基于PLC和WinCC的水箱液位模糊控制研究与应用.pdf

2 0 1 1 年第 5期 工业仪表 与 自动化装 置 7 7 基 于 P LC 和 Wi n CC 的 水 箱 液位 模 糊 控 制 研 究 与 应 用 罗庚兴 广东松 山职业技 术学院 广东 韶关 5 1 2 1 2 6 摘要 采用 S 7 3 0 0的 C P U 3 1 5 2 D P设计了一个单容水箱的液位模糊控制 器 该模糊控制 器 克服 了传统 P I D控制对被控对 象精确数 学模型的依赖 通过查询预先计算 出的模糊控制量表直接 实现智能控制 通过在 Wi n C C中的参数连接与设置 实现液位运行画面的监测 实验结果表 明该 控制 系统运行可靠有效 其鲁棒性明显优 于传统的 P I D控制方法 关键词 P L C Wi n C C 模糊控制器 液位控制 组态监控 中图分类号 T P 2 7 3 5 文献标志码 A 文章编号 1 0 0 0 0 6 8 2 2 0 1 1 0 5 0 0 7 7 0 5 Re s e a r c h a nd a ppl i c a t i o n o f wa t e r t an k f u z z y l e v e l c o nt r o l s y s t e m b a s e d o n PLC a nd W i nCC LUO Ge n g x i n g G u a n g d o n g S o n g s h a n P o l y t e c h n i c C o l l e g e G u a n g d o n g S h a o g u a n 5 1 2 1 2 6 C h i n a Abs t r a c t CP U3 1 5 2DP o f S 7 3 0 0 i s u s e d t o d e s i g n e d a l e v e l f u z z y c o n t r o l l e r f o r s i ng l e c a pa c i t y wa t e r t a n k s whi c h h a s o v e r c o me t h e r e l i a n c e t h e o n p r e c i s e ma t h mo d e l o f t h e t r a d i t i o n a l PI D c o nt r o 1 T he i nt e l l i g e n t c o n t r o l i s a c h i e v e d d i r e c t l y b y q u e r y i ng t h e pr e c alc u l a t e d f u z z y c o n t r o l t a b l e S u p e r v i s i n g t h e l e v e l r un n i n g p a g e s i s a c hi e v e d b y c o nn e c t i n g a n d s e t t i n g u p p a r a me t e r s i n W i nCC T h e e x p e r i me n t r e s u i t s s h o w t h a t t h e c o nt r o l s y s t e m f u n c t i o n s r e l i a b l y a n d e f f e c t i v e l y a n d i t s r o b u s t n e s s i s b e t t e r t ha n t h e o n e o f t h e t r a d i t i o na l PI D c o n t r o 1 Ke y wo r ds PLC W i n CC f u z z y c o n t r o l l e r l e v e l c o n t r o l c o n f i g u r a t i o n s u p e rvi s i o n 0 引言 液位控制系统是工业生产 中比较典型的控制应 用之一 液位控制对象一般具有纯滞后 大惯性 因 此液位变化缓慢 系统一般呈非线性 使得找到一 组合适 的 P I D参数相当困难 用经典 P I D控制器来 实现控制时 其效果不理想 系统响应 的调节 时间较 长 模糊控制器是依照人工操作思维程序工作 与 传统控制方法相 比 模糊控制无需建立数学模型 被 控对象的特性和参数变化对控制质量的影响较小 鲁 棒性强 对于非线性和大时滞对象采用模糊控制的 效果要 比 P I D效果好 J 因此很适合液位过程控制 收稿 日期 2 0 1 1 0 4 2 1 基金项目 广东韶钢集团公司科研项目 基于 P L C的模糊 P I D 控制在水箱液位控制 