基于PLC的自整定PID溫度控制設計

1、畢業(yè)設計論文題 目：基于PLC的自整定PID溫度控制設計 學 生： 指導老師： 許思猛 系 別： 電子信息與電氣工程系 專 業(yè)： 電氣工程及其自動化 班 級： 電氣0702 學 號： 0207103217 2021年6月福建工程學院本科畢業(yè)設計(論文)作者承諾保證書本人鄭重承諾： 本篇畢業(yè)設計(論文)的內(nèi)容真實、可靠。如果存在弄虛作假、抄襲的情況，本人愿承當全部責任。學生簽名：年 月 日福建工程學院本科畢業(yè)設計(論文)指導教師承諾保證書本人鄭重承諾：我已按有關規(guī)定對本篇畢業(yè)設計(論文)的選題與內(nèi)容進行了指導和審核，該同學的畢業(yè)設計論文中未發(fā)現(xiàn)弄虛作假、抄襲的現(xiàn)象，本人愿承當指導教師的相關責任。

2、指導教師簽名： 年 月 日目 錄 TOC o 1-3 u 摘 要 PAGEREF _Toc295172045 h IAbstract PAGEREF _Toc295172046 h II1 緒論 PAGEREF _Toc295172047 h 1 課題的背景和意義 PAGEREF _Toc295172048 h 1 1.2 PID參數(shù)整定方法的開展現(xiàn)狀 PAGEREF _Toc295172049 h 1 模糊控制開展現(xiàn)狀 PAGEREF _Toc295172050 h 2 溫度控制系統(tǒng)的開展現(xiàn)狀 PAGEREF _Toc295172051 h 2 論文的主要內(nèi)容及組織結構 PAGEREF _T

3、oc295172052 h 32 PID控制 PAGEREF _Toc295172053 h 4 2.1 PID控制原理 PAGEREF _Toc295172054 h 4 2.2 PID 三個參數(shù)的調節(jié)作用 PAGEREF _Toc295172055 h 5 2.3 PID 參數(shù)整定算法的溫度控制系統(tǒng)研究 PAGEREF _Toc295172056 h 6 2.3.1 PID 參數(shù)整定的概念 PAGEREF _Toc295172057 h 6 2.3.2 PID控制器參數(shù)對控制性能的影響 PAGEREF _Toc295172058 h 6 2.3.3 PID 參數(shù)整定的方法 PAGEREF

4、_Toc295172059 h 73 基于模糊控制的PID參數(shù)整定 PAGEREF _Toc295172060 h 9 模糊控制 PAGEREF _Toc295172061 h 9 模糊控制系統(tǒng)的組成 PAGEREF _Toc295172062 h 9 模糊控制器的設計方法 PAGEREF _Toc295172063 h 9 模糊PID參數(shù)自整定原理 PAGEREF _Toc295172064 h 10 3.3 模糊PID參數(shù)自整定設計 PAGEREF _Toc295172065 h 114模糊PID參數(shù)自整定控制的PLC 實現(xiàn) PAGEREF _Toc295172066 h 16 可編程控制

5、器及實驗配置 PAGEREF _Toc295172067 h 16 可編程控制器的概述 PAGEREF _Toc295172068 h 16 可編程控制器的根本組成 PAGEREF _Toc295172069 h 16 實驗配置和軟件環(huán)境 PAGEREF _Toc295172070 h 16 4.2 模糊PID 控制的PLC 實現(xiàn) PAGEREF _Toc295172071 h 17 4.2.1 程序設計流程 PAGEREF _Toc295172072 h 17 4.2.2 輸入量等級量化的梯形圖設計 PAGEREF _Toc295172073 h 18 4.2.3 模糊控制表程序 PAGER

6、EF _Toc295172074 h 20 4.2.4 反模糊化程序 PAGEREF _Toc295172075 h 20 4.2.5 參數(shù)可調的PID 運算程序 PAGEREF _Toc295172076 h 215組態(tài)軟件設計以及系統(tǒng)分析 PAGEREF _Toc295172077 h 23 組態(tài)王軟件概述 PAGEREF _Toc295172078 h 23 監(jiān)控系統(tǒng)功能設計 PAGEREF _Toc295172079 h 23 5.2.1 組態(tài)軟件的設計要求 PAGEREF _Toc295172080 h 23 5.2.2 組態(tài)功能設計 PAGEREF _Toc295172081 h

