董志明,宋樂鵬

重慶科技學(xué)院電氣與信息工程學(xué)院,重慶401331

基于PLC控制的模糊自整定PID變量噴霧控制系統(tǒng)

董志明,宋樂鵬

重慶科技學(xué)院電氣與信息工程學(xué)院,重慶401331

變量噴霧控制系統(tǒng)具有非線性、時(shí)變性、大滯后等特點(diǎn)，常規(guī)PID控制不能滿足變量噴霧控制系統(tǒng)在實(shí)際作業(yè)中理想的控制效果。因此提出了一種基于PLC控制的模糊自整定PID控制方法。PLC控制的模糊自整定PID控制結(jié)合了PLC控制靈活、多變和自適應(yīng)模糊控制等特點(diǎn)，通過對(duì)變量噴霧控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)建模，建立了以電動(dòng)PI調(diào)節(jié)閥為核心的模糊自整定PID控制系統(tǒng)。利用Matlab/Simulink和模糊邏輯工具箱對(duì)普通模糊PID控制系統(tǒng)和基于PLC控制的模糊自整定PID控制系統(tǒng)進(jìn)行Simulink仿真研究。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，基于PLC控制的模糊自整定PID控制比常規(guī)PID控制在非線性、時(shí)變性、減小超調(diào)量的方面具有更好的控制品質(zhì)。

變量噴霧控制系統(tǒng);PL;模糊自整定PID控制

壓力和流量是變量噴霧控制系統(tǒng)中的重要物理參數(shù)，而一般的變量噴霧控制系統(tǒng)受環(huán)境、器材誤差的影響較大,具有非線性、時(shí)變性、大滯后等特點(diǎn)。常規(guī)PID控制至適應(yīng)于理想的線性控制系統(tǒng)[1]，對(duì)于這種具有非線性、時(shí)變性、大滯后等特點(diǎn)的控制系統(tǒng)不能滿足控制要求，達(dá)不到理想的控制效果。因此對(duì)于這一缺點(diǎn)，本文提出了一種基于PLC控制的模糊自整定PID控制的變量噴霧控制系統(tǒng)[2]。其基本思路是利用PLC的靈活方便和模糊邏輯控制工具箱對(duì)PID控制器進(jìn)行在線調(diào)整，滿足其控制要求。通過MATLAB仿真[3]表明，基于PLC控制的模糊自整定PID控制比常規(guī)PID控制在魯棒性、超調(diào)量調(diào)節(jié)等有更好的控制效果。

1 被控對(duì)象的選定

變量噴霧控制系統(tǒng)選取電動(dòng)PI調(diào)節(jié)閥為被控對(duì)象，調(diào)節(jié)閥是可調(diào)開度，繼而控制系統(tǒng)噴霧量的大小。根據(jù)變量噴霧控制系統(tǒng)的壓力、流量傳感器的反饋數(shù)據(jù)，控制電動(dòng)調(diào)節(jié)閥開度的大小。電動(dòng)調(diào)節(jié)閥本身是一種比較復(fù)雜的控制系統(tǒng)，可以簡(jiǎn)單的看做是一個(gè)純滯后的二階系統(tǒng)來描述[3]：

式中：K——放大系數(shù)；τ——純滯后時(shí)間；T1和T2——時(shí)間系數(shù)。

在實(shí)際的系統(tǒng)中，K、T、τ0等參數(shù)會(huì)隨著變量噴霧控制系統(tǒng)的壓力、流量以及環(huán)境溫度等因素而變化。

2 模糊自整定PID控制器的設(shè)計(jì)

常規(guī)PID控制器系統(tǒng)主要由PID控制器和被控對(duì)象組成，其控制規(guī)律為：

式中，e(t),u(t)分別為PID控制器的輸入和輸出,Kp為比例系數(shù)，Ki為積分時(shí)間常數(shù)，Kd為微分時(shí)間常數(shù)。e(t)=r(t)-y(t)為偏差信號(hào)，u(t)為控制變量r(t)為設(shè)定的參考輸入值。

2.1模糊自整定控制的結(jié)構(gòu)圖

模糊自整定PID控制器以誤差e和誤差變化ec作為輸入(利用模糊規(guī)則在線對(duì)PID參數(shù)進(jìn)行修改)，可以滿足不同時(shí)刻的e和ec對(duì)PID參數(shù)自整定的要求。利用模糊控制規(guī)則在線對(duì)PID參數(shù)進(jìn)行修改，便構(gòu)成了模糊自整定PID控制器。

圖1 模糊自整定PID結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Fuzzy self-tuning PID structure diagram

2.2模糊自整定PID控制器算法設(shè)計(jì)