的实验研究 K 1 0 4 0 1 作者简介 罗庚兴 1 9 7 2 男 湖南 郴 州人 1 9 9 6年 毕业于 东北 重 型机械 学院 副教授 硕士 主要研 究方 向为 P L C控制及 自动化 1 液位模糊控 制系统的结构 单容水箱是指 只有一个储 蓄容量 的水箱 图 1 是典 型单 容 自衡 液位 过 程控 制 系 统 的结 构 示 意 图 利用水泵将蓄水池 中的水抽 出 通过 电动调 节阀 V调节进水流量 采用单 闭环控制水箱液位 使水箱液位保持恒定 液位变送器 L T对水箱液 位 进行实时测量 图 1 自衡单容液位控制系统结构图 一 一 一 二一 一 搴 7 8 工业仪表与 自动化装置 2 0 1 1 年第 5期 单容水箱过程控制对象是一个非线性一阶滞后 五 系统 过程传递 函数模 型可近似 G s e 1 十l 是典型的含纯 滞后 的一阶惯性 环节 时 间常数 与水箱截面积 水 阻和液体密 度有关 时间常数 越 小 系统对输入的反应越快 反之 若时间常数较 大 容器面积较 大 则反应较慢 延时 与调节 阀 和水箱入 口的距离有关 电动调节阀 V选用深圳东仪 T O Y I 0 5 R S Z 额 定电压 2 2 0 V A C 额定电流 0 2 A 输出功率 5 0 N m 输入电流 4 2 0 m A 动作时 间 1 0 S 输 出信号 4 2 0 m A 环境 温度 一1 O 6 0 液位传感器选用上 海奇正 P T 3 1 0 1 0 K 3 3 3 精度 0 5 F S 测量 范围 为 0 1 0 k P a 输 出信号 为 4 2 O m A 控 制器 L I C 选用西门子公司的 S 7 3 1 5 2 D P P L C 订货号 3 1 5 2 A G 1 0 0 A B 0 数字量输入模块选用 3 2 1 1 B L 0 0一 O A A O 数字量输 出模块 选用 3 2 2 1 B H 0 1 0 A A 0 模拟量输入模 块选用 3 3 1 7 K F 0 2 0 A B O 模拟 量 输出模块选用 3 3 2 5 HD 0 1 0 A B 0 2 模糊控制器的设计 2 1 模糊控制系统结构 模糊控制系统的设计 以基本二维模糊控制器的 设计为基础 图 2所示为结构框 图 模糊控制器包 括输入量模糊化 模糊推理和解模糊 3个部分 图 中 r 为设 定值 Y为测量值 M为输 出值 e为误 差 计算公式为 e r Y e c 为误差变化率 计算公式为 e c e 一e 式 中 e 为 当前采样 的误差 e 为上次采 样的误差 E和 E C分别为 e和 e c模糊 化后 的模糊 变量 为输 出模 糊变量 u为 J 解模 糊化 后的输 出增量 为精确输 出量 K e K e c 分别为 e e c的模糊量化 因子 K u为 lZ的比例 因子 图 2 模糊控制器基本结构 2 2模糊变量 设定模糊变量 E的模糊论域 为 一3 3 并将 其量化为 7个等级 一3 一 2 一1 0 1 2 3 设定 模糊变量 E C的模糊论域为 一 2 2 并将其量化为 5个等级 一 2 一1 0 l 2 输出模糊变量 U的 模糊论域为 一 4 4 并量化为 9个等级 一 4 一 3 一 2 一1 0 1 2 3 4 设定模糊变量的语言值集合 设定输入模糊变 量 E的语言值集合 为 负大 N B 负 中 N M 负 小 N S 零 Z O 正 小 P S 正 中 P M 正 大 P B 7级语 言变 量 设定输 入模 糊变量 E C语 言 值集合为 负大 N B 负小 N S 零 Z O 正小 P S 正大 P B 5级语言变量 设定输 出模 糊变 量 的语言值集 合为 负大 N B 负 中 N M 负小 N S 负微 N W 零 Z O 正微 P W 正 小 P S 正中 P M 正大 P B 9级语言变量 输入模糊变量 E E C和输 出模糊变量 取三 角形隶属函数 2 3模糊控制规则库 模糊变量 E有 7级语言变量 模糊变量 E C有 5 级语言变量 所以输出模糊变量 总共有 3 5条模 糊控制规则 根据基本控 制理论 和经验 将模糊控 制规则绘制成模糊控制规则表 如表 1所示 表 1 模糊控制规则表 U 根据模糊控制规则表 选用 Ma md a n i 的极大 一 极小推理法进行模糊推理合成 可得 到输 出控制模 糊变量 6 J 解模糊方法选 用加权平均法 加权 平均法 较适 合 输 出模 糊 集 的隶 属 度 函数 是 对 称 情况 采用 M A T L A B的模糊逻辑工具箱进行分析仿 真和计算 离线求 出每一对模糊论域 上的输入 E E C 所对应的输出控制变量 求取对应的输出控 制变量 的值 如表 2所示 一 附 聘 雎 阳 一 一 黔 腿 一 附 加一 一 M M B B M O 一 一 一 聘 一 阳 2 0 1 1年第 5期 