麥雪鳳

(廣西科技大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院，廣西柳州545006)

0 引言

隨著生產(chǎn)規(guī)模的不斷擴(kuò)大及自動(dòng)化程度的不斷提高，生產(chǎn)工藝對(duì)控制系統(tǒng)的快速響應(yīng)、可靠性、控制精度等提出了越來越高的要求［1-2］，對(duì)于被控對(duì)象存在滯后大、非線性、時(shí)變等特點(diǎn)的復(fù)雜場(chǎng)合常規(guī)PID控制難以滿足要求［3］，因此模糊控制等智能控制在冶金、化工、電力和家電等工業(yè)部門都得到了逐步的發(fā)展［4］。而我院現(xiàn)有的A3000高級(jí)過程控制實(shí)驗(yàn)裝置只能進(jìn)行單回路、串級(jí)、單閉環(huán)比值等常規(guī)控制實(shí)驗(yàn)，無法開展模糊控制等的實(shí)踐教學(xué)。為滿足智能控制實(shí)踐教學(xué)及創(chuàng)建智能控制科研平臺(tái)的需要，在A3000裝置上開發(fā)了雙容液位模糊-PI雙?？刂葡到y(tǒng)。

1 控制系統(tǒng)組成

設(shè)計(jì)的雙容液位模糊-PI雙?？刂葡到y(tǒng)以A3000的雙容水箱為被控對(duì)象，控制參數(shù)是下水箱的液位，由液位變送器、模糊-PI雙模控制器(用西門子S7-300 PLC來實(shí)現(xiàn))、電動(dòng)調(diào)節(jié)閥等組成。

控制系統(tǒng)工作過程如下:液位變送器輸出的4～20 mA信號(hào)送到PLC的模擬量輸入模塊，經(jīng)過PLC程序進(jìn)行模糊-PI雙?？刂七\(yùn)算處理后，得到精確控制量u(0～27 648的數(shù)字量)，該數(shù)字量經(jīng)模擬量輸出模塊轉(zhuǎn)換為4～20 mA信號(hào)送至電動(dòng)調(diào)節(jié)閥，調(diào)節(jié)上水箱的進(jìn)口流量，進(jìn)而控制下水箱液位。

2 控制系統(tǒng)原理及結(jié)構(gòu)

雙容液位模糊-PI雙?？刂葡到y(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。當(dāng)系統(tǒng)的偏差|e|＞2 cm時(shí)(取e=2 cm為邊界值)，為克服系統(tǒng)滯后大、PID調(diào)節(jié)不夠及時(shí)的缺點(diǎn)，采用模糊控制;當(dāng)|e|＜2 cm時(shí)，為克服模糊控制器穩(wěn)態(tài)精度較低的缺點(diǎn)，采用PI控制器。

該控制系統(tǒng)的核心是二維模糊控制器，以液位偏差e和偏差變化率Δe為輸入量，以控制量u為輸出變量［5］，模糊控制器由模糊化、知識(shí)庫、模糊推理和清晰化四部分組成。

(1)模糊化。模糊化的第一個(gè)任務(wù)是進(jìn)行論域變換，e、Δe和 u的變化范圍分別?。郏?0 cm，10 cm］、［－1 cm，1 cm］和［0，27 648數(shù)字量］，它們的論域均取為［－6，+6］，取區(qū)間內(nèi)的整數(shù)值和0。則量化因子分別為: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對(duì)系統(tǒng)性能有較大影響，如果不合適還可調(diào)試時(shí)在線調(diào)整。e、Δe首先進(jìn)行尺度變換，將其變換到要求的論域范圍:e*=k1×e、Δe*=k2×Δe，再對(duì) e*、Δe*值采用均勻量化處理變?yōu)殡x散的論域值 x0、y0∈［－6，+6］。

模糊化的第二個(gè)任務(wù)是求得輸入對(duì)應(yīng)于語言變量的隸屬度，e、Δe和u的語言變量x、y和z均分割為7個(gè)模糊語言，分別為負(fù)大(NB)、負(fù)中(NM)、負(fù)小(NS)、零(0)、正小(PS)、正中(PM)、正大(PB)。模糊集合的隸屬度函數(shù)采用離散方式，只取論域中的離散點(diǎn)(整數(shù)值)及這些點(diǎn)的隸屬度來描述一個(gè)語言變量，用數(shù)值描述的x、y和z的隸屬度函數(shù)均采自表1。

表1 語言變量x、y和z的隸屬度函數(shù)

