基于PLC的自整定PID温度控制设计(论文)

1、毕业设计（论文）题 目：基于PLC的自整定PID温度控制设计 学 生： 指导老师： 许思猛 系 别： 电子信息与电气工程系 专 业： 电气工程及其自动化 班 级： 电气0702 学 号： 0207103217 2011年6月福建工程学院本科毕业设计(论文)作者承诺保证书本人郑重承诺： 本篇毕业设计(论文)的内容真实、可靠。如果存在弄虚作假、抄袭的情况，本人愿承担全部责任。学生签名：年 月 日福建工程学院本科毕业设计(论文)指导教师承诺保证书本人郑重承诺：我已按有关规定对本篇毕业设计(论文)的选题与内容进行了指导和审核，该同学的毕业设计（论文）中未发现弄虚作假、抄袭的现象，本人愿承担指导教师的相

2、关责任。指导教师签名： 年 月 日目 录摘 要IAbstractII1 绪论1 1.1课题的背景和意义1 1.2 PID参数整定方法的发展现状1 1.3模糊控制发展现状2 1.4温度控制系统的发展现状2 1.5论文的主要内容及组织结构32 PID控制4 2.1 PID控制原理4 2.2 PID 三个参数的调节作用5 2.3 PID 参数整定算法的温度控制系统研究6 2.3.1 PID 参数整定的概念6 2.3.2 PID控制器参数对控制性能的影响6 2.3.3 PID 参数整定的方法73 基于模糊控制的PID参数整定9 3.1模糊控制9 3.1.1模糊控制系统的组成9 3.1.2模糊控制器的设

3、计方法9 3.2模糊PID参数自整定原理10 3.3 模糊PID参数自整定设计114模糊PID参数自整定控制的PLC 实现16 4.1可编程控制器及实验配置16 4.1.1可编程控制器的概述16 4.1.2可编程控制器的基本组成16 4.1.3实验配置和软件环境16 4.2 模糊PID 控制的PLC 实现17 4.2.1 程序设计流程17 4.2.2 输入量等级量化的梯形图设计18 4.2.3 模糊控制表程序20 4.2.4 反模糊化程序20 4.2.5 参数可调的PID 运算程序215组态软件设计以及系统分析23 5.1组态王软件概述23 5.2监控系统功能设计23 5.2.1 组态软件的设

4、计要求23 5.2.2 组态功能设计23 5.3组态界面设计24 5.4 组态测试25 5.5 曲线分析256 总结与展望27致谢28参考文献29附录41基于PLC的自整定PID温度控制设计摘 要温度是各种工业生产和科学实验中最普遍、也是最重要的热工参数之一。温度控制的精度对产品或实验结果会产生重大的影响。温度控制的模式多样，而PLC可靠性高，抗干扰能力强，易学易用，采用PLC控制是其中一种比较优越的控制。本文首先分析了目前温度的控制方法，找出传统PID控制的不足,针对PID固定参数在非线性环境下难以保证系统性能的缺陷，提出采用模糊策略增强PID控制在非线性系统中的有效性，即采用模糊推理的方式

5、自整定PID控制参数,基于对温度的结构特点和控制性能要求，论文提出了模糊PID控制的基本框架和模糊规则、论域等相关参数的整定方法，设计了模糊PID温度控制器的控制策略, 在此基础上以西门子S7-200 PLC为处理器实现了具有自整定功能的PID温度控制系统。论文将该模糊PID控制器用于温度控制系统，提出了PLC的程序实现方法，从而完成了模糊PID控制的应用。人机界面采用的是国内的一个比较流行的组态王软件。组态王可以实现在线监控。组态项目中制作了曲线画面和监控画面，用户可方便地查询PLC的运行情况、数据采集和在线控制。最后设计并实现了基于自整定模糊PID控制器的温度控制系统的主要程序。关键词：温

6、度控制,PLC,模糊控制,PID参数整定,组态王Study of self-tuning PID controller in Temperature Control System Based on PLCABSTRACTTemperature is the most universal and important industrial parameter in all kinds of technical produce and scientific experiment. The manipulative precision of temperature will take a great

7、effect on production or experimental result. The mode of temperature control is various. The programmable logic controller (PLC) is Reliable not easily to be jamming and easily to be learned and used , welcomed by workers and widely used in industry.The thesis analyzes the control strategy currently

8、 used, in order to find out the Shortages about traditional PID control. Considering the bad Performance of the Sintering Process brought by fixed PID Parameters, a fuzzy control method is developed to enhance PID control， in which fuzzy inference is used to modify PID control Parameters . Based on

