基于PLC的PID－模糊控制算法在水箱液位控制系统中的应用

张娜

(沈阳工程学院自动化学院，辽宁沈阳110136)

JBS－GK04型过程控制实验装置包括液位、压力、流量、温度4个典型控制参数，可进行单回路、串级、前馈、解耦等控制实验.控制器采用西门子S7－200PLC，上位机采用组态王6.51和S7－200编程软件开发的人机操作界面.液位控制是该控制装置的一部分，系统设计时液位控制采用的是PID控制方式，通过改变变频器的输出改变水泵的转速来实现液位的控制.工艺流程如图1所示.

图1 液位控制系统工艺流程

模糊控制属于智能控制的范畴，是在总结人类自然语言概念、操作经验的基础上，模拟人类智能的一种控制方法，是一种非线性控制器，对过程参数的变化和外界扰动适应性强.

模糊控制不能完全消除稳态偏差，而PID控制器能解决这一问题，如果在控制偏差很大的时候采用模糊控制，而偏差小于一定控制值时切换到PID控制，这样系统就能根据偏差的大小改变控制量的大小，既可以解决系统非线性的问题，又可以快速、准确地达到控制目的.

采用模糊控制和PID控制相结合的控制方式，控制双容水箱液位，控制器采用西门子S7－200PLC.模糊控制和PID控制在PLC上实现具有编程简单、参数修改方便、抗干扰能力强的优点，在实际应用中取得了较好的应用效果.

1 模糊控制算法设计

1.1 论域设计

选取液位给定值与液位实际值的偏差e(t)及偏差的变化ec(t)作为模糊控制器的输入，控制量变化量Δu(t)作为模糊控制器的输出.偏差e(t)的基本论域取［－100，100］，偏差变化率ec(t)的实际变化范围难以确定，可根据系统响应速度要求，选择基本论域为［－5，5］，输出Δu的基本论域为［－10，10］.综合控制精度、系统的稳定性、算法的复杂程度等方面因素，模糊化后E、EC、ΔU的论域均为{－3，－2，－1，0，1，2，3}.

1.2 隶属函数设计

覆盖模糊论域的子集数目应当适当，较多时虽可以提高控制精度，但模糊规制数目相应地会增加得更快，致使运算量大幅增加.综合以上因素E、EC、ΔU的模糊子集选为7档，为NB(负大)、NM(负中)、NS(负小)、ZO(零)、PS(正小)、PM(正中)，PB(正大).隶属函数采用三角型隶属函数，三角函数的解析表达式见下式，E、EC、ΔU的隶属函数如图2所示.

图2 E、EC、ΔU的隶属函数

1.3 模糊推理

为了加快控制速度，减少时间消耗，本设计采用离线计算在线查表的方法，将控制量的变化制成查询表存入PLC中，运行中每一对及都对应唯一的控制量变化量，只要找到的值，就能输出控制结果.对应的控制策略如表1所示.

2 模糊控制在西门子S7－200PLC中的实现

2.1 控制量地址计算

查询模糊控制表采用基址+偏移地址的方法.模糊控制查询表按照从左到右，从上到下的顺序依次存入VB300－VB348中，则控制量的基址为300.例如，将输入论域{－3，－2，－1，0，1，2，3}均转化为{0，1，2，3，4，5，6}，则地址偏移量为E×7+EC，加上控制量的基址300，则控制量地址为300+E×7+EC.

表1 模糊控制器查询表

2.2 反模糊过程

偏差E和偏差变化率的模糊化结果分别存在VB200及VB202中，控制量变化量ΔU的查询结果存在VD300中.PLC输出4～20 mA电信号，对应变频器的输出0～50 Hz，查表所得结果要乘以(10÷3)×(32 000－6 400)÷50，再加上现有控制量，即得输出控制量值.

PLC工作流程图如图3所示.模糊化及反模糊化程序如下.

模糊化程序:

图3 PLC工作流程

3 控制效果

上位机监控采用组态王监控软件设计，红色曲线为实际测量值，绿色曲线为给定值，蓝色曲线为变频器输出，纵轴为液位百分比，横轴为时间.图4、图5分别为PID－模糊控制器调节过程曲线和PID控制器调节过程曲线.曲线是给定值发生7.5%扰动的调节过程曲线，系统设定偏差限值ξ=4，采用PID－模糊控制算法时，PID参数为Tp=20，Ti=10，Td=2，原系统中PID控制器参数为Kp=20，Ti=14，Td=2.从运行曲线可以看出，系统采用PID－模糊控制器后响应速度加快，调节时间缩短，调节过程更平稳，同时能消除稳态偏差.

图4 PID－模糊控制器调节过程曲线

图5 PID控制器调节过程曲线

［1］ 乡碧云，皮云云.基于模糊PID在饼干生产线温度控制的研究［J］.机电工程技术，2013，42(6):18－21.

［2］ 刘文远，毛一之，杨子亮.基于西门子PLC的模糊控制在电弧炉电极调节中的应用［J］.电气传动，2012，42(10):78－80.

［3］ 陈水生，孟庆建.基于PLC的温度PID－模糊控制系统设计与仿真［J］.农机化研究，2011，6(6):49－53.

［4］ 徐春晖.基于PLC的过程控制实验装置液位模糊PID控制［J］.计算机工程应用技术，2011，7(16):3967－3968.

［5］ 林勇坚.基于PLC的模糊控制算法在液位控制中的应用［J］.电子世界，2013(10):97－80.