶跃输入信号，记录阶跃响应曲线。在测定模型参数中可以通过智能调节仪表改变调节阀开度，增减水箱的流入水量大小，从而改变水箱液位实现对被控对象的阶跃信号输入。 一、上水箱阶跃响应参数测定: 手动操作调节器，控制调节阀开度，使初始开度OP1=50，等到水箱的液位处于平衡位置时，改变调节阀开度至OP2=60，即对上水箱输入阶跃信号，使其液位离开原平衡状态。经过一定调节时间后，水箱液位重新进入平衡状态。记录两次液位稳定之间液位变化的数据。利用MATLAB绘制出原始数据曲线与拟合曲线图如图2.3。 由曲线图，我们可以将上水箱按照一阶模型(单容水箱)来处理。一阶模型的传递函数为: 11 第2章 实验系统数学模型建立 下图为一阶水箱系统结构图 : 图2-3 一阶水箱系统结构图 由图2.3可知，对象的被控制量为水箱的液位H，控制量(输入量)是流入水箱中的流量Ql，手动阀VL和VZ的开度都为定值，Q2为水箱中流出的流量。根据物料平衡关系，在平衡状态时 动态时，则有 式中V 为水箱的贮水容积，为水贮存量的变化率，它与H 的关系为 A为水箱的底面积。把式(2.4)带入(2.3)得 12 第2章 实验系统数学模型建立 h 基于Q2=Rs，Rs为阀V2的液阻，则上式可改写为 或写作 R0A和V2的Rs有关;K=Rs。式(2.6)就是一阶式中T=ARs，它与水箱的底积 水箱的传递函数。若令Q1(S)=S，R0=常数，则式(2.6)可改为 对上式取拉氏反变换得 当t一>?时，h(?)=KR0，因而有K=h(?)/RO=输出稳态值/阶跃输入当t=T时，则有h(T)=KR0(1-e)=0.632KR0=0.632h(?) 式(2.7)表示一阶惯性环节的响应曲线是一单调上升的指数函数，如图2.2所示。当由实验求得图2.2所示的阶跃响应曲线后，该曲线上升到稳态值的63%所对应的时间，就是水箱的时间常数T。该时间常数T也可以通过坐标原点对响应曲线作切线，切线与稳态值交点所对应的时间就是时间常数T，由响应曲线求得K和T后，就能求得一阶水箱的传递函数。 h1( t ) h1(? ) 0.63h1(?) ?1 0 T 图2.4 单容水箱的单调指数上升曲线 13 第2章 实验系统数学模型建立 二、控制系统模型的建立 根据拟合曲线采用上述计算法求得上水箱传递函数为 14 第4章 控制系统设计 第3章 控制器设计及参数整定方法 3.1 PID控制 3.1.1 PID概述 作为经典的控制理论，PID控制规律仍然是当今工控行业的主导控制方式，无论复杂、简单的控制任务，PID控制都能取得满意的控制效果， 前提是PID参数必须选择合适。可以说，通过适当的PID参数，PID控制可以得到各种输出响应特性，也就是说，通过适当给定PID参数，大多数的控制任务都可以由PID完成。 用比例(P)调节器的系统是一个有差系统，比例度?的大小仅会影响到余差的大小，而且也与系统的动态性能密切相关。比例积分(PI)调节器，由于积分的作用，不仅能实现系统无余差，而且只要参数?，Ti调节合理，也能使系统具有良好的动态性能。比例积分(PID)调节器是在PI调节器的基础上再引入微分D的作用，从而使系统既无余差存在，又能改善系统的动态性能(快速性、稳定性)。在单位阶跃作用下，P、PI、PID调节系统的阶跃响应分别如图3-1的曲线1、2、3所示。 图3-1 P,PI,PID调节的阶跃响应曲线 在采用计算机控制时，控制是由计算机的数字运算来实现的。在过程控制发展史中，控制器(控制规律)的发展起了决定性作用。可见控制器的选型与控制规律的确定是系统设计中最重要的环节，控制器的选型主要根据被控过程的特性、工艺对控制品质的要求、系统的总体设计来综合考虑。 1.