9、the requirements of sintering fumace and control performance， some key issues， such as framework of fuzzy PID control，based on this PLC implementation with control system of the function of self-tuning PID temperature, the methods of adjustment of the fuzzy rules and the parameters, are presented in

10、 the thesis to provide the complete temperature control of sintering furnace. The programs of PLC are developed to realize the industrial implements. We have designed Human Machine Interface（HMI）with the Kingview configuration soft which is developed by domestic company . The Kingview can monitor an

11、d control the PLC on line. We also have designed several menu, including the historical curve screen and monitoring screen. Users can easily query the operation of PLC, data acquisition and on-line control.Finally the procedures of the temperature control system based on the self-tuning PID controll

12、er is designed and implementedKey Words：Temperature control, PLC, Fuzzy-PID Control , PID parameter tuning, Kingview1 绪论1.1课题的背景和意义随着控制理论的不断发展，各项控制场合诸如温度、压力及流量等参数的控制及测量都得到了长足的发展。而温度控制是其中最重要的一项。以传统的单片机为核心的温度控制系统，由于受到处理器自身硬件资源和速度的限制，硬件电路设计复杂，数据实时处理能力差，温度调节时间长。随着可编程序控制器(简称PLC)技术的不断发展，它有着高可靠性、逻辑控制的设计实现方

13、便灵活等优点。将模糊控制与PLC 控制技术相结合，利用PLC 实现模糊控制实现PID参数自整定，将会有越来越广泛的应用。它既保留了PLC 控制系统控制可靠、灵活、适应能力强等特点，又提高了控制系统的智能化程度，是现代自动控制系统的发展趋势之一。 PID以其算法简单、鲁棒性好和可靠性高的特点，被广泛应用于工业过程控制。由于其结构简单，容易被理解和实现，也成为应用最广泛的控制算法。在温度控制软件上如果采用PID控制算法，便能使得温度调节具有速度快、精度高的特点。 本课题研究的主要目的是运用模糊理论进行PID参数整定，并以PLC为处理器，设计出一套基于PID参数自整定的温度控制系统。本课题对PID参

14、数整定的方法具有一定的实际运用价值，并把PID控制理论应用到温度控制系统当中，为从事过程控制系统的软件和硬件设计人员提供了一个很好的应用实例。1.2 PID参数整定方法的发展现状根据研究方法，PID参数整定方法可分为基于频域的PID参数整定方法和基于时域的PID参数整定方法；按照被控对象的个数，可分为单变量PID参数整定方法和多变最PID参数整定方法；按照控制量的组合形式，可分为常规PID参数整定方法与智能PID参数整定方法，前者包括现有大多数整定方法，后者是最近几年研究的热点和难点。一般来说，PID参数整定方法可以分为这样几类：基于模型的自整定方法、基于规则的自整定方法、智能PID参数整定方

15、法、多变量P1D参数整定方法。目前，主要将模糊逻辑、神经网络、混沌、进化算法(遗传算法、进化策略、进化规划)、免疫算法以及量子计算等自然计算应用于PID参数整定，是目前PID参数整定方法研究的热点。1.3模糊控制发展现状模糊控制是以模糊集合理论为基础的一种新兴的控制手段，它是模糊系统理论和模糊技术与自动控制技术相结合的产物。模糊控制的核心就是利用模糊集合理论，把人的控制策略的自然语言转化为计算机能够接受的算法语言所描述的控制算法，这种方法不仅能实现控制，而且能模拟人的思维方式对一些无法构造数学模型的被控对象进行有效的控制。进入90年代，由于国际上许多著名学者的参与以及工程应用中取得了大量的成功

16、，尤其对那些大量的无法用经典与现代控制理论建立精确数学模型的复杂系统，模糊控制特别显得成绩非凡，因而导致了更多人的参与研究。实际上模糊控制已经作为智能控制的一个主要分支确定下来。在国际大趋势的推动下，模糊控制已开始向多元化发展。除了上面所述的模糊控制的几大方面外，模糊多变量控制、模糊预测控制、模糊变结构控制、模糊模式识别等研究，也都属于较为前沿的研究方向。进入21世纪，对于经典模糊控制系统稳态性能的改善，模糊集成控制、模糊自适应控制、专家模糊控制与多变量模糊控制的研究，特别是针对复杂系统的自学习与参数(或规则)自调整模糊系统方面的研究，尤其受到学者们的重视。近几年，对模糊控制的研究越来越深入，