7、23 組態(tài)界面設計 PAGEREF _Toc295172082 h 24 5.4 組態(tài)測試 PAGEREF _Toc295172083 h 25 5.5 曲線分析 PAGEREF _Toc295172084 h 256 總結與展望 PAGEREF _Toc295172085 h 27致謝 PAGEREF _Toc295172086 h 28參考文獻 PAGEREF _Toc295172087 h 29附錄基于PLC的自整定PID溫度控制設計摘 要溫度是各種工業(yè)生產(chǎn)和科學實驗中最普遍、也是最重要的熱工參數(shù)之一。溫度控制的精度對產(chǎn)品或實驗結果會產(chǎn)生重大的影響。溫度控制的模式多樣，而PLC可靠性高，

8、抗干擾能力強，易學易用，采用PLC控制是其中一種比擬優(yōu)越的控制。本文首先分析了目前溫度的控制方法，找出傳統(tǒng)PID控制的缺乏,針對PID固定參數(shù)在非線性環(huán)境下難以保證系統(tǒng)性能的缺陷，提出采用模糊策略增強PID控制在非線性系統(tǒng)中的有效性，即采用模糊推理的方式自整定PID控制參數(shù),基于對溫度的結構特點和控制性能要求，論文提出了模糊PID控制的根本框架和模糊規(guī)那么、論域等相關參數(shù)的整定方法，設計了模糊PID溫度控制器的控制策略, 在此根底上以西門子S7-200 PLC為處理器實現(xiàn)了具有自整定功能的PID溫度控制系統(tǒng)。論文將該模糊PID控制器用于溫度控制系統(tǒng)，提出了PLC的程序實現(xiàn)方法，從而完成了模糊P

9、ID控制的應用。人機界面采用的是國內(nèi)的一個比擬流行的組態(tài)王軟件。組態(tài)王可以實現(xiàn)在線監(jiān)控。組態(tài)工程中制作了曲線畫面和監(jiān)控畫面，用戶可方便地查詢PLC的運行情況、數(shù)據(jù)采集和在線控制。最后設計并實現(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。關鍵詞：溫度控制,PLC,模糊控制,PID參數(shù)整定,組態(tài)王Study of self-tuning PID controller in Temperature Control System Based on PLCABSTRACTTemperature is the most universal and important industrial par

10、ameter in all kinds of technical produce and scientific experiment. The manipulative precision of temperature will take a great effect on production or experimental result. The mode of temperature control is various. The programmable logic controller (PLC) is Reliable not easily to be jamming and ea

11、sily to be learned and used , welcomed by workers and widely used in industry.The thesis analyzes the control strategy currently used, in order to find out the Shortages about traditional PID control. Considering the bad Performance of the Sintering Process brought by fixed PID Parameters, a fuzzy c

12、ontrol method is developed to enhance PID control， in which fuzzy inference is used to modify PID control Parameters . Based on the requirements of sintering fumace and control performance， some key issues， such as framework of fuzzy PID control，based on this PLC implementation with control system o

13、f the function of self-tuning PID temperature, the methods of adjustment of the fuzzy rules and the parameters, are presented in the thesis to provide the complete temperature control of sintering furnace. The programs of PLC are developed to realize the industrial implements. We have designed Human

14、 Machine InterfaceHMIwith the Kingview configuration soft which is developed by domestic company . The Kingview can monitor and control the PLC on line. We also have designed several menu, including the historical curve screen and monitoring screen. Users can easily query the operation of PLC, data

15、acquisition and on-line control.Finally the procedures of the temperature control system based on the self-tuning PID controller is designed and implementedKey Words：Temperature control, PLC, Fuzzy-PID Control , PID parameter tuning, Kingview1 緒論1.1課題的背景和意義隨著控制理論的不斷開展，各項控制場合諸如溫度、壓力及流量等參數(shù)的控制及測量都得到了長足