选择控制器的控制规律 15 第4章 控制系统设计 (1)根据比值 ?0T0来选择调节器的控制规律 (2)根据过程特性来选择控制规律:若过程的数学模型比较复杂或无法准确建模时,可根据何种控制规律适用于何种过程特性与工艺要求来选择, 常用的各种控制规律的控制特点扼要归纳如下: 1)比例控制规律(P) 采用P控制规律能较快地克服扰动的影响，使系统稳定下来，但有余差。它适用于控制通道滞后较小、负荷变化不大、控制要求不高、被控参数允许在一定范围内有余差的场合。如储槽液位控制、压缩机储气罐的压力控制等。 2)比例微分控制规律(PD) 微分具有超前作用，对于具有容量滞后的控制通道，引入微分控制规(微分时间设置得当)对于改善系统的动态性能指标，有显著的效果。因此，对于控制通道的时间常数或容量滞后较大的场合，为了提高系统的稳定性，减小动态偏差等到可选用比例微分控制规律，如温度或成分控制。但对于纯滞后较大，测量信号有噪声或周期性扰动的系统，则不宜采用微分控制。 3)比例积分控制规律(PI) 在工程上比例积分控制规律是应用最广泛的一种控制规律。积分能消除余差，它适用于控制通道滞后较小、负荷变化不大、被控参数不允许有余差的场合。如某些流量、液位要求无余差的控制系统。 4)比例积分微分控制规律(PID) PID控制规律是一种较理想的控制规律，它在比例的基础上引入积分，可以消除余差，再加入微分作用，又能提高系统的稳定性。它适用于控制通道时间常数或容量滞后较大、控制要求较高的场合。如温度控制、成分控制。 3.1.2 PID模块介绍 WT405-5为可编程PID控制模块，模块内部有40余种命令语言，每个命令语言执行一定的运算功能，根据实际要求，将多条命令语言组合在一起即构成模块的控制程序。 通过编程，模块可实现单回路PID、串级三冲量PID、导入微分PID及自 16 第4章 控制系统设计 动/手动无扰切换等复杂的控制功能。模块具有掉电保护功能，复位或重新上电时能自动恢复掉电前的工作状态，接续原来的工作状态进行控制。 模块本身具有PID控制所必须的模拟量输入、模拟量输出、开关量输入、开关量输出通道，能不依赖网络而独立进行PID控制，该控制方案安全、可靠。PID参数、PID定值及控制程序的修改可通过网络实现。4路模拟量输入通道可以单独设置分度类型，采集各种类型的模拟量信号。 3.1.3 PID控制原理 经典PID控制理论中，基本数学模型有两种(连续型、增量型)，PID模型的增量控制数学模型可以简单地用下式表示: E(k)dE(k)P(k)?P(k?1)?K*?E(k)?E(k?1)???Kd*(3-1) Tidt ???? P(k)-------- PID命令输出 P(k?1)-------PID命令前坎输出 K*?E(k)?E(k?1)?-------比例项，K为PID命令的比例倍数 E(k)--------积分项，Ti为积分时间(秒) 3.1.4利用稳定边界法整定单容水箱 一、整定步骤: (1)将调节器的积分时间TI置于最大(TI=?)，微分时间置零(TD=0)，比例度δ适当，平衡操作一段时间，把系统投入自动运行。 (2)将比例度δ逐渐减小，得到等幅振荡过程，记下临界比例度δk和临界振荡周期Tk值。 (3)根据δk和Tk值，采用经验公式，计算出调节器各个参数，即δ、TI、TD的值。 按“先P后I最后D”的操作程序将调节器整定参数调到计算值上。若还不够满意，可再作进一步调整。 17 第4章 控制系统设计 二、整定注意事项: (1)有的过程控制系统，临界比例度很小，使系统接近两式控制，调节阀不是全关就是全开，对工业生产不利。 (2)有的过程控制系统，当调节器比例度δ调到最小刻度值时，系统仍不产生等幅振荡，对此，就把最小刻度的比例度作为临界比例度δk进行调节器参数整定。 