17、应用也越来越广泛。1.4温度控制系统的发展现状近年来，在我国以信息化带动的工业化正在蓬勃发展，温度已成为工业对象控制中一种重要的参数，特别是在冶金、化工、机械等各类工业中，广泛使用各种加热炉、热处理炉、反应炉等。由于炉子的种类及原理不同，因此所采用的加热方法及燃料也不同，如煤气、天然气、油电等。对于不同生产情况和工艺要求下的温度控制，所采用的加热方式，选用的燃料，控制方案也有所不同。例如冶金、机械、食品、化工等各类工业生产中广泛使用的各种加热炉、热处理炉、反应炉等；燃料有煤气、天然气、油、电等；控制方案有直接数字控制(DDC)，推断控制，预测控制，模糊控制(Fuzzy)，专家控制(Expert

18、 Contr01)，鲁棒控制(Robust Contr01)，推理控制等。随着PLC 技术的不断发展，将模糊控制与PLC 控制技术相结合，利用PLC 实现模糊控制，将会有越来越广泛的应用。它既保留了PLC 控制系统控制可靠、灵活、适应能力强等特点，又提高了控制系统的智能化程度，是现代自动控制系统的发展趋势之一。因此，PLC也越来越多的被用到温度控制系统中。1.5论文的主要内容及组织结构第一章，即绪论，分别对最后是本课题的背景与意义、PID控制的发展现状、PID参数自整定算法的发展现状、模糊控制的发展状况、以及本文所设计的温度控制系统的发展现状进行介绍。第二章，本章主要介绍PID的控制理论，包括

19、：PID的控制原理、PID三个参数的调节作用，以及介绍PID参数整定算法的概念和方法，分析PID控制器参数对控制性能的影响。第三章，本章主要介绍的是模糊PID的参数整定。分析模糊控制的基本原理、模糊控制系统的组成、模糊控制器的设计方法、模糊PID参数自整定原理以及模糊PID参数自整定设计。第四章，本章首先介绍PLC的概述以及组成，并介绍温度控制系统所要用到的模块与功能。详解模糊PID自整定控制在PLC的实现。第五章, 本章首先介绍组态软件的概述和界面设计，以及对温度曲线进行了分析。第六章，总结与展望，总结本文所做，并说明本课题仍需解决的问题。2 PID控制在模拟控制系统中，控制器最常用的是PI

20、D控制。PID是“比例一积分一微分”的缩写，它从比例、积分和微分三个环节来实现对系统的控制。常规PID控制系统由模拟PID控制器和被控对象组成。PID控制是最早发展起来的控制策略之一，由于其算法简单、鲁棒性好和可靠性高，被广泛应用于工业过程控制，至今大概有90%左右的控制回路具有PID结构。在实际生产过程中，由于受到参数整定方法烦杂的困扰，常规 PID控制器参数往往整定不良、性能欠佳，对运行环境参数变化的适应性较差。针对上述问题，长期以来，人们一直在寻求PID控制器参数的自整定技术，以适应复杂的工况和高指标的控制要求。2.1 PID控制原理常规PID控制器系统原理框图如图2-1所示，系统主要由

21、PID控制器和被控对象组成。比例环节微分环节积分环节被控对象rineyout图2-1 PID控制器系统原理图PID控制器作为一种线性控制器，它根据给定值和实际输出值构成控制偏差，将偏差按比例、积分和微分通过线性组合构成控制量，从而对被控对象进行控制，故称为PID控制器。2.2 PID 三个参数的调节作用PID 控制器就是根据系统的误差，利用比例、积分、微分计算出控制量进行控制的。它由比例单元（P）、积分单元（I）和微分单元（D）组成。比例（P）调节作用：比例调节依据“偏差的大小”来动作，它的输出与输入偏差的大小成比例。比例调节及时，有力，但有余差。它用比例度来表示其作用的强弱，比例度越小，调节

22、作用越强。相反，比例度越大，调节作用就越弱；比例作用太强时，会引起震荡。比例调节作用是按比例反应系统的偏差，系统一旦出现了偏差，比例调节立即产生调节作用用以减少偏差。比例作用大，可以加快调节，减少误差，但是过大的比例，使系统的稳定性下降，甚至造成系统的不稳定。积分（I）调节作用：积分调节依据“偏差是否存在”来动作，它的输出与偏差对时间的积分成比例，只有当余差消失时。积分作用才会停止，其作用是消除余差。但积分作用使最大动偏差增大，延长了调节时间。它用积分时间 T 来表示其作用的强弱，T 越小，积分作用越强，但积分作用太强时，也会引起震荡。积分调节作用是使系统消除稳态误差，提高无差度。因为有误差，