根據(jù)變量噴霧控制系統(tǒng)的物理模型和專家經(jīng)驗(yàn)，選擇誤差e和誤差變化ec作為模糊控制器的輸入變量；ΔKp、ΔKi、ΔKd為模糊控制器的輸出。經(jīng)過模糊化處理得到模糊語言變量E和Ec，其模糊子集均為{NB,NM,NS,ZR,PS,PM,PB}，同理輸出的ΔKp、ΔKi、ΔKd的模糊子集也均為{NB,NM,NS,ZR,PS,PM,PB}。選取模糊語言變量E、Ec以及ΔKp、ΔKi、ΔKd的論域均為{-6,-5,-4,-3,-2,-1,0,1,2,3,4,5,6}，并且E、Ec服從三角形隸屬函數(shù)曲線分布，ΔKp、ΔKi、ΔKd則服從高斯型隸屬函數(shù)曲線分布。在Mat lab命令窗口中鍵入Fuzzy命令,打開Fiseditor,進(jìn)入Member ship function editor,編輯輸入、輸出量的隸屬度函。

2.3模糊自整定PID控制規(guī)則表及模糊推理

根據(jù)變量噴霧控制系統(tǒng)的物理模型和專家經(jīng)驗(yàn)，選擇誤差e和誤差變化ec作為模糊控制器的輸入變量；ΔKp、ΔKi、ΔKd為模糊控制器的輸出[6]。經(jīng)過模糊化處理得到模糊語言變量E和Ec，其模糊子集均為{NB,NM,NS,ZR,PS,PM,PB}，同理輸出的ΔKp、ΔKi、ΔKd的模糊子集也均為{NB,NM,NS,ZR,PS,PM,PB}。選取模糊語言變量E、Ec以及ΔKp、ΔKi、ΔKd的論域均為{-6,-5,-4,-3,-2,-1,0,1,2,3,4,5,6}，并且E、Ec服從三角形隸屬函數(shù)曲線分布，ΔKp、ΔKi、ΔKd則服從高斯型隸屬函數(shù)曲線分布。在Matlab命令窗口中鍵入Fuzzy命令,打開Fiseditor,進(jìn)入Member ship function editor,編輯輸入、輸出量的隸屬度函如圖2、3、4所示：

圖2 E的隸屬函數(shù)曲線Fig.2 Membership function curve of E

圖3 Ec的隸屬函數(shù)曲線Fig.3 Membership function curve of Ec

圖4 ΔKp、ΔKi、ΔKd的隸屬函數(shù)曲線Fig.4 Membership function curve of ΔKp、ΔKi、ΔKd

通過模糊自整定優(yōu)化后的模糊控制規(guī)則表如表1、2、3所示，其中：ΔKP為模糊控制輸出PID參數(shù)中P的增量，ΔKi為模糊控制輸出PID參數(shù)中I的增量，ΔKd為模糊控制輸出PID參數(shù)中D的增量，E為誤差，EC為誤差變化率。

表1 ΔKp模糊控制規(guī)則表Table 1 The fuzzy control rules of ΔKP

表2 ΔKi模糊控制規(guī)則表Table 2 The fuzzy control rules of ΔKi

表3 ΔKd模糊控制規(guī)則表Table 3 The fuzzy control rules ofΔK

模糊自整定PID控制器工作流程圖如圖5所示：

圖5 PID控制器流程圖Fig.5 Flow chart of PID controller

3 仿真結(jié)果

采用MATLAB對(duì)模糊自整定PID控制的變量噴霧控制系統(tǒng)的模型進(jìn)行仿真[4],在MATLAB的仿真軟件中，采用Simulink和模糊邏輯控制箱實(shí)現(xiàn)模糊自整定PID控制。據(jù)已建立的數(shù)學(xué)模型推導(dǎo)出變量噴霧控制系統(tǒng)的傳遞函數(shù)如下：

在Simulink中對(duì)常規(guī)PID控制的變量控制系統(tǒng)進(jìn)行仿真，其常規(guī)PID的三大參數(shù)分別為Kp=3.0,、Ki=1.0、Kd=0.9。其仿真結(jié)果如下圖6、7所示：

圖6 常規(guī)PID仿真圖Fig.6 The simulation of conventional PID

圖7 模糊自整定PID仿真圖Fig.7 The simulation of fuzzy self-tuning PID

由上述及MATLAB仿真結(jié)果可以看出常規(guī)PID控制的超調(diào)量比較大，大約有32%。而模糊自整定PID控制則超調(diào)量比較小約為1.3%。因此模糊自整定PID控制優(yōu)于常規(guī)PID控制。

4 變量噴霧控制系統(tǒng)PLC控制

4.1變量噴霧控制系統(tǒng)主程序設(shè)計(jì)

變量噴霧控制系統(tǒng)的電動(dòng)調(diào)節(jié)閥，以西門子PLC的S7-200編程軟件編程來控制電動(dòng)調(diào)節(jié)閥，變量噴霧控制系統(tǒng)的全部功能由PC機(jī)配合相關(guān)的外圍電路實(shí)現(xiàn)。

4.2變量噴霧控制系統(tǒng)子程序設(shè)計(jì)