图 3-2 三、整定结果 1依据征订步骤得出: 临界比例度: δk=1/K =1/500= 0.002 临界震荡周期(震荡的两个波峰之间的时间):Ts=33s 2、采用PID调节规律，根据下表公式计算调节器各个参数 表3-3 18 第4章 控制系统设计 δ=1.6δk= 1.6*0.002= 0.0032 K =1/δ= 1/0.0032= 312.5 Ti =Tk /1.2= 33/1.2= 27.5s Td=0.25Ti=6.875 3.2模糊PID控制 3.2.1模糊控制技术简介 模糊控制是建立在人工经验的基础上的，对于一个熟练的操作人员，他并非了解被控对象精确的数学模型，而是凭借其丰富的实践经验，采取适当的对策来巧妙的地控制一个复杂的过程。若能把这些熟练操作人员的实践经验加以总结和描述，并用语言表达出来，它就是一种定性的，不精确的控制规则。如果用模糊数学将其定量化就转化为模糊控制算法，从而形成了模糊控制理论。它最近的短短十年来发展如此迅速，这主要归结于模糊控制的一些明显的特点: (1)无需知道被控对象的数学模型:模糊控制是一人对被控系统的控制经验为依据而设计的控制器，故无需知道被控系统的数学模型。 (2)是一种反映人类智慧思维的智能控制:模糊控制采用人类思维中的模糊量，如“高”“中”“低”“大”“小”等，控制量由推理导出。这些模糊量是人类通常智能活动的的体现。 (3)易被人接受:模糊控制的核心是是困难控制规则，这些规则是以人类 语言表示的，如“衣服较脏，投入洗涤剂较多，洗涤时间较长”，很明显这些规则易被人所接受和理解。 (4)构造容易用:单片机等来构造模糊控制系统，其结构与一般数字控制系统无异，模糊控制算法用软件实现。 (5)鲁棒性好:模糊控制系统无论被控对象是线性的还是非线性的，都能执行有效的控制，具有良好的鲁棒性和适应性。 3.2.2模糊控制器设计步骤 (1)确定模糊控制器的结构 根据控制对象的特点、要求及专家经验，合理选择控制器的输入量、输出 19 第4章 控制系统设计 量，从而确定其结构。输入维数越多，控制会更精细，但控制规则的选取越困难，控制算法也越复杂，实现起来较困难。图 1 为常用的二维模糊控制系统的原理框 图，以偏差和偏差变化率作为输入量，输出量为系统控制值。 图3-4 模糊控制系统原理图 (2)确定模糊语言变量的语言值及其论域 图3-5中分别表示输入、输出量的模糊语言变量。综合控制精度、控制规则、控制算法的复杂程度及控制的稳定性等因素，取各语言变量的语言值为{正大、正中、正小、零、负小、负中、负大}，语言变量、的论域范围及量化等级为{-3、-2、-1、0、1、2、3}，语言变量的论域范围及量化等级为{--3、-2、-1、0、1、2、3}。 (3)确定隶属度函数 隶属度函数是论域元素对某语言值从属程度的描述，可结合工程实际，通过统计分析和专家经验来确定，一般可取三角形或高斯形隶属度函数。由隶属度函数可方便地获得各模糊语言变量的赋值表。 (4)输入量的模糊化 首先，将输入量 e、ec 的某一精确量分别乘以量化因子 ke、kec，将其量化为论域元素内的值，再由模糊语言变量的赋值表，确定输入量的模糊化结果(为一模糊子集)，实现输入量的模糊化。 (5)建立模糊控制规则 模糊控制规则的建立依赖于操作者经验和专家知识。 以偏差和偏差变化 20 第4章 控制系统设计 率为输入量的二维模糊控制器， 常采用 Mamdani 控制规则， 用条件语句表示为: “若 is Ai and is Bj， 则 is Cij”。 (6)模糊推理 控制规则中每一条件语句对应有模糊关系。全部的模糊控制规则确定的整个系统的模糊关系。 当给定输入后，依据模糊推理合成规则，求取相应的模糊控制量。 (7)输出量的逆模糊化 由模糊推理获得的控制量是模糊语言变量论域上的模糊子集，通过逆模糊化运算(如加权平均法)得到控制量的量化值 U，乘以比例因子 ku，获 得控制量的精确值，由 D/A转换输出施加给被控对象。 