23、积分调节就进行，直至无差，积分调节停止，积分调节输出一常值。积分作用的强弱取决与积分时间常数 Ti，Ti 越小，积分作用就越强。反之 Ti 大则积分作用弱，加入积分调节可使系统稳定性下降，动态响应变慢。积分作用常与另两种调节规律结合，组成 PI 调节器或 PID 调节器。微分（D）调节作用：微分调节依据“偏差变化的速度”来动作。它的输出与输入偏差变化的速度成比例，其效果是阻止被调参数的一切变化，有超前调节的作用，对滞后大的对象(温度)有很好的效果。它使调节过程偏差减小，时间缩短，余差也减小(但不能消除)。它用微分时间 T d来表示其作用的强弱，T d大，作用强，但 T d太大，也会引起振荡。微

24、分作用反映系统偏差信号的变化率，具有预见性，能预见偏差变化的趋势，因此能产生超前的控制作用，在偏差还没有形成之前，已被微分调节作用消除。因此，可以改善系统的动态性能。在微分时间选择合适情况下，可以减少超调，减少调节时间。微分作用对噪声干扰有放大作用，因此过强的加微分调节，对系统抗干扰不利。此外，微分反应的是变化率，而当输入没有变化时，微分作用输出为零。微分作用不能单独使用，需要与另外两种调节规律相结合，组成 PD 或 PID 控制器。2.3 PID 参数整定算法的温度控制系统研究PID 控制中一个至关重要的问题，就是控制器三参数（比例系数、积分时间、微分时间）的整定。整定的好坏不但会影响到控制

25、质量，而且还会影响到控制器的鲁棒性。此外，现代工业控制系统中存在着名目繁多的不确定性，这些不确定性能造成模型参数变化甚至模型结构突变，使得原整定参数无法保证系统继续良好的工作，这时就要求 PID 控制器具有在线修正参数的功能，这是自从使用 PID 控制以来人们始终关注的重要问题之一。本章在介绍 PID 参数整定概念的基础上，介绍了 PID 参数整定的几种方法。2.3.1 PID 参数整定的概念PID 参数整定概念中包括参数自动整定(auto-tuning)和参数在线自校正(self tuning on-line)两个概念。具有自动整定功能的控制器，能通过一按键就由控制器自身来完成控制参数的整定

26、，不需要人工干预，它既可用于简单系统投运，也可用于复杂系统预整定。运用自动整定的方法与人工整定法相比，无论是在时间节省方面还是在整定精度上都得以大幅度提高，这同时也就增进了经济效益。自校正控制则为解决控制器参数的在线实时校正提供了很有吸引力的技术方案。自校正的基本观点是力争在系统全部运行期间保持优良的控制性能，使控制器能够根据运行环境的变化，适时地改变其自身的参数整定值，以求达到预期的正常闭环运行，并有效地提高系统的鲁棒性。具有自动整定功能和具有在线自校正功能的控制器被统称为自整定控制器。一般而言，如果过程的动态特性是固定的，则可以选用固定参数的控制器，控制器参数的整定由自动整定完成。对动态特

27、性时变的过程，控制器的参数应具有在线自校正的能力，以补偿过程时变。2.3.2 PID控制器参数对控制性能的影响(1)比例作用对控制性能的影响比例增益的引入是为了及时地反映控制系统的偏差信号，一旦系统出现了偏差，比例调节作用立即产生调节作用，使系统偏差快速向减小的趋势变化。当比例增益凡大的时候，PID控制器可以加快调节，但是过大的比例增益会使调节过程出现较大的超调量，从而降低系统的稳定性，在某些严重的情况下，甚至可能造成系统不稳定。(2)积分作用对控制性能的影响积分作用的引入是为了使系统消除稳态误差，提高系统的无差度，以保证实现对设定值的无静差跟踪。从原理上看，只要控制系统存在动态误差，积分调节

28、就产生作用，直至无PID控制器参数自整定方法的研究与实现差，积分作用就停止，此时积分调节输出为一常值。积分作用的强弱取决于积分时间常数Ti的大小，Ti越小，积分作用越强，反之则积分作用弱。积分作用的引入会使系统稳定性下降，动态响应变慢。实际中，积分作用常与另外两种调节规律结合，组成PI控制器或者PD控制器。(3)微分作用对控制性能的影响微分作用的引入，主要是为了改善控制系统的响应速度和稳定性。微分作用能反映系统偏差的变化律，预见偏差变化的趋势，因此能产生超前的控制作用。直观而言，微分作用能在偏差还没有形成之前，就己经消除偏差。因此，微分作用可以改善系统的动态性能。微分作用的强弱取决于微分时间几

