李 微，邵志勇,2，李 媛

（1.北京聯(lián)合大學 自動化學院，北京 100101；2.北京化工大學，北京 100029）

1 系統(tǒng)概述

現(xiàn)場總線是用于現(xiàn)場儀表與控制主機系統(tǒng)之間的一種開放的、全數字化的、雙向和多站的通信系統(tǒng)。它由三層組成，即現(xiàn)場級、控制級和監(jiān)控級。本系統(tǒng)控制級與監(jiān)控級之間由工業(yè)以太網進行通訊，控制級與現(xiàn)場級采用PROFIBUS-DP進行通訊。在PC機上通過STEP7軟件組態(tài)、編程下載到S7-300 PLC中，PLC根據編寫的指令進行相應的控制；同時通過WINCC軟件的監(jiān)控界面監(jiān)視現(xiàn)場狀態(tài)，并將現(xiàn)場級的信號進行顯示、保存?，F(xiàn)場總線系統(tǒng)以其強大的功能及可靠性高等特點在過程控制、樓宇自動化、飛機制造、車輛制造等行業(yè)都有廣泛的應用。

系統(tǒng)以QXLTT三容液位控制實驗裝置為被控對象，它具有多輸入和多輸出的非線性耦合物理模型。實驗裝置的主體是由用透明的有機玻璃制成的三個圓形容器罐和一個蓄水池，并配以相應的執(zhí)行機構和傳感器組成，計有二個水泵P1和P2，六個手動閥V1～V6,二個PWM（脈寬調制）型線性比例調節(jié)閥V7和V8；三個反壓式液位傳感器LT1、LT2和LT3 以及兩個旁路閥V9、V10 組成。本實驗裝置可以實現(xiàn)單容、雙容和三容水箱液位控制，與現(xiàn)場的實際控制裝置具有相同的工作原理，可以為實際裝置的控制提供仿真實驗和驗證。

本系統(tǒng)是雙容液位控制系統(tǒng)，以2#容器即T2的液位為被控參數，調節(jié)閥V7是執(zhí)行機構，采用現(xiàn)場總線控制器形成單回路控制系統(tǒng)，系統(tǒng)結構圖如圖1所示。

2 控制算法

2.1 PID控制算法

對于溫度、壓力、流量和液位的控制是屬于慢變過程的控制，在工業(yè)生產中經常采用PID控制，即通過調試PID的比例、積分和微分三個參數來改變被控量的變化速度、消除誤差和減小震蕩。PID控制器進行控制是將給定值與實際值進行比較將誤差最終減小為零并且要求調節(jié)的速度要快、準、穩(wěn)。但這三個條件之間是相互矛盾的，要使系統(tǒng)調節(jié)的快，就要降低穩(wěn)定的性能，會產生一些震蕩，反之，要使系統(tǒng)穩(wěn)定的調節(jié)，在速度上就不可能有很高的要求，調節(jié)時間也要加長。在實際工程中，許多系統(tǒng)和過程都十分復雜，難以建立精確的數學模型和設計出通常意義下的控制程序，Kp、Ki和Kd參數往往整定困難。此時，采用模糊控制就有可能獲得滿意的控制效果。

2.2 模糊控制算法

模糊控制的核心部分為模糊控制器。模糊控制器的控制規(guī)律由計算機的程序實現(xiàn)，模糊控制的基本思想是：將偏差信號和偏差變化率信號作為模糊控制器的輸入量，經模糊化后，用相應的模糊語言表示，得到模糊語言集合的一個子集。再由模糊子集和模糊控制規(guī)則（模糊關系）根據模糊推理合成規(guī)則進行模糊決策，得到模糊控制量；經解模糊（也稱清晰化），得到了精確地數字控制量輸出給執(zhí)行機構。

因此，模糊控制過程可概括為以下四個步驟。

1）根據本次采樣得到的系統(tǒng)輸出值，計算所選擇系統(tǒng)的輸入變量；

2）將輸入變量的精確值變?yōu)槟：浚?/p>

3）根據輸入變量（模糊量）及模糊控制規(guī)則，按照模糊推理合成規(guī)則推理計算輸出控制量（模糊量）；

4）由上述得到的控制量（模糊量）計算精確的輸出控制量，并作用于執(zhí)行機構。

3 系統(tǒng)組態(tài)

本設計的硬件和網絡結構采用西門子S7控制系統(tǒng)，利用Step7軟件實現(xiàn)系統(tǒng)硬件組態(tài)、通信組態(tài)和控制算法組態(tài)；采用WinCC軟件實現(xiàn)系統(tǒng)監(jiān)控層設計。

3.1 硬件組態(tài)

STEP7軟件是用于SIMATIC S7-300/400站創(chuàng)建可編程邏輯控制程序的標準軟件，應用STEP7軟件可以方便地構造和組態(tài)PROFIBUS-DP網絡。本系統(tǒng)采用S7-300控制器，硬件包括電源模塊、CPU模塊、信號模塊、功能模塊、接口模塊和通信處理器CP。機架的1-3槽位分別放置電源模塊、CPU模塊。CPU模塊型號為314-2DP，帶有集成的數字量和模擬量的輸入、輸出；以太網通訊模塊采用CP 343-1，由于帶有以太網通訊接口，因此會自動彈出Ethernet(以太網)接口屬性對話框，創(chuàng)建一個新的以太網子網，并輸入一個唯一的MAC地址與之相對應。