3.2.3模糊PID控制器的设计 一、模糊PlD控制器控制原理 模糊PlD控制器的控制原理图如图2所示: 图3-5 模糊PID控制原理图 其中给定值Yr为给定液位(输出Y为实际液位。本控制器是以液位偏差e和偏差变化?e作为输入(以?Kp、?Ki、?Kd作为输出。采用模糊推理方法对PlD参数Kp、Ki、Kd进行在线整定(以满足不同的误差P和误差变化量?e对控制器参数的不同要求(使被控对象具有良好的动态和静态性能。 二、 PID控制器参数整定原则 对模糊PlD控制器的参数Kp、Ki、Kd整定原则是:当|e|较大时，应取较大的Kp和较小的Kd。以使系统响应加快(为避免出现较大的超调。对积分作用加以限制，取Ki=0，当|e|中等时，为使系统具有较小的超调，Kp应取得小些。此时Kd的取值对系统的影响较大，要大小适中，以保证系统的响应速度，Ki的取值要适当|e| PI较小时，为使系统具有较好的稳定性能，应增加K， 21 第4章 控制系统设计 并减小Ki的取值。Kd的取值要恰当(以避免在平衡点附近出现振荡。 kkkPID控制器的参数p、i、d由式(1)计算: kp=kpr+?kp ki=kir+?ki (1) kd=kdr+?kd 式中kpr、kir和kdr为预整定值。 三、 隶属度函数和模糊规则表的确定 将偏差e和偏差变化率?e模糊化为E和EC，E和EC的模糊论域均为[-6， 仄骝-5，， -2，-1，0，，框2，，4，5，6]苹。卦?k螅?晟,攮祈?-4铙， -3 隹妃 í?洫1, 3矿网葱?ヘp、?ki、?kd的模糊论域 取为 [-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5，6]。E和EC的模糊子集均为{NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB}，?kp、?ki、?kd的模糊子集均为{NB，NM，NS，ZO，PS，PM(PB}。其中NB、NM、NS、ZO、PS、PM、PB分别表示负大、负中、负小、零、正小、正中、正大。具体的隶属度函数如图3和图4所示: 图3-6偏差E、偏差变化率EC隶属度函数图 图3-7 ?kp、?ki、?kd隶属度函数图 22 第4章 控制系统设计 模糊控制规则表见表l、表2、表3所列。 表3-8 ?kp的模糊控制规则表 23 第4章 控制系统设计 表3-9?k的模糊控制规则表 i 24 第4章 控制系统设计 表3-10 ?kd的模糊控制规则表 根据模糊控制规则表l、2、3和式(1)，可以对PID参数?kp、?ki、?kd进行动态整定。 四、控制算法流程图 25 第4章 控制系统设计 五、仿真结果与分析 图3-11 模糊PID控制流程图26 第4章 控制系统设计 这里采用模糊PID控制对单容水箱液位进行控制。使用常规PID控制和模糊PID控制仿真曲线分别如图5和图6所示: 图3-12 PID控制效果图 图3-13 模糊PID控制效果图 图5和图6中起始液位均为0mm，起始时间为0秒，液位设定值为50mm。由图可知，常规的PID控制超调较大。且调整时间较长，在系统接近稳态时振荡较大，长期使用会对执行设备造成一定的损害。模糊PID控制算法的控制曲线具有上升速度快，调节时间短的特点，且进入稳态后，模糊PID控制的输出非常平稳, 抗干扰能力较强，鲁棒性好。由仿真结果可知(模糊PID控制算法比常规PID控制算法具有更优越的控制性能。 27 第4章 控制系统设计 第4章 控制系统设计 4.1系统设计要求 1.以S7-200系列的PLC为核心，设计一个液位控制系统。 2.为能够实时监控系统，利用组态软件完成上位机监控界面。 3.为保证液位恒值不变，同时增加控制精度和稳定性，在PID的基础上加入模糊控制算法。. 4.2 PLC的选择 随着工业产生的迅速发展，市场竞争激烈，产品更新换代的周期日趋缩短。