16、的開展。而溫度控制是其中最重要的一項。以傳統(tǒng)的單片機為核心的溫度控制系統(tǒng)，由于受到處理器自身硬件資源和速度的限制，硬件電路設計復雜，數(shù)據(jù)實時處理能力差，溫度調節(jié)時間長。隨著可編程序控制器(簡稱PLC)技術的不斷開展，它有著高可靠性、邏輯控制的設計實現(xiàn)方便靈活等優(yōu)點。將模糊控制與PLC 控制技術相結合，利用PLC 實現(xiàn)模糊控制實現(xiàn)PID參數(shù)自整定，將會有越來越廣泛的應用。它既保存了PLC 控制系統(tǒng)控制可靠、靈活、適應能力強等特點，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)的開展趨勢之一。 PID以其算法簡單、魯棒性好和可靠性高的特點，被廣泛應用于工業(yè)過程控制。由于其結構簡單，容易被理解和實

17、現(xiàn)，也成為應用最廣泛的控制算法。在溫度控制軟件上如果采用PID控制算法，便能使得溫度調節(jié)具有速度快、精度高的特點。 本課題研究的主要目的是運用模糊理論進行PID參數(shù)整定，并以PLC為處理器，設計出一套基于PID參數(shù)自整定的溫度控制系統(tǒng)。本課題對PID參數(shù)整定的方法具有一定的實際運用價值，并把PID控制理論應用到溫度控制系統(tǒng)當中，為從事過程控制系統(tǒng)的軟件和硬件設計人員提供了一個很好的應用實例。1.2 PID參數(shù)整定方法的開展現(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

18、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和難點。一般來說，PID參數(shù)整定方法可以分為這樣幾類：基于模型的自整定方法、基于規(guī)那么的自整定方法、智能PID參數(shù)整定方法、多變量P1D參數(shù)整定方法。目前，主要將模糊邏輯、神經(jīng)網(wǎng)絡、混沌、進化算法(遺傳算法、進化策略、進化規(guī)劃)、免疫算法以及量子計算等自然計算應用于PID參數(shù)整定，是目前PID參數(shù)整定方法研究的熱點。1.3模糊控制開展現(xiàn)狀模糊控制是以模糊集合理論為根底的一種新興的控制手段，它是模糊系統(tǒng)理論和模糊技術與自動控制技術相結合的產(chǎn)物。模糊控制的核心就是利

19、用模糊集合理論，把人的控制策略的自然語言轉化為計算機能夠接受的算法語言所描述的控制算法，這種方法不僅能實現(xiàn)控制，而且能模擬人的思維方式對一些無法構造數(shù)學模型的被控對象進行有效的控制。進入90年代，由于國際上許多著名學者的參與以及工程應用中取得了大量的成功，尤其對那些大量的無法用經(jīng)典與現(xiàn)代控制理論建立精確數(shù)學模型的復雜系統(tǒng)，模糊控制特別顯得成績非凡，因而導致了更多人的參與研究。實際上模糊控制已經(jīng)作為智能控制的一個主要分支確定下來。在國際大趨勢的推動下，模糊控制已開始向多元化開展。除了上面所述的模糊控制的幾大方面外，模糊多變量控制、模糊預測控制、模糊變結構控制、模糊模式識別等研究，也都屬于較為前沿

20、的研究方向。進入21世紀，對于經(jīng)典模糊控制系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)性能的改善，模糊集成控制、模糊自適應控制、專家模糊控制與多變量模糊控制的研究，特別是針對復雜系統(tǒng)的自學習與參數(shù)(或規(guī)那么)自調整模糊系統(tǒng)方面的研究，尤其受到學者們的重視。近幾年，對模糊控制的研究越來越深入，應用也越來越廣泛。1.4溫度控制系統(tǒng)的開展現(xiàn)狀近年來，在我國以信息化帶動的工業(yè)化正在蓬勃開展，溫度已成為工業(yè)對象控制中一種重要的參數(shù)，特別是在冶金、化工、機械等各類工業(yè)中，廣泛使用各種加熱爐、熱處理爐、反響爐等。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。對于不同生產(chǎn)情況和工藝要求下的溫度控制，所采用的