29、的大小，几越大，微分作用越强，反之则越弱。在微分作用合适的情况下，系统的超调量和调节时间可以被有效的减小。从滤波器的角度看，微分作用相当于一个高通滤波器，因此它对噪声干扰有放大作用，而这是我们在设计控制系统时不希望看到的。所以我们不能过强地增加微分调节，否则会对控制系统抗千扰产生不利的影响。此外，微分作用反映的是变化率，当偏差没有变化时，微分作用的输出为零。2.3.3 PID 参数整定的方法要实现 PID 参数的整定，首先要对被控制的对象有一个了解，然后选择相应的参数计算方法完成控制器参数的设计。据此，可将 PID 参数自整定分成两大类：辨识法和规则法。基于辨识法的 PID 参数自整定，被控对

30、象的特性通过对被控对象数学模型的分析来得到，在对象数学模型的基础上用基于模型的一类整定法计算 PID 参数。基于规则的 PID 参数自整定，则是运用系统临界点信息或系统响应曲线上的一些特征值来表征对象特性，控制器参数由基于规则的整定法得到。(1） 辨识法此方法的本质是自适应控制理论与系统辨识的结合。辨识法适用于模型结构已知，模型参数未知的对象，采用系统辨识的方法得到过程模型参数，并和依据参数估计值进行参数调整的确定性等价控制规律结合起来，综合出所需的控制器参数；如果被控过程特性发生了变化，可以通过最优化某一性能指标或期望的闭环特性，周期性地更新控制器参数。主要有以下几种方法：1. 极点配置法；

31、2. 零极点相消原理；3. 幅相裕度法。(2）规则法基于规则的整定方法，可分成采用临界比例度原则的方法、采用阶跃响应曲线的模式识别方法和基于模糊控制原理的方法等。1. 临界比例度原则的方法； 2. 采用阶跃响应曲线的模式识别方法；3. 基于模糊控制原理的方法。3 基于模糊控制的PID参数整定3.1模糊控制3.1.1模糊控制系统的组成 模糊控制系统是一种自动控制系统，它是以模糊数学、模糊语言形式的知识表示和模糊逻辑为理论基础，采用计算机控制技术构成的一种具有闭环结构的数字控制系统。它的组成核心是具有智能性的模糊控制器。模糊逻辑控制系统是一种典型的智能控制系统，在控制原理上它应用模糊集合论、模糊语

32、言变量和模糊推理知识，模拟人的思维方法，对复杂系统进行控制。模糊逻辑控制的基础是模糊逻辑，模糊逻辑从含义上比其它传统逻辑更接近人类的思想和自然语言。它能够对真实世界近似的、不确切的特征进行刻画。实际上，模糊逻辑控制是利用模糊逻辑建立一种“自由模型”的非线性控制算法，特别是在那些采用传统定量技术分析过于复杂的过程，或者提供的信息是非定性、非精确的、非确定的系统中，模糊控制的效果相当明显。模糊控制系统的基本结构如图3-1所示:A/D模糊控制器D/A执行机构被控对象测量装置给定值被控制量图3-1 模糊控制系统的基本结构3.1.2模糊控制器的设计方法由于模糊控制器采用数字计算机来实现的，它可以将系统的

33、偏差从数字量化为模糊量，对模糊量按给定的规则进行模糊推理，最后把模糊推理结构的模糊输出量转化为实际系统能够接受的精确数字量或模拟量。模糊控制器结构如图3-2所示：模糊化模糊推理非模糊化模糊决策图3-2 模糊控制器结构模糊控制器的算法设计主要包括以下内容：（1) 选择模糊输入、输出变量的论域范围及模糊变量子集类型；（2) 确定各模糊变量的隶属度函数类型；（3) 精确输入、输出的变量的模糊化；（4) 制定模糊控制规则；（5) 确定模糊推理算法；（6) 模糊输出变量的去模糊化；（7) 生成查询表。3.2模糊PID参数自整定原理 基于模糊控制的PID参数整定是将模糊理论应用到PID三个参数的整定中去，

34、将模糊理论与PID控制结合起来，构成一个模糊PID控制器。模糊PID自整定控制就是运用模糊数学的基本理论和方法，把规则的条件、操作用模糊集表示，并把这些模糊控制规则及有关信息作为知识存入计算机知识库中，然后计算机根据控制系统的实际响应情况，运用模糊推理，既可自动实现对 PID 参数的最佳调整。模糊PID 控制器的结构如图 3-3所示：模糊推理PID控制器被控对象de/dtecrekp ki kdy图 3-3 模糊PID 控制器的结构图 3-3模糊 PID 控制器的结构，r 为系统的输入，y 为系统的输出，e为系统输入与输出的差，ec 为误差的变化率。说白了，模糊自适应参数整定就是寻求 PID

