【導(dǎo)讀】作假、抄襲的情況，本人愿承擔全部責任。象，本人愿承擔指導(dǎo)教師的相關(guān)責任。

　　

【正文】 模糊 PID 控制的 PLC 實現(xiàn) 程序設(shè)計流程 PLC 程序設(shè)計流程圖如圖 41 所示。 18 圖 41 PLC 程序設(shè)計流程圖 輸入量等級量 化的梯形圖設(shè)計 根據(jù) e 和 ec 論域所分的等級 ,將實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。 S7200 的 A/D 轉(zhuǎn)換模塊 ,理論上模糊控制器的輸入的取值范圍可能為 0～ 32020。然而 ,實際上僅剛開始起動等很少時候可能達到 32020。在正常運行過程中 ,的基本論域取值比上述范圍要小得多 ,模糊量化的論域取為 [3,+3],e 對應(yīng)的模糊化論域如表 41 所示。 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。 模糊控制表程序 模糊控制查詢表是經(jīng)模糊推理與逆模糊化運算獲得的一個 7*7(基于上述對語言變量論域范圍的設(shè)定 )的二維矩陣。表 41 給出了一個模糊控制查詢表 Kp 的實例 ,表中矩陣元素 Kp 是由輸入量 e 和 ec 的論域元素確定的輸出控制量的量化值。將查詢表元素逐行依次存儲在 PLC 的 VD500～ VD548 中。查表程序設(shè)計利用變址寄存器 , 通過采取 “基 20 址 + 偏移地址”尋址的設(shè)計方法來實現(xiàn)。設(shè) e 和 ec的論域元素分別為 X、 Y,則輸出量比例 Kp 的位置為 :表首地址 +[7(X+3)+(Y+3)],表首地址為 VD500。同理將 Ti、 Td論域元素分別存放在 VD600～ VD64 VD700～ VD748 中 ,程序 見附錄 。 Kp 的查詢表程序為 SBR2,如圖 43 所示 圖 43 子程序 SBR2 反模糊化程序 把由表 41 查出的控制量模糊論域中的值 Z p i j ( 即 VD500～ VD548 中的值 )乘以比 例因子 K1 便可以得到實際的比例系數(shù) Kp*=K1 χ Zpij,實際的積分時間 Ti*= K2 χ Ziij,實際的微分時間 Td*=K3 χ Zdij。在本實驗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=。程序如圖 44所示。 參數(shù)可調(diào)的 PID 運算程序 PLC 在執(zhí)行 PID 調(diào)節(jié)指令時 ,須 對算法中的 7 個參數(shù)進行運算 ,為此 S7200 的 PID 指令使用一個存儲回路參數(shù)的回路表 ,PID 回路表的格式及含義如表 47 所示。 表 47 PID 回路表 偏移量 域 說明 T+0 反饋量（ PVn） T+4 給定值（ SPn） T+8 輸出值 （ Mn） T+12 增益（ Kc） 比列常數(shù)，可正可負 T+16 采樣時間 （ Ts） 單位為 s，且正數(shù) T+20 積分時間（ Ti） 單位為 min，且正數(shù) T+24 微分時間（ Td） 單位為 min，且正數(shù) 22 (1) 主程序如圖 45 所示 圖 45主程序 (2) 中斷程序如圖 46 所示 圖 46 中斷程序 23 5 組態(tài)軟件設(shè)計以及系統(tǒng)分析 組態(tài)王開發(fā)監(jiān)控系統(tǒng)軟件，是新型的工業(yè)自動控制系統(tǒng)正以標準的工業(yè)計算機軟、硬件平臺構(gòu)成的集成系統(tǒng)取代傳統(tǒng)的封閉式系統(tǒng)。 組態(tài)王 具有適應(yīng)性強、開放性好、易于擴展、經(jīng)濟、開發(fā)周期短等優(yōu)點。通?？梢园堰@樣的系統(tǒng)劃分為控制層、監(jiān)控層、管理層三個層次結(jié)構(gòu)。其中監(jiān)控層對下連接控制層，對上連接管理層，它不但實現(xiàn)對現(xiàn)場的實時監(jiān)測與控制，且在自動控制系統(tǒng)中完成上傳下達、組態(tài)開發(fā)的重要作用。