21、加熱方式，選用的燃料，控制方案也有所不同。例如冶金、機械、食品、化工等各類工業(yè)生產(chǎn)中廣泛使用的各種加熱爐、熱處理爐、反響爐等；燃料有煤氣、天然氣、油、電等；控制方案有直接數(shù)字控制(DDC)，推斷控制，預測控制，模糊控制(Fuzzy)，專家控制(Expert Contr01)，魯棒控制(Robust Contr01)，推理控制等。隨著PLC 技術的不斷開展，將模糊控制與PLC 控制技術相結合，利用PLC 實現(xiàn)模糊控制，將會有越來越廣泛的應用。它既保存了PLC 控制系統(tǒng)控制可靠、靈活、適應能力強等特點，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)的開展趨勢之一。因此，PLC也越來越多的被用到溫

22、度控制系統(tǒng)中。1.5論文的主要內(nèi)容及組織結構第一章，即緒論，分別對最后是本課題的背景與意義、PID控制的開展現(xiàn)狀、PID參數(shù)自整定算法的開展現(xiàn)狀、模糊控制的開展狀況、以及本文所設計的溫度控制系統(tǒng)的開展現(xiàn)狀進行介紹。第二章，本章主要介紹PID的控制理論，包括：PID的控制原理、PID三個參數(shù)的調節(jié)作用，以及介紹PID參數(shù)整定算法的概念和方法，分析PID控制器參數(shù)對控制性能的影響。第三章，本章主要介紹的是模糊PID的參數(shù)整定。分析模糊控制的根本原理、模糊控制系統(tǒng)的組成、模糊控制器的設計方法、模糊PID參數(shù)自整定原理以及模糊PID參數(shù)自整定設計。第四章，本章首先介紹PLC的概述以及組成，并介紹溫度控

23、制系統(tǒng)所要用到的模塊與功能。詳解模糊PID自整定控制在PLC的實現(xiàn)。第五章, 本章首先介紹組態(tài)軟件的概述和界面設計，以及對溫度曲線進行了分析。第六章，總結與展望，總結本文所做，并說明本課題仍需解決的問題。2 PID控制在模擬控制系統(tǒng)中，控制器最常用的是PID控制。PID是“比例一積分一微分的縮寫，它從比例、積分和微分三個環(huán)節(jié)來實現(xiàn)對系統(tǒng)的控制。常規(guī)PID控制系統(tǒng)由模擬PID控制器和被控對象組成。PID控制是最早開展起來的控制策略之一，由于其算法簡單、魯棒性好和可靠性高，被廣泛應用于工業(yè)過程控制，至今大概有90%左右的控制回路具有PID結構。在實際生產(chǎn)過程中，由于受到參數(shù)整定方法煩雜的困擾，常規(guī)

24、 PID控制器參數(shù)往往整定不良、性能欠佳，對運行環(huán)境參數(shù)變化的適應性較差。針對上述問題，長期以來，人們一直在尋求PID控制器參數(shù)的自整定技術，以適應復雜的工況和高指標的控制要求。2.1 PID控制原理常規(guī)PID控制器系統(tǒng)原理框圖如圖2-1所示，系統(tǒng)主要由PID控制器和被控對象組成。比例環(huán)節(jié)微分環(huán)節(jié)積分環(huán)節(jié)被控對象rineyout圖2-1 PID控制器系統(tǒng)原理圖PID控制器作為一種線性控制器，它根據(jù)給定值和實際輸出值構成控制偏差，將偏差按比例、積分和微分通過線性組合構成控制量，從而對被控對象進行控制，故稱為PID控制器。2.2 PID 三個參數(shù)的調節(jié)作用PID 控制器就是根據(jù)系統(tǒng)的誤差，利用比例