35、的三个参数与 e、ec 之间的关系。整个系统在运行中不断检测 e 和 ec，然后根据一定的原理对 PID 的三个参数进行修改，以满足不同 e 和 ec 对控制参数的不同要求，从而使被控对象有良好的性能。3.3 模糊PID参数自整定设计 简要说明模糊PID控制器的设计步骤。 (1)确定模糊控制器的输入、输出变量，从而也就确定了模糊控制器的维数。一般输入变量取为系统的偏差和偏差变化率，输出变量为PID参数KP, KI, KD或者PID参数的增量KP, KI, KD 。 (2)根据实际需要确定各个输入、输出变量的变化范围，然后确定它们的量化等级，量化因子和比例因子。 (3)在每个变量的量化论域内定义

36、模糊子集。首先确定模糊子集个数，确定t个模糊子集的语言变量，然后为各语言变量选择隶属度函数。 (4)确定模糊控制规则。这实质上是将操作人员的控制经验加以结得出的一条条模糊条件语句的集合。确定模糊控制规则要遵守的原则是保证控制器的输出能够使系统输出响应的动静态性能达到最佳。 (5)求出模糊控制表。根据(4)的模糊控制规则和(2),(3)中确定的输入、输出变量求出模糊控制器的输出。这些输出值是PID参数的调整量，把它们与输入量在一个表中按一定关系列出就构成了模糊控制表。PID三个参数一般是独立调整，所以有三个模糊控制表。 考虑在不同时刻三个参数的作用及相互之间的关系，给出PID参数自整定原则如下:

37、 (1)当e较大时，为加快系统响应速度并防止起始偏差e瞬间变大，应取较大的Kp和较小的KD，同时为避免系统出现较大的超调，应对积分作用加以限制，通常取KI=0。 (2)当e和ec为中等大小时，为使系统响应的超调减小，并保证系统的响应速度，Kp, KI、KD的值要大小适中。 (3)当e较小时，为使系统具有良好的稳态性能，应增加KP和KI的值，同时为了避免系统在设定值附近振荡，应调节KD的值，使之大小适中。 由于在对PID控制器参数的模糊自整定中，模糊推理系统己经把偏差的微分作为它的一个输人，如果对参数Kp进行模糊整定，则系统对微分作用会太敏感，所以系统仅仅对Kp, Ki进行了整定。 根据以上对K

38、p, Ki, Kd的作用和调整方法，得到Kp, Ki, Kd的模糊控制规则，通过模糊化处理。根据各模糊子集的隶属函数和各参数模糊控制模型，应用模糊合成推理设计PID参数的模糊矩阵表，在线运行过程中，控制系统通过对模糊逻辑规则的结果处理，查表和运算，完成对PID参数的自整定。本文控制系统采用“双入三出”的模糊控制器。输入量为温度值给定值与测量值的偏差e 以及偏差变化率e c ,输出量为比例系数Kp、积分时间Ti、微分时间Td。控制过程为控制器定时采样温度值和温度值变化率与给定值比较, 得温度值偏差e 以及偏差变化率e c ,并以此作为PLC 控制器的输入变量,经模糊控制器输出比例系数Kp、积分时

39、间Ti、微分时间Td 给PID控制器进行调节,然后经D/A 转换送温控对象。模糊控制器包括输入量模糊化、模糊推理( 模糊决策和模糊控制规则) 和反模糊3个部分。1) 输入模糊化E 和Ec 分别为e 和ec 模糊化后的模糊量,KP、KI、KD 分别为Kp、Ti、Td 模糊化后的模糊量。e、ec 论域等级为e=ec=-3,-2,-1,0,1,2,3,模糊化子集为E=Ec=NB,NM,NS,ZE,PS,PM,PB。Kp、Ti、Td 论域等级为Kp=Ti=Td=-3,-2,-1,0,1,2,3,模糊化子集为KP=TI=TDNB,NM,NS,ZE,PS,PM,PB。NB, NM,NS,ZE,PS,PM,

40、PB表示负大,负中,负小, 零, 正小, 正中, 正大 。2） 模糊决策和模糊控制规则总结加热丝温度的控制过程中经验, 得出控制规则,如表3-1、表3-2、表3-3 所示。选取控制量变化的原则是:当误差大或较大时, 选择控制量以消除误差为主。而当误差较小时, 选择控制量要注意防止超调。表3-1 Kp的模糊规则KpeceNBNMNSZEPSPMPBNBPBPBPMPMPSZEZENMPBPBPMPSPSZENSNSPMPMPMPSZENSNSZEPMPMPSZENSNMNMPSPSPSZENSNSNMNMPMPSZENSNMNMNMNBPBZEZENMNMNMNBNB表3-2 Ti的模糊规则Ti