由于传统的继电器控制系统存在着设计制造周期和维修等缺点，因此越来越不能适应工业现代化发展的需要，迫切需要新型先进的自动控制装置。20世纪70年代中期，随着大陆规模集成电路和微型计算机技术的发展，美国、日本、德国等国家把微处理器引入PLC，使PLC在继电器控制和计算机 控制的基础上，逐渐发展为以微处理器为核心，把自动化、计算机、通信技术融为一体的新型自动控制装置。而且在编程方面采用了简单的语言，打破了以往必须具有计算机专业知识的人员使用计算机编程的限制，使广大工程技术人员和具有电工知识的人员乐于接受和应用，所以得到了迅速而广泛的推广。 虽然PLC的种类和规格很多，不同厂家生产的PLC，大中小型PLC的结构功能不尽相同，但德国西门子(Siemens)公司生产的S7-200系列可编程序控制器，它与日本三菱公司的F1系列可编程序控制器和日本欧姆龙公司生产的C系列的可编程序控制器相比，不仅具有结构小巧，运行速度高， 价格低廉及多功能多用途的优点，而且在工业企业，实验室中都得到了广泛的应用。基于这些特点，在本设计中我们将主要采用SIMATICS7-200系列可编程序控制器。 28 第4章 控制系统设计 4.2.1 S系列PLC发展概述 德国的西门子(SIEMENS)公司是欧洲最大的电子和电气设备制造商，在欧洲处于领先地位。其第一代可编程序控制器是1975年投放市场的SIMATIC S3系列的控制系统。在1979年，微处理器技术被应用到可编程序控制器中，产生了SIMATIC S5系列，取代了S3系列，之后在20世纪末又推出了S7系列产品。最新的SIMATIC产品为SIMATIC S7、M7和C7等几大系列。 4.2.2 S7-200 系列PLC系统的组成 从CPU模块的功能来看，SIMATIC S7-200系列小型可编程序控制器发展至今，大致经历了两代。 第一代产品其CPU模块为CPU 21X，主机都可进行扩展，它具有四种不同结构配置的CPU单元:CPU 212，CPU 214，CPU 215和CPU 216，对第一代PLC产品不再作具体介绍。 第二代产品其CPU模块为CPU 22X，是在21世纪初投放市场的，速度快，具有较强的通信能力。它具有四种不同结构配置的CPU单元:CPU 221，CPU 222，CPU 224和CPU 226，除CPU 221之外，其他都可加扩展模块。 S7-200系列是西门子公司前几年刚投入市场的小型PLC,可以单机运行, 也可以输入/输出扩展,还可以连接功能扩展模块。 1.系统基本构成 : SIMATIC S7-200系统由硬件和工业软件两大部分构成。 主机结构 : 各CPU介绍及I/O系统 (1)主机外形 SIMATIC S7-200系统CPU 22X系列PLC主机(CPU模块)的外形如4-1图所示: 状态显示存储器卡顶部端子盖电源及输出端子前盖 方式开关、电位器、扩展I/O连接 通信口29 底部端子盖 输入端子、传感器电源 第4章 控制系统设计 图4-1主机外型 (2)基本结构特点 输出信号类型、电源输出 、基本I/O 、存储安全、 高速反应、模拟电位器、 实时时钟、 2.存储系统 (1)存储系统 (2)存储器及使用 (3)存储安全 (4)存储器及使用 上装和下装用户程序 定义存储器保持范围 用程序永久保存数据 存储器卡的使用 (5)存储安全 1)主机CPU模块内部配备的EEPROM，上装程序时，可自动装入并永久保存用户程序、数据和CPU的组态数据。 2)用户可以用程序将存储在RAM中的数据备份到EEPROM存储器。 3)主机CPU提供一个超级电容器，可使RAM中的程序和数据在断电后保持几天之久。 4)CPU提供一个可选的电池卡，可在断电后超级电容器中的电量完全耗尽时，继续为内部RAM存储器供电，以延长数据所存的时间。 