25、、積分、微分計算出控制量進行控制的。它由比例單元P、積分單元I和微分單元D組成。比例P調節(jié)作用：比例調節(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。比例調節(jié)及時，有力，但有余差。它用比例度來表示其作用的強弱，比例度越小，調節(jié)作用越強。相反，比例度越大，調節(jié)作用就越弱；比例作用太強時，會引起震蕩。比例調節(jié)作用是按比例反響系統(tǒng)的偏差，系統(tǒng)一旦出現(xiàn)了偏差，比例調節(jié)立即產(chǎn)生調節(jié)作用用以減少偏差。比例作用大，可以加快調節(jié)，減少誤差，但是過大的比例，使系統(tǒng)的穩(wěn)定性下降，甚至造成系統(tǒng)的不穩(wěn)定。積分I調節(jié)作用：積分調節(jié)依據(jù)“偏差是否存在來動作，它的輸出與偏差對時間的積分成比例，只有當余差消失時。積

26、分作用才會停止，其作用是消除余差。但積分作用使最大動偏差增大，延長了調節(jié)時間。它用積分時間 T 來表示其作用的強弱，T 越小，積分作用越強，但積分作用太強時，也會引起震蕩。積分調節(jié)作用是使系統(tǒng)消除穩(wěn)態(tài)誤差，提高無差度。因為有誤差，積分調節(jié)就進行，直至無差，積分調節(jié)停止，積分調節(jié)輸出一常值。積分作用的強弱取決與積分時間常數(shù) Ti，Ti 越小，積分作用就越強。反之 Ti 大那么積分作用弱，參加積分調節(jié)可使系統(tǒng)穩(wěn)定性下降，動態(tài)響應變慢。積分作用常與另兩種調節(jié)規(guī)律結合，組成 PI 調節(jié)器或 PID 調節(jié)器。微分D調節(jié)作用：微分調節(jié)依據(jù)“偏差變化的速度來動作。它的輸出與輸入偏差變化的速度成比例，其效果是

27、阻止被調參數(shù)的一切變化，有超前調節(jié)的作用，對滯后大的對象(溫度)有很好的效果。它使調節(jié)過程偏差減小，時間縮短，余差也減小(但不能消除)。它用微分時間 T d來表示其作用的強弱，T d大，作用強，但 T d太大，也會引起振蕩。微分作用反映系統(tǒng)偏差信號的變化率，具有預見性，能預見偏差變化的趨勢，因此能產(chǎn)生超前的控制作用，在偏差還沒有形成之前，已被微分調節(jié)作用消除。因此，可以改善系統(tǒng)的動態(tài)性能。在微分時間選擇適宜情況下，可以減少超調，減少調節(jié)時間。微分作用對噪聲干擾有放大作用，因此過強的加微分調節(jié)，對系統(tǒng)抗干擾不利。此外，微分反響的是變化率，而當輸入沒有變化時，微分作用輸出為零。微分作用不能單獨使用

28、，需要與另外兩種調節(jié)規(guī)律相結合，組成 PD 或 PID 控制器。2.3 PID 參數(shù)整定算法的溫度控制系統(tǒng)研究PID 控制中一個至關重要的問題，就是控制器三參數(shù)比例系數(shù)、積分時間、微分時間的整定。整定的好壞不但會影響到控制質量，而且還會影響到控制器的魯棒性。此外，現(xiàn)代工業(yè)控制系統(tǒng)中存在著名目繁多的不確定性，這些不確定性能造成模型參數(shù)變化甚至模型結構突變，使得原整定參數(shù)無法保證系統(tǒng)繼續(xù)良好的工作，這時就要求 PID 控制器具有在線修正參數(shù)的功能，這是自從使用 PID 控制以來人們始終關注的重要問題之一。本章在介紹 PID 參數(shù)整定概念的根底上，介紹了 PID 參數(shù)整定的幾種方法。2.3.1 PI