(2)模糊推理和清晰化。模糊推理是模糊控制器的核心，該推理過程是基于模糊邏輯中的蘊(yùn)含關(guān)系及推理規(guī)則來進(jìn)行的?？偨Y(jié)過程控制實(shí)踐教學(xué)對(duì)該液位控制的手動(dòng)操作經(jīng)驗(yàn)，例如:當(dāng)液位值低很多，且液位值有進(jìn)一步快速降低的趨勢(shì)時(shí)，應(yīng)加大入口流量，可用模糊語句(Ri:IF x=NB AND y=NB THEN z=PB)［6］實(shí)現(xiàn)這條規(guī)則，本設(shè)計(jì)采用的模糊控制規(guī)則如表2所示。

表2 模糊控制規(guī)則表

由于x、y的模糊分割數(shù)均為7，該表中共包含最大可能的規(guī)則數(shù)49條，對(duì)于第i條規(guī)則“如果x是Aiand y 是 Bi，則 z是 Ci”(Ai、Bi和 Ci分別是語言變量x、y和z在其論域X、Y、Z上的語言變量值)的模糊蘊(yùn)含關(guān)系 Ri為［7］:

則所有規(guī)則的總模糊蘊(yùn)含關(guān)系為R。根據(jù)已知輸入x0和y0，模糊化采用單點(diǎn)模糊集合，根據(jù)模糊推理方法及性質(zhì)，可求得輸出量的模糊集合C'為(在此:and用求交法，also用求并法，合成用最大-最小法，模糊蘊(yùn)含用求交法):

據(jù)此計(jì)算出x0、y0為某個(gè)輸入組合時(shí)，分別在不同規(guī)則下的 C'1，C'2，…，C'49進(jìn)而得出模糊集合 C'，再用最大隸屬度法進(jìn)行清晰化計(jì)算，將模糊推理得到的控制量(模糊量)變換為清晰量z0。按照同樣的步驟，可以計(jì)算出當(dāng)x0、y0為其他組合時(shí)的輸出量z0，最后列出實(shí)際查詢的控制表如表3。

表3 控制表

3 控制程序開發(fā)

3.1 模糊控制功能塊程序開發(fā)

根據(jù)圖1模糊-PI控制原理，采用西門子STEP7編程軟件開發(fā)應(yīng)用程序，其中PI控制器直接調(diào)用PID功能塊FB41［8］即可實(shí)現(xiàn)，而STEP7中沒有模糊控制功能塊，因此需根據(jù)模糊控制原理自行開發(fā)模糊控制程序。為此創(chuàng)建三個(gè)自定義功能塊［9］FB1、FB2和FC2并編寫相應(yīng)的程序。其中:

(1)FB1(背景數(shù)據(jù)塊DB2)是實(shí)現(xiàn)模糊化的功能塊，完成對(duì)e、Δe的模糊化;

(2)FC2用來存放控制表并實(shí)現(xiàn)模糊推理的功能，其編程思路是:首先將模糊控制表3中z0的169個(gè)控制結(jié)果按從左至右、從上到下的順序逐個(gè)存放到MW100～MW338寄存器中，然后采用公式［(x0×26+y0×2)+100］計(jì)算z0所對(duì)應(yīng)的寄存器地址，如x0=4、y0=5，寄存器首址為MW100，那么z0寄存器地址為MW214，從而確定z0值(編程時(shí)為計(jì)算方便將 x0、y0和 z0的論域［－6，6］均加上6變?yōu)椋?，12］)。

(3)FB2(背景數(shù)據(jù)塊DB3)是實(shí)現(xiàn)解模糊化的功能塊，將清晰值z(mì)0轉(zhuǎn)化為精確控制量u，采用線性變換:u=k3×Z0。FB2程序圖2所示:首先在DB3中定義輸入變量MOU數(shù)據(jù)類型為INT;輸出變量SHIU數(shù)據(jù)類型為WORD。輸入變量#MOU(即z0)先通過I-DI功能塊由整數(shù)轉(zhuǎn)換為雙整數(shù)，再通過DI-R轉(zhuǎn)換為實(shí)數(shù)并通過乘法塊MUL-R乘上k3，最后用MOVE指令送給輸出變量#SHIU，這樣就把取值為［0，12］的z0轉(zhuǎn)換為精確值u。

圖2 解模糊化程序

3.2 主程序編寫

OB1主程序塊采用循環(huán)執(zhí)行的方式實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)程序的控制，并通過調(diào)用FB1、FC2、FB2實(shí)現(xiàn)模糊控制算法。需在OB1中編寫程序?qū)崿F(xiàn)的功能主要有:計(jì)算e和Δe;模糊/PI控制功能切換;調(diào)用FB1將e和Δe模糊化;計(jì)算z0的寄存器地址;調(diào)用FC2得到清晰量z0;調(diào)用FB2將z0解模糊化得到精確控制量u。其中Δe的計(jì)算和模糊/PI控制功能切換是較關(guān)鍵的兩個(gè)部分，下面分別介紹。