5)可选的存储器卡可使用户像使用计算机磁盘一样来方便地备份和装载程序和数据。 30 第4章 控制系统设计 4.3 组态软件的选择 4.3.1组态软件产生的背景 “组态”的概念是伴随着集散型控制系统(Distributed Control System简称DCS)的出现才开始被广大的生产过程自动化技术人员所熟知的。在工业控制技术的不断发展和应用过程中，PC(包括工控机)相比以前的专用系统 具有的优势日趋明显。这些优势主要体现在:PC技术保持了较快的发展速度，各种相关技术已经成熟;由PC构建的工业控制系统具有相对较低的拥有成本;PC的软件资源和硬件资丰富，软件之间的互操作性强;基于PC的控制系统易于学习和使用，可以容易地得到技术方面的支持。在PC技术向工业控制领域的渗透中，组态软件占据着非常特殊而且重要的地位。 组态软件是指一些数据采集与过程控制的专用软件，它们是在自动控制系统监控层一级的软件平台和开发环境，使用灵活的组态方式，为用户提供快速构建工业自动控制系统监控功能的、通用层次的软件工具。在组态软件出现之前，工控领域的用户通过手工或委托第三方编写HMI应用，开发时间长，效率低，可靠性差;或者购买专用的工控系统，通常是封闭的系统，选择余地小，往往不能满足需求，很难与外界进行数据交互，升级和增加功能都受到严重的限制。组态软件的出现，把用户从这些困境中解脱出来，可以利用组态软件的功能，构建一套最适合自己的应用系统。随着它的快速发展，实时数据库、实时控制、SCADA、通讯及联网、开放数据接口、对I/O设备的广泛支持已经成为它的主要内容，随着技术的发展，监控组态软件将会不断被赋予新的内容。 4.3.2组态软件的选用 随着经济发展水平的提升，信息化迅猛发展的今天。许多单位意识到了组态软件的重要性。因此，在1995年以后，组态软件在国内的应用逐渐得到了普及。大多数组态软件提供了脚本语言的支持。具体的实现方式可分为三种:一是内置的类C/Basic语言;二是采用微软的VBA的编程语言;三是有少数组态软件采用面向对象的脚本语言。国内三家亚控、力控、 MCGS各有 31 第4章 控制系统设计 优缺点，但应首推亚控和力控，因为采用VC++开发，MCGS毕竟是VB开发的，也有一定的缺陷;但MCGS软件简单、易学易懂。 4.3.3组态软件的特点 MCGS 5.5通用版组态软件是一套基于Windows 95和Windows NT平台(或更高版本)、用于快速构造和生成上位机监控系统的组态软件系统，它提供了从数据采集到数据处理、报警处理、流程控制、动画显示、报表输出等解决实际工程问题的完整方案。MCGS 5.5通用版组态软件的功能和特性如下所述:概念简单，易于理解和使用;提供了一套完整的解决方案; 真正的32位应用系统;“以实时数据库为核心，面向窗口”。 4.4设计思想 用泵作为输入源，把液位从低液位池抽到高液位池，通过MCGS和PLC加以调节，使其水箱液位达到控制要求。在液位控制过程的启动、结束或大幅度增减设定值时，短时间内系统输出有很大偏差，会造成PID运算的积分积累(致使控制量超过执行机构可能的最大动作范围对应的极限控制量(最终引起系统较大超调(甚至引起振荡(同时也增大了调节时问。因此在系统起停阶段或大幅值进给时，采用模糊控制PID控制算法(只加比例，微分运算，取消积分校正。而当实际液位与给定液位的误差小于一定值时，则恢复积分校正作用，以消除液位系统的稳态误差(利用PLC的简单、直观的梯形图编程功能，可以方便的确定模糊控制PID控制进程。实现液位系统的模糊控制PID控制，改善系统的控制性能，减少超调量，缩 短调整时间。 水位控制的特点:所谓水位控制,就是将水面(或液面)的位置限制在一定范围内的控制。其应用范围较广，例如，部分供水系统的供水方式是:先用水泵将水”泵”入一个位置较高的储水器中(水池、水箱等)，然后向低水位的用户供水。