29、D 參數(shù)整定的概念PID 參數(shù)整定概念中包括參數(shù)自動整定(auto-tuning)和參數(shù)在線自校正(self tuning on-line)兩個概念。具有自動整定功能的控制器，能通過一按鍵就由控制器自身來完成控制參數(shù)的整定，不需要人工干預，它既可用于簡單系統(tǒng)投運，也可用于復雜系統(tǒng)預整定。運用自動整定的方法與人工整定法相比，無論是在時間節(jié)省方面還是在整定精度上都得以大幅度提高，這同時也就增進了經(jīng)濟效益。自校正控制那么為解決控制器參數(shù)的在線實時校正提供了很有吸引力的技術方案。自校正的根本觀點是力爭在系統(tǒng)全部運行期間保持優(yōu)良的控制性能，使控制器能夠根據(jù)運行環(huán)境的變化，適時地改變其自身的參數(shù)整定值，以

30、求到達預期的正常閉環(huán)運行，并有效地提高系統(tǒng)的魯棒性。具有自動整定功能和具有在線自校正功能的控制器被統(tǒng)稱為自整定控制器。一般而言，如果過程的動態(tài)特性是固定的，那么可以選用固定參數(shù)的控制器，控制器參數(shù)的整定由自動整定完成。對動態(tài)特性時變的過程，控制器的參數(shù)應具有在線自校正的能力，以補償過程時變。2.3.2 PID控制器參數(shù)對控制性能的影響(1)比例作用對控制性能的影響比例增益的引入是為了及時地反映控制系統(tǒng)的偏差信號，一旦系統(tǒng)出現(xiàn)了偏差，比例調節(jié)作用立即產(chǎn)生調節(jié)作用，使系統(tǒng)偏差快速向減小的趨勢變化。當比例增益凡大的時候，PID控制器可以加快調節(jié)，但是過大的比例增益會使調節(jié)過程出現(xiàn)較大的超調量，從而降

31、低系統(tǒng)的穩(wěn)定性，在某些嚴重的情況下，甚至可能造成系統(tǒng)不穩(wěn)定。(2)積分作用對控制性能的影響積分作用的引入是為了使系統(tǒng)消除穩(wěn)態(tài)誤差，提高系統(tǒng)的無差度，以保證實現(xiàn)對設定值的無靜差跟蹤。從原理上看，只要控制系統(tǒng)存在動態(tài)誤差，積分調節(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現(xiàn)差，積分作用就停止，此時積分調節(jié)輸出為一常值。積分作用的強弱取決于積分時間常數(shù)Ti的大小，Ti越小，積分作用越強，反之那么積分作用弱。積分作用的引入會使系統(tǒng)穩(wěn)定性下降，動態(tài)響應變慢。實際中，積分作用常與另外兩種調節(jié)規(guī)律結合，組成PI控制器或者PD控制器。(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

32、系統(tǒng)的響應速度和穩(wěn)定性。微分作用能反映系統(tǒng)偏差的變化律，預見偏差變化的趨勢，因此能產(chǎn)生超前的控制作用。直觀而言，微分作用能在偏差還沒有形成之前，就己經(jīng)消除偏差。因此，微分作用可以改善系統(tǒng)的動態(tài)性能。微分作用的強弱取決于微分時間幾的大小，幾越大，微分作用越強，反之那么越弱。在微分作用適宜的情況下，系統(tǒng)的超調量和調節(jié)時間可以被有效的減小。從濾波器的角度看，微分作用相當于一個高通濾波器，因此它對噪聲干擾有放大作用，而這是我們在設計控制系統(tǒng)時不希望看到的。所以我們不能過強地增加微分調節(jié)，否那么會對控制系統(tǒng)抗千擾產(chǎn)生不利的影響。此外，微分作用反映的是變化率，當偏差沒有變化時，微分作用的輸出為零。2.3.

33、3 PID 參數(shù)整定的方法要實現(xiàn) PID 參數(shù)的整定，首先要對被控制的對象有一個了解，然后選擇相應的參數(shù)計算方法完成控制器參數(shù)的設計。據(jù)此，可將 PID 參數(shù)自整定分成兩大類：辨識法和規(guī)那么法。基于辨識法的 PID 參數(shù)自整定，被控對象的特性通過對被控對象數(shù)學模型的分析來得到，在對象數(shù)學模型的根底上用基于模型的一類整定法計算 PID 參數(shù)?；谝?guī)那么的 PID 參數(shù)自整定，那么是運用系統(tǒng)臨界點信息或系統(tǒng)響應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)那么的整定法得到。(1 辨識法此方法的本質是自適應控制理論與系統(tǒng)辨識的結合。辨識法適用于模型結構，模型參數(shù)未知的對象，采用系統(tǒng)辨識的方法得