尤其考慮三方面問題：畫面、數(shù)據(jù)、動畫。通過對監(jiān)控系統(tǒng)要求及實現(xiàn)功能的分析，采用組態(tài)王對監(jiān)控系統(tǒng)進行設(shè)計。 組態(tài) 王 軟件 也為試驗者提供了可視化監(jiān)控畫面，有利于試驗者實時現(xiàn)場監(jiān)控。而且，它能充分利用 Windows 的圖形編輯功能，方便地構(gòu)成監(jiān)控畫面，并以動畫方式顯示控制設(shè)備的狀態(tài)，具有報警窗口、實時趨勢曲線等，可便利 的生成各種報表。它還具有豐富的設(shè)備驅(qū)動程序和靈活的組態(tài)方式、數(shù)據(jù)鏈接功能。 組態(tài)軟件的設(shè)計要求 本系統(tǒng)由組態(tài)軟件和 S7200 PLC 構(gòu)成一個上下位機系統(tǒng)，在組態(tài)界面中實現(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)實時監(jiān)測功能功能：運行時溫度變化實時曲線顯示； 組態(tài)功能設(shè)計 本設(shè)計是通過 PPI 通信協(xié)議，上位機監(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。其主要功能有實時處 理、繪出實時溫度曲線、記錄，具體如下： (1)安全機制 在現(xiàn)實的工業(yè)控制系統(tǒng)中，為防止意外事故的發(fā)生，往往會禁止非工作人員的操作，因為這些非專業(yè)人員不了解工作內(nèi)容，極為容易引發(fā)誤操作而發(fā)生事故。為了避免這類事故發(fā)生，組態(tài)軟件必須提供完善的安全機制，控制操作權(quán)限，使工作人員無法操作。 (2)實時數(shù)據(jù)處理 24 系統(tǒng)運行期間，要求系統(tǒng)能實時監(jiān)控流程，且有時會根據(jù)工藝需要，修改控制參數(shù)，或是由于突發(fā)事件，需要對系統(tǒng)進行必要的操作，這要求組態(tài)軟件必須可以隨時發(fā)出各種控制信號控制和監(jiān)視工藝流程。 (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)。 工藝流程監(jiān)控： ○ 1 系統(tǒng)運行窗口 進入的主窗口如圖 51，在系統(tǒng)運行窗口中。使用組態(tài)王軟件的圖元及圖符，根據(jù)具體的工藝流程繪制出了友好的人機界面。在這個人機界面上，我們可以實現(xiàn)系統(tǒng)啟動 /停止的切換實現(xiàn)溫度的實時顯示和溫度曲線顯示等功能。 圖 51 溫度控制主界面 ○ 2 實時數(shù)據(jù) 在實 時曲線窗口如圖 51。在該窗口中，我們可以觀察到溫度實時數(shù)據(jù)曲線。根據(jù)這曲線，可以判斷系統(tǒng)的運行狀態(tài)。 25 組態(tài)測試 通過以上工作，控制系統(tǒng)已基本建立起來了。下面利用實驗設(shè)備對整個系統(tǒng)進行測試。將程序下載到 PLC 中，并且啟動組態(tài)界面，進入運行環(huán)境，依次點擊工程下載和啟動運行，若沒出錯信息，則通訊成功，可以進行測試。 (1) 在系統(tǒng)運行窗口，分別點擊啟動、停止按鈕，觀察加熱器的顏色，及組態(tài)上標簽的變化，加熱器的溫度有變化，而標簽也有切換，證明系統(tǒng)實時數(shù)據(jù)庫構(gòu)造正確。 (2) 點擊啟動控制，觀察溫度曲線窗 口，五分鐘后，窗口如圖 52 所示，在實時曲線中記錄的曲線為實際溫度值。 圖 52 溫度實時曲線 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)特性曲線來進行二者之間的比較。通過運行在組態(tài)王中建立的模型 ,可以得到如圖 53 的響應(yīng)特性曲線。相對于常規(guī) PID 26 控制來說 ,模糊 PID 控制有著響應(yīng)時間短、更快的反應(yīng)速度 , 并且超調(diào)小。這表明對于溫度過程控制系統(tǒng) ,采用模糊 PID 控制可以取得更好的性能 ,基本實現(xiàn)對控制系統(tǒng)的快速、準確控制。 