基于A3000的模糊-PI双模控制实验设计与开发

麦雪凤

(广西科技大学电气与信息工程学院，广西柳州545006)

0 引言

随着生产规模的不断扩大及自动化程度的不断提高，生产工艺对控制系统的快速响应、可靠性、控制精度等提出了越来越高的要求［1-2］，对于被控对象存在滞后大、非线性、时变等特点的复杂场合常规PID控制难以满足要求［3］，因此模糊控制等智能控制在冶金、化工、电力和家电等工业部门都得到了逐步的发展［4］。而我院现有的A3000高级过程控制实验装置只能进行单回路、串级、单闭环比值等常规控制实验，无法开展模糊控制等的实践教学。为满足智能控制实践教学及创建智能控制科研平台的需要，在A3000装置上开发了双容液位模糊-PI双模控制系统。

1 控制系统组成

设计的双容液位模糊-PI双模控制系统以A3000的双容水箱为被控对象，控制参数是下水箱的液位，由液位变送器、模糊-PI双模控制器(用西门子S7-300 PLC来实现)、电动调节阀等组成。

控制系统工作过程如下:液位变送器输出的4～20 mA信号送到PLC的模拟量输入模块，经过PLC程序进行模糊-PI双模控制运算处理后，得到精确控制量u(0～27 648的数字量)，该数字量经模拟量输出模块转换为4～20 mA信号送至电动调节阀，调节上水箱的进口流量，进而控制下水箱液位。

2 控制系统原理及结构

双容液位模糊-PI双模控制系统结构如图1所示。当系统的偏差|e|＞2 cm时(取e=2 cm为边界值)，为克服系统滞后大、PID调节不够及时的缺点，采用模糊控制;当|e|＜2 cm时，为克服模糊控制器稳态精度较低的缺点，采用PI控制器。

该控制系统的核心是二维模糊控制器，以液位偏差e和偏差变化率Δe为输入量，以控制量u为输出变量［5］，模糊控制器由模糊化、知识库、模糊推理和清晰化四部分组成。

(1)模糊化。模糊化的第一个任务是进行论域变换，e、Δe和 u的变化范围分别取［－10 cm，10 cm］、［－1 cm，1 cm］和［0，27 648数字量］，它们的论域均取为［－6，+6］，取区间内的整数值和0。则量化因子分别为: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对系统性能有较大影响，如果不合适还可调试时在线调整。e、Δe首先进行尺度变换，将其变换到要求的论域范围:e*=k1×e、Δe*=k2×Δe，再对 e*、Δe*值采用均匀量化处理变为离散的论域值 x0、y0∈［－6，+6］。

模糊化的第二个任务是求得输入对应于语言变量的隶属度，e、Δe和u的语言变量x、y和z均分割为7个模糊语言，分别为负大(NB)、负中(NM)、负小(NS)、零(0)、正小(PS)、正中(PM)、正大(PB)。模糊集合的隶属度函数采用离散方式，只取论域中的离散点(整数值)及这些点的隶属度来描述一个语言变量，用数值描述的x、y和z的隶属度函数均采自表1。

表1 语言变量x、y和z的隶属度函数

(2)模糊推理和清晰化。模糊推理是模糊控制器的核心，该推理过程是基于模糊逻辑中的蕴含关系及推理规则来进行的。总结过程控制实践教学对该液位控制的手动操作经验，例如:当液位值低很多，且液位值有进一步快速降低的趋势时，应加大入口流量，可用模糊语句(Ri:IF x=NB AND y=NB THEN z=PB)［6］实现这条规则，本设计采用的模糊控制规则如表2所示。

表2 模糊控制规则表

由于x、y的模糊分割数均为7，该表中共包含最大可能的规则数49条，对于第i条规则“如果x是Aiand y 是 Bi，则 z是 Ci”(Ai、Bi和 Ci分别是语言变量x、y和z在其论域X、Y、Z上的语言变量值)的模糊蕴含关系 Ri为［7］:

则所有规则的总模糊蕴含关系为R。根据已知输入x0和y0，模糊化采用单点模糊集合，根据模糊推理方法及性质，可求得输出量的模糊集合C'为(在此:and用求交法，also用求并法，合成用最大-最小法，模糊蕴含用求交法):

据此计算出x0、y0为某个输入组合时，分别在不同规则下的 C'1，C'2，…，C'49进而得出模糊集合 C'，再用最大隶属度法进行清晰化计算，将模糊推理得到的控制量(模糊量)变换为清晰量z0。按照同样的步骤，可以计算出当x0、y0为其他组合时的输出量z0，最后列出实际查询的控制表如表3。

表3 控制表

3 控制程序开发

3.1 模糊控制功能块程序开发

根据图1模糊-PI控制原理，采用西门子STEP7编程软件开发应用程序，其中PI控制器直接调用PID功能块FB41［8］即可实现，而STEP7中没有模糊控制功能块，因此需根据模糊控制原理自行开发模糊控制程序。为此创建三个自定义功能块［9］FB1、FB2和FC2并编写相应的程序。其中:

(1)FB1(背景数据块DB2)是实现模糊化的功能块，完成对e、Δe的模糊化;

(2)FC2用来存放控制表并实现模糊推理的功能，其编程思路是:首先将模糊控制表3中z0的169个控制结果按从左至右、从上到下的顺序逐个存放到MW100～MW338寄存器中，然后采用公式［(x0×26+y0×2)+100］计算z0所对应的寄存器地址，如x0=4、y0=5，寄存器首址为MW100，那么z0寄存器地址为MW214，从而确定z0值(编程时为计算方便将 x0、y0和 z0的论域［－6，6］均加上6变为［0，12］)。

(3)FB2(背景数据块DB3)是实现解模糊化的功能块，将清晰值z0转化为精确控制量u，采用线性变换:u=k3×Z0。FB2程序图2所示:首先在DB3中定义输入变量MOU数据类型为INT;输出变量SHIU数据类型为WORD。输入变量#MOU(即z0)先通过I-DI功能块由整数转换为双整数，再通过DI-R转换为实数并通过乘法块MUL-R乘上k3，最后用MOVE指令送给输出变量#SHIU，这样就把取值为［0，12］的z0转换为精确值u。

图2 解模糊化程序

3.2 主程序编写

OB1主程序块采用循环执行的方式实现对整个程序的控制，并通过调用FB1、FC2、FB2实现模糊控制算法。需在OB1中编写程序实现的功能主要有:计算e和Δe;模糊/PI控制功能切换;调用FB1将e和Δe模糊化;计算z0的寄存器地址;调用FC2得到清晰量z0;调用FB2将z0解模糊化得到精确控制量u。其中Δe的计算和模糊/PI控制功能切换是较关键的两个部分，下面分别介绍。

(1)偏差变化率Δe(=ek－ek－1)值的求取，程序如下:

Network1:用减法块 SUB-R 将变量'MYDATA＇.SP与变量'MYDATA＇.PV相减，结果存放到变量'MYDATA＇.e;并用 MOVE指令将 e值存放到寄存器MD10中，如图3所示。

图3 Network1程序

Network2:用减法块SUB-R将MD10值(=ek)与MD14 值(=ek－1)相减，结果存放到'MYDATA＇.ec，如图4所示。

图4 Network2程序

Network3:用 MOVE指令将 MD10值存放到MD14，如图5所示。

图5 Network3程序

通过Network1～Network3程序可求得Δe值，并存放在变量'MYDATA＇.ec 中。

(2)模糊/PI控制功能切换的实现。方法是在PID块的EN端串联一个M1.0常开触点和一个M3.0常闭触点，当|e|＞2 cm时，M3.0线圈接通，其常闭触点断开，PID0不运行，转到模糊控制;当|e|≤2 cm时，M1.0线圈接通，其常开触点闭合，PID0模块运行进行PI控制，程序如图6所示。