(1)偏差變化率Δe(=ek－ek－1)值的求取，程序如下:

Network1:用減法塊 SUB-R 將變量'MYDATA＇.SP與變量'MYDATA＇.PV相減，結(jié)果存放到變量'MYDATA＇.e;并用 MOVE指令將 e值存放到寄存器MD10中，如圖3所示。

圖3 Network1程序

Network2:用減法塊SUB-R將MD10值(=ek)與MD14 值(=ek－1)相減，結(jié)果存放到'MYDATA＇.ec，如圖4所示。

圖4 Network2程序

Network3:用 MOVE指令將 MD10值存放到MD14，如圖5所示。

圖5 Network3程序

通過Network1～Network3程序可求得Δe值，并存放在變量'MYDATA＇.ec 中。

(2)模糊/PI控制功能切換的實(shí)現(xiàn)。方法是在PID塊的EN端串聯(lián)一個(gè)M1.0常開觸點(diǎn)和一個(gè)M3.0常閉觸點(diǎn)，當(dāng)|e|＞2 cm時(shí)，M3.0線圈接通，其常閉觸點(diǎn)斷開，PID0不運(yùn)行，轉(zhuǎn)到模糊控制;當(dāng)|e|≤2 cm時(shí)，M1.0線圈接通，其常開觸點(diǎn)閉合，PID0模塊運(yùn)行進(jìn)行PI控制，程序如圖6所示。

圖6 模糊/PI控制功能切換程序

4 系統(tǒng)運(yùn)行調(diào)試

將開發(fā)的雙容液位模糊-PI雙?？刂葡到y(tǒng)在A3000實(shí)驗(yàn)裝置［10-11］調(diào)試，在組態(tài)王監(jiān)控界面記錄系統(tǒng)運(yùn)行曲線。系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行過程如下:液位設(shè)定值為25 cm，開始投運(yùn)時(shí)測(cè)量值為0，由于e很大采用模糊控制，系統(tǒng)快速相應(yīng)，使測(cè)量值很快接近設(shè)定值，并在3～4min趨于穩(wěn)定且|e|＜2 cm進(jìn)入PI控制。第6 min后即可獲得較滿意的控制效果，這時(shí)液位測(cè)量值與設(shè)定值曲線幾乎完全重合，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠，控制精度達(dá)到±1%以內(nèi)，系統(tǒng)超調(diào)也在1%以內(nèi)。系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行一段時(shí)間后(約在第16 min)做擾動(dòng)實(shí)驗(yàn)，方法是打開另一條支路往水箱中加水使液位出現(xiàn)一個(gè)較大的波動(dòng)，如圖7所示。從曲線可以看出，模糊-PI雙?？刂葡到y(tǒng)能迅速平穩(wěn)地改變調(diào)節(jié)閥的開度，使測(cè)量值約在2 min內(nèi)很快重新穩(wěn)定在設(shè)定值范圍，可見系統(tǒng)穩(wěn)定性很好且抗干擾能力很強(qiáng)。由于雙容液位系統(tǒng)滯后大，采用常規(guī)PID控制難以獲得滿意的控制效果，因此，上述實(shí)際運(yùn)行表明，采用模糊-PI雙?？刂?，極大地提高了系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性和穩(wěn)態(tài)特性，在響應(yīng)速度、控制精度、抗干擾能力、縮短調(diào)試時(shí)間［12］等方面均優(yōu)于常規(guī)PID控制。

圖7 系統(tǒng)運(yùn)行曲線

5 結(jié)語

本文介紹的在A3000裝置上開發(fā)模糊-PI雙?？刂频姆椒ê?jiǎn)單易行、可靠性高、控制效果好、開發(fā)成本低［13］，可在高校同類實(shí)驗(yàn)裝置中推廣使用。本實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目彌補(bǔ)了傳統(tǒng)A3000過程控制實(shí)驗(yàn)裝置的不足［14］，通過本實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目可使學(xué)生掌握模糊一PI雙?？刂频脑砑疤攸c(diǎn)、提高學(xué)生綜合應(yīng)用PLC、編程組態(tài)軟件及現(xiàn)場(chǎng)儀表構(gòu)建智能控制系統(tǒng)的能力，為“過程控制工程”、“智能控制”等課程提供了更好的的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)［15］。

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