41、eceNBNMNSZEPSPMPBNBNBNBNMNMNSZEZENMNBNBNMNMNSZEZENSNBNMNSNSZEPSPSZENMNMNSZEPSPMPBPSNMNSZEPSPSPMPBPMZEZEPSPSPMPBPBPBZEZEPSPMPMPBPB表3-3 Td的模糊规则TdeceNBNMNSZEPSPMPBNBPSNSNBNBNBNMPSNMPSNSNBNMNMNSZENSZENSNMNMNSNSZEZEZENSNSNSNSNSZEPSZEZEZEZEZEZEZEPMPBNBPSPSPSPSPBPBPBPMPMPMPSPSPB 由表表3-1、表3-2、表3-3 的模糊规则可写成条件

42、语句,共有4 9 条规则, 全部系统模糊集为:R=R11 R12 R13 R14 R449（表示“并”）；当e、ec 分别取模糊集X、Y 时,输出(Kp、Ti、Td)的模糊子集为:Zij=(X Y)*R根,据输入e、ec 模糊量化后得到的X、Y 可计算出Kp 对应的Zij,如表6 所示。表3-4 Kp 的模糊控制表Kpece-3-2-10123-33322100-2332110-1-122210-1-102210-1-2-21110-1-1-2-2210-1-2-2-2-3300-2-2-2-3-3表3-5 Ki 的模糊控制表Ti ece-3-2-10123-3-3-3-2-2-100-2-3

43、-3-2-3-100-1-3-2-1-10110-2-2-101231-2-1011232001123330012233表3-6 Kd 的模糊控制表Tdece-3-2-10123-31-1-3-3-3-21-21-1-3-2-2-10-10-1-2-2-1-1000-1-1-1-1-101000000023-31111333222113 以系统的稳定性为主。例如, 当温度值低很多( 低于目标值) , 且温度值有进一步快速降低的趋势时, 比例系数Kp 增大, 应加大加热器电压。可用模糊语句实现这条规则(If e=NB and ec=NB then Kp=PB)。当误差为负大且误差变化为正大或正中

44、时, 控制量不宜再增加, 应取控制量的变化为0 , 以免出现超调。一共有49 条规则。3) 输出反模糊化具体实现上述控制算法的关键在于解决输入量等级量化程序梯形图设计和查表获取模糊控制量的查表程序梯形图设计。4模糊PID参数自整定控制的PLC 实现4.1可编程控制器及实验配置4.1.1可编程控制器的概述 可编程控制器是一种工业控制计算机，英文全称：Programmable Controller，为了和个人计算机(PC)区分，一般称其为PLC。可编程控制器(PLC)是继承计算机、自动控制技术和通信技术为一体的新型自动装置。其性能优越，已被广泛地应用于工业控制的各个领域。20世纪60年代，计算机技

45、术开始应用于工业控制领域，但由于价格高、输入输出电路不匹配、编程难度大，未能在工业领域中获得推广。1968年，美国的汽车制造公司通用汽车公司(GM)提出了研制一种新型控制器的要求，并从用户角度提出新一代控制器应具备十大条件，立即引起了开发热潮。1969年，美国数字设备公司(DEC)研制出了世界上第一台可编程序控制器，并应用于通用汽车公司的生产线上。可编程控制器自问世以来，发展极为迅速。1971年日本开始生产可编程控制器，而欧洲是1973开始的。如今，世界各国的一些著名的电气工厂几乎都在生产可编程控制器。4.1.2可编程控制器的基本组成PLC从组成形式上一般分为整体式和模块式两种。整体式PLC一

46、般由CPU板、I/O板、显示面板、内存和电源组成。模块式PLC一般由CPU模块、I/O模块、内存模块、电源模块、底版或机架组成。本论文实物采用的是西门子的S7-200系列PLC。4.1.3实验配置和软件环境（1） 西门子S7-200S7-200系列PLC可提供4种不同的基本单元和6种型号的扩展单元。其系统构成包括基本单元、扩展单元、编程器、存储卡、写入器、文本显示器等。本论文采用的是CUP226。它具有24个输入点和16个输出点。（2）电热丝电热丝主要有镍铬电热丝，铁铬铝电热丝，镍铬合金扁带，镍铬、镍铬铁电阻电热合金，自控温伴热带，并联恒功率伴热带等，本文采用的是弹簧状电热丝。（3）传感器热电