工业仪表与 自动化装置 7 9 表 2 模糊控 制查询表 一2 4 1 4 EC O 一4 1 3 2 O 一4 3 2 4 2 1 3 1 0 1 0 1 0 2 2 2 1 0 1 1 3 2 4 3 4 3 模糊控 制器的 P L C实现 3 1程序结构及流程图 模糊控制算法的程序结构如图 3所示 O B 1 是 主程序 用 于控制 系统启停 和调用 子程序 F C 1 0和 F C 1 2 功能 F C I O用于实现输人输出模拟量的规 范 化处理 误差 e 和误差变化率 e c 超限处理 将 e 和 e c 模糊化 为 E和 E C 并对 E和 E C超 限处 理 功 能 F C 1 2用于实现查模 糊控制 表 求 得输 出模 糊增 量 U O B 3 5是循环中断组织块 实现每采样时刻调 用功能 F C 1 1 功能 F C 1 1用于定时计算 e和 e c 将 解模糊为 a 2 计算 a 图 3 程序结构 框图 数据 块 D B 1 0用 于存 放设定值 测 量值 输 出 值 误差和误差变化率及其量化值 量化 因子 比例 因子等参数 数据块 D B 1 1 用于存放模糊控制查询 表 的数据 模糊控制设计流程如图 4所示 图 4 模糊控制算法 流程 图 3 2 数据块设计 所有与上位计算机通信的数据放在共享数据块 D B I O中 其 参数及数据类 型如表 3所 示 为 了 运算精确 输入输 出变量 误差和误差变化率 量 化 因子等参数均设置成实 型数 据 因为 P L C的内部 存储器地址是 3 2位 的 误差和误差变化率的量化值 E和 E C必须设置成 3 2位的整型数据 表 3 参数数据块 根据模糊控制查询表中 u的值 按 由左到右 由上 到 下 的 顺 序依 次 填 人 共 享 数 据 块 D B 1 1的 2 0 1 1年第 5 期 工业仪表与 自动化装 置 8 1 入曲线图 可以监控液位的设定值 测量值和调节 阀 开度输出值的运行情况 图 5中 设 置误差量化 因 子为 0 6 7 误差变化率量化因子为 1 5 0 输 出比例 因子为 1 0 当设定液位从 1 2 a m跃变到 2 2 a i R时 设定值 测量值和输出值的变化曲线如图6 a 所示 图 6 b为液位系统采用 P I D调节 的曲线 K p 8 3 2 8 0 0 s 0 0 s 采样周期均为 1 S 设定 3 0 o 2 5 0 2 0 o 1 5 o I O 0 5 0 o o a 模糊控制 l 1 0 4 0 8 I l 1 8 3 8 1 l l 9 5 0 1 1 2 1 0 2 1 1 2 2 1 4 J I 2 3 2 0 l 1 2 4 3 8 b 传统 P I D控制 图6 单容液位控制响应曲线 对比图6的响应曲线 传统 P I D控制 系统调节 时间长 稳定性较差 误差较 大 1 0 而且调节 阀开关频率大 容易疲劳 影响工作寿命 模糊控制 系统无超调 误差较小 4 以内 调节 阀开度基 本稳定 实验结果表 明 无论在 响应调节时间还是 稳定性及鲁棒性等方面 基 于 P L C的模糊控制优 于 传统 的经典 P I D控制方法 5结论 将 P L C与模糊控制相结合 能较简便地通过软件 实现模糊控制策略 通过上位机 Wi n C C实时监控 能较 方便地修订量化因子和 比例因子 使控制系统更加稳 定 在很大程度上提高了控制系统的智能化程度 参考 文献 1 李兵 方敏 汪洪波 模糊 P I D液位控制系统的设计与 实现 J 合肥工业大学学报 自然科学版 2 0 0 6 1 1 1 37 0 1 3 7 4 2 郭阳宽 王正林 过程控制工程及仿真 基于 MA T L A B S i m u l i n k M 北京 电子工业 出版社 2 0 0 9 3 胡开明 李跃忠 钱敏 基于模糊 P I D与组态技术的 液位控制系统的研究 J 机床与液压 2 0 0 9 9 1 50 1 52 4 褚静 模糊控制原理与应用 M 北京 机械工业出版 社 1 9 9 8 5 谢仕宏 MA T L A B R 2 0 0 8控制系统动态仿真实例教程 M 北京 化学工业出版社 2 0 0 9 6 罗庚 兴 P I D参数 模糊 自整定 控制器 在加 热炉煤 气 流 量控制中的应用 J 南方金属 2 0 0 7 5 2 5 2 8 7 罗庚兴 宁玉珊 大中型 P L C应用技术 M 北京 北 京师范大学出版集团 2 0 1 0 8 瞿枫 徐中宏 孙冀 基于西门子 s 7 3 0 0 P L C的模糊 控制实现 J 南京师范大学学报 工程技术版 2 0 0 7 1 2 2 3 2 7 9 罗庚兴 宁玉珊 基 于 Wi n C C和 S T E P 7的 P I D控制 J 机电工程技术 2 0 0 9 1 3 9 4 2 1 0 西门子 中国 有限公司自动化与驱动集团 深