3.2 算法編程

從系統(tǒng)建模的角度看，雙容液位系統(tǒng)是一個二階慣性環(huán)節(jié)，也可以等效為一個慣性環(huán)節(jié)加滯后環(huán)節(jié)，由于雙容系統(tǒng)存在容積滯后，給系統(tǒng)控制增加了難度。

3.2.1 PID控制設計

Step7軟件中提供了多個功能塊，用于實現(xiàn)多個控制算法。本文首先采用Step7軟件提供的PID控制模塊對雙容水箱液位進行控制。PID控制中有三個重要的參數。

1）比例系數Kp的作用是加快系統(tǒng)的響應速度，提高系統(tǒng)的調節(jié)精度。Kp越大系統(tǒng)的響應速度越快，系統(tǒng)的調節(jié)精度越高，但易產生超凋，甚至會導致系統(tǒng)不穩(wěn)定。

2）積分作用系數Ki的作用是消除系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差。Ki越大，系統(tǒng)的靜態(tài)誤差消除越快。但Ki過大，在響應過程的初期會產生積分飽和現(xiàn)象，從而引起較大的超調。

3）微分作用系數Kd的作用是改善系統(tǒng)的動態(tài)特性，其作用主要是在響應過程中抑制偏差的變化，對偏差變化進行提前預報。但Kd過大，會使響應過程提前制動，從而延長調節(jié)時間，降低系統(tǒng)的抗干擾性能。微分作用可以消除時間滯后，但對容積滯后無能為力。

根據三個參數的特點，通過先期的仿真研究和參數整定，確定了三個參數值。

3.2.2 模糊控制器設計

模糊控制器最基本的形式被稱為“查詢表”式的模糊控制器，它將模糊控制規(guī)則最終轉化為一個查詢表又稱為控制表，存儲在計算機中供在線查詢使用。這種形式的模糊控制器具有結構簡單，使用方便的特點，因此又稱為簡單模糊控制器。這種設計思想是其他形式模糊控制器的基礎。本文采用模糊控制算法，結合液位控制系統(tǒng)特點設計一個合理的二維模糊控制器。

液位模糊控制器設計為兩個輸入一個輸出，一個輸入為液位設定值與液位實際值偏差E，另一個輸入為偏差的變化率EC，模糊控制器的輸出是U，用來控制進水調節(jié)閥開度。

描述輸入變量及輸出變量的語言值的模糊子集為{負，零，正}，通常采用如下簡記形式N=負，Z=零，P=正。其中，設偏差E、偏差變化率EC和控制量U的論域相同為X，量化為五個等級，即 X={-2，-1，0，1，2}。采用三角形隸屬函數曲線，如圖2所示。根據經驗和被控對象的先驗知識，經過反復實驗建立了模糊控制規(guī)則如表1所示。

圖2 隸屬函數曲線

表1 模糊控制規(guī)則表

應用STEP7軟件中SCL語言編寫模糊控制程序。源程序編譯完成后生成模糊控制功能塊FB5，就可以直接用于功能塊編程。

3.3 監(jiān)控程序設計

通過WINCC軟件可以實現(xiàn)對現(xiàn)場設備的實時監(jiān)控，WinCC與PLC的通訊是通過“SIMATIC S7 Protocol Suite”驅動程序，通道單元為工業(yè)以太網“Industrial Ethernet”。因此在WinCC中建立項目后，添加“SIMATIC S7 Protocol Suite”協(xié)議組，在“Industrial Ethernet”下建立與S7-300 PLC站連接的邏輯通道，添加監(jiān)控所需的與PLC地址變量相對應的WinCC外部變量。該組態(tài)在監(jiān)控層PC中進行，與PLC通過工業(yè)以太網連接即可監(jiān)控現(xiàn)場運行狀態(tài)。本項目在WinCC中建立了實時監(jiān)控界面和趨勢控制曲線。

4 系統(tǒng)運行分析

圖3是系統(tǒng)的監(jiān)控運行界面，被控量是2#水箱液位，其設定液位值是250，當前實際液位值是252，出現(xiàn)超調量，因此閥門的開度是零，系統(tǒng)還處于動態(tài)的調節(jié)過程中。1#和3#水箱可以實時監(jiān)控，隨著現(xiàn)場的實際液位值實時變化、動態(tài)顯示。

圖3 系統(tǒng)運行界面

圖4和圖5分別是2#水箱液位值在PID控制和模糊控制作用下的動態(tài)響應曲線，描述了液位參數值從動態(tài)到穩(wěn)態(tài)的變化過程，以及執(zhí)行器的變化情況。其性能指標分析如表2所示。

圖4 PID控制曲線

由表2可見，PID控制調節(jié)時間較短，有相對較大的超調量，而且執(zhí)行器（閥門）處于全開/全關狀態(tài)，執(zhí)行器（閥門）磨損較大；模糊控制雖然時間稍長，但超調量小，且閥門小幅運動，保持固定狀態(tài)的時間較長，執(zhí)行器（閥門）磨損小。從過程控制角度看，更強調系統(tǒng)的穩(wěn)定性和裝置的狀態(tài)，因此模糊控制具有更好的控制效果。

圖5 模糊化控制曲線

表2 性能指標比較

[1]高志宏.過程控制與自動化儀表[M].浙江大學出版社,2006.

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