【正文】 器用于溫度控制系統(tǒng)，提出了 PLC的程序?qū)崿F(xiàn)方法，從而完成了模糊 PID控制的應(yīng)用。 最后設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了基于自整定模糊 PID控制器的溫度控制系統(tǒng)的主要程序。 隨著可編程序控制器 (簡稱 PLC)技術(shù)的不斷發(fā)展，它有著高可靠性、邏輯控制的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)方便靈活等優(yōu)點(diǎn)。由于其結(jié)構(gòu)簡單，容易被理解和實(shí)現(xiàn)，也成為應(yīng)用最廣泛的控制算法。 PID參數(shù)整定方法的發(fā)展現(xiàn)狀 根據(jù)研究方法， PID 參數(shù)整定方法 可分為基于頻域的 PID 參數(shù)整定方法和基于時域的PID 參數(shù)整定方法；按照被控對象的個數(shù)，可分為單變量 PID參數(shù)整定方法和多變最 PID參數(shù)整定方法；按照控制量的組合形式，可分為常規(guī) PID 參數(shù)整定方法與智能 PID 參數(shù)整定方法，前者包括現(xiàn)有大多數(shù)整定方法，后者 是最近幾年研究的熱點(diǎn)和難點(diǎn)。模糊控制的核心就是利用模糊集合理論，把人的控制策略的自然語言轉(zhuǎn)化為計(jì)算機(jī)能夠接受的算法語言所描述的控制算法，這種方法不僅能實(shí)現(xiàn)控制，而且能模擬人的思維方式對一些無法構(gòu)造數(shù)學(xué)模型的被控對象進(jìn)行有效的控制。除了上面所述的模糊控制的幾大方面外，模糊多變量控制 、模糊預(yù)測控制、模糊變結(jié)構(gòu)控制、模糊模式識別等研究，也都屬于較為前沿的研究方向。由于爐子的種類及原理不同，因此所采用的加熱方法及燃料也不同，如煤氣、天然氣、油電等。它既保留了 PLC 控制系統(tǒng)控制可靠、靈活、適應(yīng)能力強(qiáng)等特點(diǎn)，又提高了控制系統(tǒng)的智能化程度，是現(xiàn)代自動控制系統(tǒng)的發(fā)展趨勢之一。 第三章，本章主要介紹的是 模糊 PID的參數(shù)整定 。 第五章 , 本章首先介紹組態(tài)軟件的概述和界面設(shè)計(jì)，以及對溫度曲線進(jìn)行了分析。常規(guī) PID 控制系統(tǒng)由模擬 PID控制器和被控對象組成。 PID 控制原理 常規(guī) PID 控制器系統(tǒng)原理框圖如圖 21 所示，系統(tǒng)主要由 PID 控制器和被控對象組成。 比例（ P）調(diào)節(jié)作用：比例調(diào)節(jié)依據(jù)“偏差的大小”來動作，它的輸出與輸入偏差的大小成比例。比例調(diào)節(jié)作用是按比例反應(yīng)系統(tǒng)的偏差，系統(tǒng)一旦出現(xiàn)了偏差，比例調(diào)節(jié)立即產(chǎn)生調(diào)節(jié)作用用以減少偏差。但積分作用使最大動偏差增大，延長了調(diào)節(jié)時間。積分作用的強(qiáng)弱取決與積分 時間常數(shù) Ti， Ti 越小，積分作用就越強(qiáng)。它的輸出與輸入偏差變化的速度成比例，其效果是阻止被調(diào)參數(shù)的一切變化，有超前調(diào)節(jié)的作用，對滯后大的對象 (溫度 )有很好的效果。因此，可以改善系統(tǒng)的動態(tài)性能。微分作用不能單獨(dú)使用，需要與另外兩種調(diào)節(jié)規(guī)律相結(jié)合，組成 PD 或 PID 控制器。本章在介紹 PID 參數(shù)整定概念的基礎(chǔ)上，介紹了 PID 參數(shù)整定的幾種方法。 自校正控制則為解決控制器參數(shù)的在線實(shí)時校正提供了很有吸引力的技術(shù)方案。對動態(tài)特性時變的過程，控制器的參數(shù)應(yīng)具有在線自校正的能力，以補(bǔ)償過程時變。從原理上看，只要控制系統(tǒng)存在動態(tài)誤差，積分調(diào)節(jié)就產(chǎn)生作用，直至無 PID 控制器參數(shù)自整定方法的研究與實(shí)現(xiàn)差，積分作用就停止，此時積分調(diào)節(jié)輸出為一常值。 (3)微分作用對控制性能的影響 微分作用的引入，主要是為了改善控制系統(tǒng)的響應(yīng)速度和穩(wěn)定性。微分作用的強(qiáng)弱取決于微分時間幾的大小，幾越大，微分作用越強(qiáng)，反之則越弱 。此外，微分作用反映的是變化率，當(dāng)偏差沒有變化時，微分作用的輸出為零?；谝?guī)則的 PID 參數(shù)自整定，則是運(yùn)用系統(tǒng)臨界點(diǎn)信息或系統(tǒng)響應(yīng)曲線上的一些特征值來表征對象特性，控制器參數(shù)由基于規(guī)則的整定法得到。 (2） 規(guī)則法 基于規(guī)則的整定方法，可分成采用臨界比例度原則的方法、采用階躍響應(yīng)曲線的模式識別方法和基于模糊控制原理的方法等。模糊邏輯控制系統(tǒng)是一種典型的智能控制系統(tǒng)，在控制原理上它應(yīng)用模糊集合論、模糊語言變量和模糊推理知識，模擬人的思維方法，對復(fù)雜系統(tǒng)進(jìn)行控制。模糊控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)如圖31所示 : 圖 31 模糊控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu) 模糊控制器的設(shè)計(jì)方法 由于模糊控制器采用數(shù)字計(jì)算機(jī)來實(shí)現(xiàn)的，它可以將系統(tǒng)的偏差從數(shù)字量化為模糊量，對模糊量按給定的規(guī)則進(jìn)行模糊推理，最后把模糊推理結(jié)構(gòu)的模糊輸出量轉(zhuǎn)化為實(shí)際系統(tǒng)能夠接受的精確數(shù)字量或模擬量。模糊 PID 控制器的結(jié)構(gòu)如圖 33所示： 圖 33 模糊 PID 控制器的結(jié)構(gòu) 圖 33 模糊 PID 控制器的結(jié)構(gòu) ， r 為系統(tǒng)的輸入， y 為 系統(tǒng)的輸出， e 為系統(tǒng)輸入與輸出的差， ec 為誤差的變化率。 (1)確定模糊控制器的輸入、輸出變量，從而也就確定了模糊控制器的維數(shù)。首先確定模糊子集個數(shù)，確定 t 個模糊子集的語言變量，然后為各語言變量選擇隸屬度函數(shù)。 (5)求出模糊控制表。 考慮在不同時刻三個參數(shù)的作用及相互之間的關(guān)系，給出 PID 參數(shù)自整定原則如下 : (1)當(dāng) e 較大時，為加快系統(tǒng)響應(yīng)速度并防止起始偏差 e 瞬間變大，應(yīng)取較大的 Kp和較小的 KD，同時為避免系統(tǒng)出現(xiàn)較大的超調(diào)，應(yīng)對積分作用加以限制，通常取 KI=0。 根據(jù)以上對 Kp, Ki, Kd 的作用和調(diào)整方法，得到 Kp, Ki, Kd 的模糊控制規(guī)則，通過模糊化處理?？刂七^程為控制器定時采樣溫度值和溫度值變化率與給定值比較 , 得溫度值偏差 e 以及偏差變化率 e c ,并以此作為 PLC 控制器 的輸入變量 ,經(jīng)模糊控制器輸出比例系數(shù) Kp、積分時間 Ti、微分時間 Td 給 PID控制器進(jìn)行調(diào)節(jié) ,然后經(jīng) D/A 轉(zhuǎn)換送溫控對象。 Kp、 Ti、 Td 論域等級為 Kp=Ti=Td=[3,2,1,0,1,2,3],模糊化子集為 KP=TI=TD［ NB,NM,NS,ZE,PS,PM,PB］。而當(dāng)誤差較小時 , 選擇控制量要注意防止超調(diào)?？捎媚：Z句實(shí)現(xiàn)這條規(guī)則(If e=NB and ec=NB then Kp=PB)。 4 模糊 PID 參數(shù)自整定 控制的 PLC 實(shí)現(xiàn) 及實(shí)驗(yàn)配置 可編程控制器 的概述 可編程控制器是一種工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，英文全稱： Programmable Controller，為了和個人計(jì)算機(jī) (PC)區(qū)分，一般稱其為 PLC。 1968 年，美國的汽車制造公司通用汽車公司 (GM)提出了研制一種新型控制器的要求，并從用戶角度提出新一代控制器應(yīng)具備十大條件，立即引起了開發(fā)熱潮。如今，世界各國的一些著名的電氣工廠幾乎都在生產(chǎn)可編程控制器。本論文實(shí)物采用的是 西門子 的 S7200系列 PLC。它具有 24 個輸入點(diǎn)和 16 個輸出點(diǎn)。所調(diào)用標(biāo)準(zhǔn)熱電偶是指國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī) 17 定了其熱電勢與溫度的關(guān)系、允許誤差、并有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)分度表的熱 電偶，它有與其配套的顯示儀表可供選用本論文才用的是 K型熱電阻 。 （ 6） STEP 7 MicroWIN SP3 軟件介紹 STEP 7 MicroWIN SP3 編程軟件是 基于 Windows 的應(yīng)用軟件，是西門子公司專門為SIMTIC S7200系列 PLC設(shè)計(jì)開發(fā)的。 