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)自整定控制算法進行了深入的研究，并將其運用到溫度控制系統(tǒng)中去，以 PLC 為處理器，設(shè)計出了一套溫度控制系統(tǒng)。 本文通過利用西門子 S7200 實現(xiàn)過程控制系統(tǒng)實驗裝置中的溫度模糊控制 ,這一算法的改進給 PID 參數(shù)在線調(diào)整提供了很大的方便 ,與常規(guī)的 PID 控制相比 ,模糊 PID 控制克服了溫度控制的時變、非線性等不利因素的影響 , 具有魯棒性強、動態(tài)性能好等特點。 在軟件編程方 面，由十本人編程能力不強，可能有的子程序可以編得更加簡潔實用或者功能更加完全。今后我將進一步的改進本設(shè)計的各個功能，使其性能更加完善，讓用戶使用起來感覺更加滿意。當然還因為個人能力有限，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指正，力求將本設(shè)計做的更加完善。 時至今日，模糊 PID 控制的理論及應(yīng)用還需要進一步的發(fā)展和研究，尤其 是將其運用于溫度控制系統(tǒng)，還需進一步研究，要解決和發(fā)展的問題還很多 : （ 1）研究出適合溫度控制系統(tǒng)的模糊 PID 參數(shù)整定結(jié)構(gòu)，包括其模糊結(jié)構(gòu)、學習算法和學習策略。 （ 2）深入研究模糊控制以及其他的控制算法在溫度控制系統(tǒng)中的應(yīng)用，分別搭配各控制算法，將其結(jié)合到一起進行 PID 參數(shù)整定，找出適合溫度控制系統(tǒng)的最佳配置。 （ 3）深入研究模糊 PID 的 PLC 實現(xiàn)，并將其應(yīng)用到溫度控制系統(tǒng)中，精確的調(diào)試以 PLC為內(nèi)核的溫度控制系統(tǒng)。 28 致 謝 時光飛逝，轉(zhuǎn)眼間四年的大學學習生活即將結(jié)束。在此我要向幫助過我的老師、同學、朋友和親人們表示深深的感謝，感謝你們對我的關(guān)愛和幫助。首先我要感謝我的指導(dǎo)老師許思猛，從研究方向的確立，內(nèi)容的指導(dǎo)以及論文的撰寫，都滲透 著老師的心血。感謝您在此期間所給予我的殷切關(guān)懷和諄諄教誨。 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，謝謝你們。 衷心感謝各校領(lǐng)導(dǎo)、院領(lǐng)導(dǎo)、系領(lǐng)導(dǎo)以及輔導(dǎo)員，感謝你們這幾年來對我的幫助和關(guān)懷。 在此機會，我想感謝我的各位同門，各位師姐、師妹、師兄、師弟，感謝你們在學習和生活上都給了我極大的幫助，我會永遠懷念跟你們在一起的這四年時光。 最后，再次向所有關(guān)心和幫助過我的領(lǐng)導(dǎo)、老師、同學和朋友表示由衷的謝意 !同時衷心地感謝在百 忙之中評閱論文和參加答辯的各位專家、教授 !祝愿你們工作愉快、身體健康 ! 29 參考文獻 [1]. 吳為民，王仁麗．溫度控制系統(tǒng)的發(fā)展概況．工業(yè)爐， 2020， 24(2)， 1820． [2]. 張愛筠，張琳琳，賀楠．溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計與市場研究．商業(yè)經(jīng)濟， 2020， (2)， 5758． [3]. 金凱鵬 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Ed Brinksma, Angelika Mader, Ansgar Fehnker . Verification and optimization of a PLC control schedule. International Journal on Software Tools for Technology Transfer (STTT), 2020, 4(1): 2123. 30 附錄 主程序： 31 中斷： 32 33 子程序 1： 34 35 36 37 子程序 2： 38 39 40 子程序 3：