图6 模糊/PI控制功能切换程序

4 系统运行调试

将开发的双容液位模糊-PI双模控制系统在A3000实验装置［10-11］调试，在组态王监控界面记录系统运行曲线。系统实际运行过程如下:液位设定值为25 cm，开始投运时测量值为0，由于e很大采用模糊控制，系统快速相应，使测量值很快接近设定值，并在3～4min趋于稳定且|e|＜2 cm进入PI控制。第6 min后即可获得较满意的控制效果，这时液位测量值与设定值曲线几乎完全重合，系统运行稳定可靠，控制精度达到±1%以内，系统超调也在1%以内。系统稳定运行一段时间后(约在第16 min)做扰动实验，方法是打开另一条支路往水箱中加水使液位出现一个较大的波动，如图7所示。从曲线可以看出，模糊-PI双模控制系统能迅速平稳地改变调节阀的开度，使测量值约在2 min内很快重新稳定在设定值范围，可见系统稳定性很好且抗干扰能力很强。由于双容液位系统滞后大，采用常规PID控制难以获得满意的控制效果，因此，上述实际运行表明，采用模糊-PI双模控制，极大地提高了系统的动态特性和稳态特性，在响应速度、控制精度、抗干扰能力、缩短调试时间［12］等方面均优于常规PID控制。

图7 系统运行曲线

5 结语

本文介绍的在A3000装置上开发模糊-PI双模控制的方法简单易行、可靠性高、控制效果好、开发成本低［13］，可在高校同类实验装置中推广使用。本实验项目弥补了传统A3000过程控制实验装置的不足［14］，通过本实验项目可使学生掌握模糊一PI双模控制的原理及特点、提高学生综合应用PLC、编程组态软件及现场仪表构建智能控制系统的能力，为“过程控制工程”、“智能控制”等课程提供了更好的的实验平台［15］。

［1］ 高 鹏.螺旋扁管换热器温度串级模糊控制试验研究［J］.石油机械，2008，36(11):9-11.

［2］ 金以慧.过程控制［M］.北京:清华大学出版社，2005.

［3］ 韩大平，林国海，等.模糊PID控制算法在回转窑温度控制中的应用［J］.材料与冶金学报，2005，4(4):321-325.

［4］ 邵裕森，戴先中.过程控制工程［M］.北京:机械工业出版社，2000.

［5］ 李士勇，夏承光.模糊控制与智能控制理论与应用［M］.哈尔滨:哈尔滨工业大学出版社，1990.

［6］ 刘金琨.智能控制［M］.北京:电子工业出版社，2005.

［7］ 李国勇.智能控制及其MATLAB实现［M］.北京:电子工业出版社，2005.

［8］ 陈海霞.西门子S7-300/400编程技术及工程应用［M］.北京:机械工业出版社，2012.

［9］ 西门子自动化与驱动集团.深入浅出西门子S7-300 PLC［M］.北京:北京航空航天大学出版社，2004.

［10］ 北京华晟高科教学仪器有限公司编制［Z］.A3000高级过程控制系统实验指导书V3，2005.

［11］ 北京华晟高科教学仪器有限公司编制［Z］.A3000过程控制系统使用说明和产品维护V2，2005.

［12］ 马克茂，朱奕.带有前馈补偿的模糊控制系统及其在锅炉水位控制中的应用［J］.计算机测量与控制，2004，12(6):537-539.

［13］ 高宏岩.用controllogix实现双容水箱液位系统的模糊控制［J］.PLC＆FA，2004(8):105-106.

［14］ 王 娟.A3000系统在化工自动化及仪表实验中的应用［J］.实验室研究与探索，2006，25(9):1079-1080.

［15］ 任俊杰，李红星.基于PLC和组态王的过程控制实验系统［J］.实验室研究与探索，2010，29(5):16-18.