这时，须对储水器中的水位进行控制。在排水系统中，也常常有类似的控制;在锅炉及许多其他的工业设备中，也常常需要对水位或其他液位进行控制。 PLC实验原理图4-2如下: 32 第4章 控制系统设计 图4-2 PLC实验原理图 4.5 PLC控制系统的应用设计 PLC已广泛地应用在工业控制的各个领域，由于PLC的应用场合多种多样，以PLC为主控制的控制系统越来越多。应当说，在熟悉PLC的基本工作原理和指令系统之后，就可以结合实际进行PLC控制系统的应用设计，使PLC能够实现对生产机械或生产过程的控制。由于PLC的工作方式和通用微机不完全一样，因此，用PLC设计自动控制系统与微机控制的开发过程也不完全相同，需要根据PLC的特点进行系统设计。PLC控制系统与继电器控制系统也有本质区别，硬件和软件可分开进行设计是PLC的一大特点。 4.5.1 PLC控制的系统的总体设计 PLC控制系统总体设计是进行PLC应用设计时至关重要的第一步。首先应当根据被控对象的要求，确定PLC控制系统的类型。 PLC控制系统的类型: 以PLC为主控制器的控制系统有以下4种控制类型 1.单机控制系统 33 第4章 控制系统设计 单机控制系统是由1台PLC控制1台设备或1条简易生产线，如图4-3所示。单机系统构成简单，所需要的I/O点数较少，存储器容量小，可任意选择PLC的型号。注意:无认目前是否有通信联网的要求，都应当选择有通信功能的PLC，以适应将来系统功能扩充的需要。 集中控制系统 2.集中控制系统是由1台PLC控制多台设备或几条简易生产线，如图4-4所示。这种控制系统的特点是多个被控对象的位置比较接近，且相互之间的动作有一定的联系。由于多个被控对象通过同1台PLC控制，因此各个被控对象之间的数据、状态的变化有需要另设专门的通信线路。 图4-3单机控制系统 图4-4集中控制系统 集中控制系统的最大缺点是如果某个被控对象的控制程序需要改变或 PLC 出现故障时，整个系统都要停止工作，对于大型的集中控制系统，可以 34 第4章 控制系统设计 采用冗余系统来克服这个缺点，此时要求PLC的I/O点数和存储器容 量有较大的余量。 远程I/O控制系统 这种控制系统是集中控制系统的特殊情况，也是由1台PLC控制多个被控制多个被控对象，但是去有部分I/O系统远离PLC主机，如4-5图所示 图4-5远程I/O控制系统 3.远程I/O控制系统适用于具有部分被控对象远离集中控制室的场合。PLC主机与远程I/O通过同轴电缆传递信息，不同型号的PLC所能驱动的同轴电缆的长度不同，所 能驱动的I/O通道的数量也不同，选择PLC型号时，要重点考察驱动同轴电缆的长度和远程I/O通道的数量。 4.分布式控制系统 这种系统有多个被控对象，每个被控对象由1台具有通信功能的PLC控制，由上位机通过数据总线与多台PLC进行通信，各个PLC之间也有数据交换，如图4-6所示。 35 第4章 控制系统设计 图4-6分布式控制系统 分布式控制系统的特点是多个被控对象分布的区域较大，相互之间的距离较远，每台PLC可以通过数据总线与上位机通信，也可以通过通信线与其他的PLC交换信息。分布式控制系统的最大好处是某个被控对象或PLC出现故障时，不会影响其他的PLC正常运行。 PLC控制系统的总体设计原则是:根据控制任务，在最大限度地满足 生产机械或生产工艺对电气控制要求的前提下，运行稳定，安全可靠，经济实用，操作简单，维护方便。 下面就几个主要步骤，做进一步的解释和说明: 1.明确设计任务和技术条件 在进行系统设计之前，设计人员首先应该对被控对象进行深入的调查和分析，并熟悉工艺流程及设备性能。根据生产中提出来的问题，确定系统所要完成的任务。与此同时，拟定出设计任务书，明确各项设计要求、约束条件及控制方式。设计任务书是整个系统设计的依据。 