47、偶是一种感温元件，它直接测量温度，并把温度信号转换成热电动势信号。常用热电偶可分为标准热电偶和非标准热电偶两大类。所调用标准热电偶是指国家标准规定了其热电势与温度的关系、允许误差、并有统一的标准分度表的热电偶，它有与其配套的显示仪表可供选用本论文才用的是K型热电阻。（4）模拟量输入模块 传感器检测到温度转换成电压信号，系统需要配置模拟量输入模块把电压信号转换成数字信号再送入PLC中进行处理。本文选用了西门子EM231模拟量输入模块。（5）模拟量输出模块PLC模拟量输出模块主要系数包括 模块通道、输出范围、温度精度、外部电源、I/O点要求等等，本文选用了西门子EM232模拟量输入模块。

48、（6） STEP 7 MicroWIN SP3软件介绍STEP 7 MicroWIN SP3编程软件是基于Windows的应用软件，是西门子公司专门为SIMTIC S7-200系列PLC设计开发的。该软件功能强大，界面友好，并有方便的联机功能。用户可以利用该软件开发程序，也可以实现监控用户程序的执行状态，该软件是S7-200拥护不可缺少的开发工具。4.2 模糊PID 控制的PLC 实现4.2.1 程序设计流程PLC 程序设计流程图如图4-1 所示。开始将模糊控制查询表逐行置入PLC的VD500-VD548(Kp论域)、VD600-VD648（Ti论域）、VD700-VD748(Td论域)中将A

49、/D采样的设定值喝反馈值分别置入VD250和VD260中计算e和ec分别置入VD270和VD370中将输入量分别量化到输入模糊量化的论域-3,-2,-1,0,1,2,3中的对应元素，置入VW200和VW300中查模糊控制查询表得到输出量Kp、Ti、Td置入VD800、VD804、VD808中查模糊控制查询表得到输出量Kp、Ti、Td置入VD800、VD804、VD8反模糊化得Kp*、Ti*、Td*PID运算输出经D/A输出控制量经D/A输出控制量经D/A输出控制量结束图4-1 PLC 程序设计流程图4.2.2 输入量等级量化的梯形图设计根据e 和ec 论域所分的等级,将实际温度变化范围分为7

50、档, 依据式下式将基本论域区间 的精确量按四舍五入原则量化为论域区间a,b的论域元素(模糊量) ,n=3,e 为温度变化值。S7-200 的A/D 转换模块,理论上模糊控制器的输入的取值范围可能为032000。然而,实际上仅刚开始起动等很少时候可能达到32000。在正常运行过程中,的基本论域取值比上述范围要小得多,模糊量化的论域取为-3,+3,e 对应的模糊化论域如表4-1 所示。表4-1 e 对应的模糊化论域X 元素表e<-0.67-0.67,-0.330.33,0-0, 0.330.33, 0.670.67,1.0>1.0X-3-2-10123表4-2 ec 对应的模糊化论域Y

51、 元素表ec<-0.0067-0.0067,-0.00330.0033,0-0, 0.00330.0033, 0.00670.0067,1.0>1.0Y-3-2-10123图4-2 子程序SBR-1输入量的变化量e 模糊化程序见子程序SBR-1 如图4-2所示,量化值存入VW200,ec 量化值存入VW300。4.2.3 模糊控制表程序 模糊控制查询表是经模糊推理与逆模糊化运算获得的一个 7*7(基于上述对语言变量论域范围的设定)的二维矩阵。表4-1 给出了一个模糊控制查询表Kp 的实例,表中矩阵元素Kp 是由输入量e 和ec 的论域元素确定的输出控制量的量化值。将查询表元素逐行依

52、次存储在PLC 的VD500VD548 中。查表程序设计利用变址寄存器, 通过采取“基址+ 偏移地址”寻址的设计方法来实现。设e 和ec的论域元素分别为X、Y,则输出量比例Kp 的位置为:表首地址+7(X+3)+(Y+3),表首地址为VD500。同理将Ti、Td论域元素分别存放在VD600VD648、VD700VD748 中,程序见附录。Kp 的查询表程序为SBR-2,如图4-3 所示图4-3 子程序SBR-24.2.4 反模糊化程序 把由表4-1 查出的控制量模糊论域中的值Z p i j ( 即VD500VD548 中的值)乘以比例因子K1 便可以得到实际的比例系数Kp*=K1 Zpij,实际的积分时间Ti*= K2 Ziij,实际的微分时间Td*=K3 Zdij。在本实验装置的温度控制系统中取比例系数范围图4-4 子程序SBR-3是0 5, 积分时间范围是05 分钟,微分时间范围是05 分钟,故K1=5/3=1.6667,K2=5/3=1.6667,K3=5/3=1.6667。程序如图4-4所示。4.2.5 参数可调的PID 运算程序 PLC 在执行PID 调节指令时,须对