變量噴霧控制系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)過程中，為了提高程序設(shè)計(jì)的效率，采用結(jié)構(gòu)化和模塊化的程序設(shè)計(jì)思想。整個(gè)程序分為3個(gè)功能模塊進(jìn)行設(shè)計(jì)，分別為壓力傳感器的PID控制子程序、流量傳感器的PID控制子程序和模擬信號(hào)給定PID子程序。

圖9 壓力傳感器PID模塊流程圖Fig.9 Flow chart of pressure sensor PID module

圖8 系統(tǒng)的主程序流程圖Fig.8 Main program flow chart of the system

4.2.1 壓力傳感器的PID控制子程序?yàn)榱嗽趯?shí)驗(yàn)中能夠得到壓力測(cè)量較高的精確值，需要對(duì)壓力傳感器進(jìn)行PID程序的編程，其流程圖如下圖9所示。

流量傳感器在實(shí)驗(yàn)中測(cè)量水流量的大小，在控制過程中要得到較精確的數(shù)據(jù)，其PID程序流程圖同壓力傳感器大致相同。

4.2.2 模擬信號(hào)給定PID子程序?yàn)榱四苁闺妱?dòng)調(diào)節(jié)閥有明確的信號(hào)輸入，使調(diào)節(jié)閥能夠按照人為的思想進(jìn)行開度的調(diào)節(jié)，達(dá)到預(yù)期的試驗(yàn)效果。因此在PID控制子程序中加入人為給定的一個(gè)模擬量信號(hào)(圖10）。

4.3變量噴霧控制系統(tǒng)中斷程序設(shè)計(jì)

變量噴霧控制系統(tǒng)中斷程序滿足結(jié)構(gòu)化程序的特點(diǎn)，提高程序設(shè)計(jì)的效率。其最大的特點(diǎn)就是響應(yīng)迅速，在觸發(fā)中斷源后，它可以終止程序的執(zhí)行，轉(zhuǎn)而執(zhí)行中斷程序加快了程序進(jìn)程。變量噴霧控制系統(tǒng)的中斷PID控制流程圖如圖11所示：

圖10 模擬給定信號(hào)PID流程圖Fig.10 PID flow chart of given analog signal

圖11 中斷程序PID流程圖Fig.11 PID flow chart of interrupt program

4.4變量噴霧控制系統(tǒng)PLC控制效果

在PLC中編寫自適應(yīng)模糊變量規(guī)則表，根據(jù)輸入誤差和誤差變化率，通過模糊規(guī)則表查表求得模糊輸出，將模糊輸出反模糊化，反模糊化的結(jié)果控制變量噴霧閥的電機(jī)，進(jìn)而控制變量噴霧的噴霧量。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)表明，PLC控制變量噴霧效果為：模糊PID控制的超調(diào)量最大不超過5.6%，響應(yīng)時(shí)間為0.78 s，峰值時(shí)間為1.56 s，該效果完全達(dá)到精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)噴霧求。

5 結(jié)論

針對(duì)復(fù)雜的變量噴霧控制系統(tǒng)，本文提出了基于PLC控制的模糊自整定PID控制器。總結(jié)這種控制器的控制特點(diǎn)，通過仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，模糊自整定PID控制具有良好的調(diào)節(jié)效果。在超調(diào)量、控制精度、魯棒性等性能上優(yōu)于常規(guī)PID控制效果，具有很好的控制精度，超調(diào)量很小，控制效果和魯棒性好。

[1]林屹,葉小嶺.模糊自校正PID液位串級(jí)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索,2010,29(3):17-20

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Fuzzy Self-tuning PID Variable Spray Control System Based on PLC Control

DONG Zhi-ming,SONG Le-peng
SchoolofElectrical&InformationEngineering,ChongqingUniversityofScienceandTechnology,Chongqing401331,China

Variable spray control system has nonlinear,time-varying,big lag,etc.Conventional PID control can't satisfy the variable spray control system in the actual operation of the ideal control effect,so as to put forward a fuzzy self-tuning PID control based on PLC control method.PLC control of the fuzzy self-tuning PID control combined with PLC control flexible, changeable and adaptive fuzzy control,etc.through the mathematical modeling of variable spray control system,set up electric PI regulator for the core of the fuzzy self-tuning PID control system.Using Matlab/Simulink and fuzzy logic toolbox to general fuzzy PID control system and fuzzy self-tuning PID control based on PLC control system with Simulink simulation.The experimental results showed that fuzzy self-tuning PID control based on PLC control had the better quality than the conventional PID control in the nonlinear,time-varying and the reduce of the overshoot amount.

Variable spray control system;PLC;fuzzy self-tuning;PID control

TP 273

A

1000-2324(2014)04-0536-05

2013-03-11

2013-04-15

重慶市應(yīng)用開發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目(cstc2014yykfA80012)

董志明(1974-),男,漢族,江蘇南京人,副教授,博士,主要從事自動(dòng)化技術(shù)與裝備研究.