2.选择PLC机型 内外PLC生产厂家生产的PLC品种已达数百个，其性能各有特点，价格也不尽相同。在设计PLC控制系统时，要选择最适宜的PLC机型，一般应考虑下列因素: (1)系统的控制目标:设计PLC控制系统时，首要的控制目标就是:确保控制系统安全可靠地稳定运行，提高生产效率，保证产品质量等。如果要求 36 第4章 控制系统设计 以极高的可靠性为控制目标，则需要构成PLC冗余控制系统，这时要从能够完成冗余控制的PLC型号中进行选择; (2)PLC的硬件配置:根据系统的控制目标和控制类型，从众多的PLC生产厂中初步选择几个具有一定知名度的公怀，如SIEMENS，OMRON，A-B等，另一方面，也要征求和听取生产厂家的 意见 文理分科指导河道管理范围浙江建筑工程概算定额教材专家评审意见党员教师互相批评意见 。再根据被控对象的工艺 要求及I/O系统考虑具体配置问题。 PLC硬件配置时的主要考虑以下几方面: (1)CPU能力:PU的能力是PLC的指标，在选择机型时，首先要考虑如何配置CPU，主要从处理器的个数及位数、存储器的容量及可扩展性以及编程元件的能力等方面考虑; (2)I/O系统:LC控制系统的输入/输出点数的多少，是PLC系统设计时必须知道的参数，由于各个PLC生产厂家在产品手册上给出的最大I/O点数所表示的确切含义有一些相异，有的表示输入/输出的点数之和，有的则分别表示最大输入点数和最大输出点数。因此要根据实际的控制系统所需要的I/O点数，在充分考虑余量的基础上配置输入/输出点; (3)指令系统:LC的种类很多，因此它的指令系统是不完全相同的。可根据实际应用场合对指令系统提出的要求，选择相应的PLC。PLC的控制功能是通过执行指令来实现的，指令的数量越多，PLC的功能就越强，这一点是毫无疑问的。另一方面应用软件的程序结构以及PLC生产三家为方便用户利用通用计算机(IBM-PC及其兼容机)编程及模拟调试而开发的专用软件的能力也是要考虑的问题; (4)响应速度:数字量控制为主的PLC控制系统，PLC的响应速度都可以满足要求，不必特殊考虑。而对含有模拟量的PLC控制系统，特别是含有较多闭环控制的系统，必须考虑PLC的响应速度。 其他还要考虑工程投资及性能价格比，备品配件的统一性，以及相关的技术培训、设计指导、系统维修等技术支持。 3.系统硬件设计 PLC控制系统的硬件设计是指对PLC外部设备的设计。在硬件设计中，要进行输入设备的选择(如操作按钮、开关及计量保护装置的输入信号等)， 37 第4章 控制系统设计 执行元件的选择(如接触器的线圈、电磁阀的线圈、指示灯等)，以及控制台、柜的设计和选择，操作面板的设计。 通过对输入、输出设备的分析、分类和整理，进行相应的I/O地址分配，在I/O设备表中，应包含I/O地址/设备代号、设备名称及控制功能，应尽量将相同类型的信号，相同电压等级的信号地址安排在一起，以便于施工和布线，并依此绘制出I/O接线图。对于较大的控制系统，为便于软件设计，可根据工艺流程，将所需要的定时器、计数器及内部辅助继电器、变量寄存器也进行相应的地址分配。 4.系统软件设计 控制系统软件的设计就是用梯形图编写控制程序，可采用经验设计法或逻辑设计法。对于控制规模较大的系统，可根据工艺流程图，将整个流程分解为若干步，确定每步的转换条件，配合分支、循环、跳转及某些特殊功能，以便很容易地转换为梯形图设计。也可根据原系统的控制线路图，将某些桥式电路按照梯形图的编程规则进行改造后，直接转换为梯表图。这种方法设计周期短 ，修改、调试程序简单方便。软件设计可以与现场施工同步进行，以缩短设计周期。 5.系统的局部模拟运行 调试控制程序时，上述步骤后，便有了一个PLC控制系统的雏形，接 着便进行模拟调试。在确保硬件工作正常的前提下，再进行软件调试。 6.控制系统联机调试