18 圖 41 PLC 程序設(shè)計(jì)流程圖 輸入量等級量 化的梯形圖設(shè)計(jì) 根據(jù) e 和 ec 論域所分的等級 ,將實(shí)際溫度變化范圍分為 7 檔 , 依據(jù)式下式將基本論域區(qū)間 [ ] 的精確量按四舍五入原則量化為論域區(qū)間 [a,b]的論域元素 (模糊量 ) ,n=3,e 為溫度變化值。 表 41 e 對應(yīng)的模糊化論域 X 元素表 e [,] [,0] [0, ] [, ] [,] X 3 2 1 0 1 2 3 表 42 ec 對應(yīng)的模糊化論域 Y 元素表 ec [,] [,0] [0, ] [, ] [,] 開始 將模糊控制查詢表逐行置入 PLC 的 VD500VD548(Kp 論域 )、 VD600VD648（ Ti論域）、 VD700VD748(Td 論域 )中 將 A/D 采樣的設(shè)定值喝反饋值分別置入 VD250 和 VD260 中 計(jì)算 e 和 ec 分別置入 VD270 和 VD370 中 將輸入量分別量化到輸入模糊量化的論域 [3,2,1,0,1,2,3]中的對應(yīng)元素，置入 VW200 和 VW300 中 查模糊控制查詢表得到輸出量 Kp、 Ti、 Td置入 VD800、 VD80 VD808中 查模糊控制查詢表得到輸出量 Kp、 Ti、 Td 置入 VD800、 VD80 VD8 反模糊化得 Kp*、 Ti*、 Td* PID 運(yùn)算輸出 經(jīng) D/A輸出控制量 經(jīng) D/A輸出控制量 經(jīng) D/A輸出控制量 結(jié)束 19 Y 3 2 1 0 1 2 3 圖 42 子程序 SBR1 輸入量的變化量 e 模糊化程序見子程序 SBR1 如圖 42所示 ,量化值存入 VW200,ec 量化值存入 VW300。查表程序設(shè)計(jì)利用變址寄存器 , 通過采取 “基 20 址 + 偏移地址”尋址的設(shè)計(jì)方法來實(shí)現(xiàn)。在本實(shí)驗(yàn)裝置的溫度控制系統(tǒng)中取比例系數(shù)范圍 21 圖 44 子程序 SBR3 是 0 ～ 5, 積分 時間 范圍 是 0～ 5 分鐘 ,微 分時 間范 圍是 0～ 5 分鐘 , 故K1=5/3=,K2=5/3=,K3=5/3=。 組態(tài)王 具有適應(yīng)性強(qiáng)、開放性好、易于擴(kuò)展、經(jīng)濟(jì)、開發(fā)周期短等優(yōu)點(diǎn)。通過對監(jiān)控系統(tǒng)要求及實(shí)現(xiàn)功能的分析，采用組態(tài)王對監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)。 組態(tài)軟件的設(shè)計(jì)要求 本系統(tǒng)由組態(tài)軟件和 S7200 PLC 構(gòu)成一個上下位機(jī)系統(tǒng)，在組態(tài)界面中實(shí)現(xiàn)如下功能： (1)系統(tǒng)啟動、停止操作； (2)工藝流程顯示：通過組態(tài)軟件窗口可以形象顯示溫度控制系統(tǒng)的工藝流程； (3)實(shí)時監(jiān)測功能功能：運(yùn)行時溫度變化實(shí)時曲線顯示； 組態(tài)功能設(shè)計(jì) 本設(shè)計(jì)是通過 PPI 通信協(xié)議，上位機(jī)監(jiān)視工藝流程的各個環(huán)節(jié)的情況，并根據(jù)要求隨時提供控制信號。 (3)動畫顯示 為了 讓工作人員能跟形象跟直觀的觀察系統(tǒng)的各個工藝流程，組態(tài)軟件必須能夠以豐富形象的圖片動畫實(shí)時跟蹤體現(xiàn)系統(tǒng)的工作狀態(tài)，讓工作人員清晰地了解系統(tǒng)工作狀態(tài)。 圖 51 溫度控制主界面 ○ 2 實(shí)時數(shù)據(jù) 在實(shí) 時曲線窗口如圖 51。下面利用實(shí)驗(yàn)設(shè)備對整個系統(tǒng)進(jìn)行測試。 圖 52 溫度實(shí)時曲線 曲線分析 PID 常規(guī)控制器和模糊 PID 控制器對相同輸入的響應(yīng)特性曲線來進(jìn)行二者之間的比較。 圖 53 PID 常規(guī)控制溫度曲線 27 6 總結(jié)與展望 在完成論文期間，查閱了大量的有關(guān) PID 參數(shù)整定算法以及溫度控制系統(tǒng)的資料，對將模糊 PID 參數(shù)自整定控制算法進(jìn)行了深入的研究，并將其運(yùn)用到溫度控制系統(tǒng)中去，以 PLC 為處理器，設(shè)計(jì)出了一套溫度控制系統(tǒng)。當(dāng)然還因?yàn)閭€人能力有限，還有很多不足的地方目前還沒及時發(fā)現(xiàn)，敬請各位老師和同學(xué)指正，力求將本設(shè)計(jì)做的更加完善。 28 致 謝 時光飛逝，轉(zhuǎn)眼間四年的大學(xué)學(xué)習(xí)生活即將結(jié)束。 感謝含辛茹苦培養(yǎng)我的父母，他們在我過去的時間里，給予我無微不至的關(guān)懷和照顧，給我提供物質(zhì)和精神上的支持，謝謝