34、到過程模型參數(shù)，并和依據(jù)參數(shù)估計值進行參數(shù)調整確實定性等價控制規(guī)律結合起來，綜合出所需的控制器參數(shù)；如果被控過程特性發(fā)生了變化，可以通過最優(yōu)化某一性能指標或期望的閉環(huán)特性，周期性地更新控制器參數(shù)。主要有以下幾種方法：1. 極點配置法；2. 零極點相消原理；3. 幅相裕度法。(2規(guī)那么法基于規(guī)那么的整定方法，可分成采用臨界比例度原那么的方法、采用階躍響應曲線的模式識別方法和基于模糊控制原理的方法等。1. 臨界比例度原那么的方法； 2. 采用階躍響應曲線的模式識別方法；3. 基于模糊控制原理的方法。3 基于模糊控制的PID參數(shù)整定3.1.1模糊控制系統(tǒng)的組成 模糊控制系統(tǒng)是一種自動控制系統(tǒng)，它是以

35、模糊數(shù)學、模糊語言形式的知識表示和模糊邏輯為理論根底，采用計算機控制技術構成的一種具有閉環(huán)結構的數(shù)字控制系統(tǒng)。它的組成核心是具有智能性的模糊控制器。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，對復雜系統(tǒng)進行控制。模糊邏輯控制的根底是模糊邏輯，模糊邏輯從含義上比其它傳統(tǒng)邏輯更接近人類的思想和自然語言。它能夠對真實世界近似的、不確切的特征進行刻畫。實際上，模糊邏輯控制是利用模糊邏輯建立一種“自由模型的非線性控制算法，特別是在那些采用傳統(tǒng)定量技術分析過于復雜的過程，或者提供的信息是非定性、非精確的、非確定的系統(tǒng)中，模糊控制的效

36、果相當明顯。模糊控制系統(tǒng)的根本結構如圖3-1所示:A/D模糊控制器D/A執(zhí)行機構被控對象測量裝置給定值被控制量圖3-1 模糊控制系統(tǒng)的根本結構3.1.2模糊控制器的設計方法由于模糊控制器采用數(shù)字計算機來實現(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)那么進行模糊推理，最后把模糊推理結構的模糊輸出量轉化為實際系統(tǒng)能夠接受的精確數(shù)字量或模擬量。模糊控制器結構如圖3-2所示：模糊化模糊推理非模糊化模糊決策圖3-2 模糊控制器結構模糊控制器的算法設計主要包括以下內(nèi)容：1) 選擇模糊輸入、輸出變量的論域范圍及模糊變量子集類型；2) 確定各模糊變量的隸屬度函數(shù)類型；3) 精確輸入、輸出的變

37、量的模糊化；4) 制定模糊控制規(guī)那么；5) 確定模糊推理算法；6) 模糊輸出變量的去模糊化；7) 生成查詢表。 基于模糊控制的PID參數(shù)整定是將模糊理論應用到PID三個參數(shù)的整定中去，將模糊理論與PID控制結合起來，構成一個模糊PID控制器。模糊PID自整定控制就是運用模糊數(shù)學的根本理論和方法，把規(guī)那么的條件、操作用模糊集表示，并把這些模糊控制規(guī)那么及有關信息作為知識存入計算機知識庫中，然后計算機根據(jù)控制系統(tǒng)的實際響應情況，運用模糊推理，既可自動實現(xiàn)對 PID 參數(shù)的最正確調整。模糊PID 控制器的結構如圖 3-3所示：模糊推理PID控制器被控對象de/dtecrekp ki kdy圖 3-3

38、 模糊PID 控制器的結構圖 3-3模糊 PID 控制器的結構，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。說白了，模糊自適應參數(shù)整定就是尋求 PID 的三個參數(shù)與 e、ec 之間的關系。整個系統(tǒng)在運行中不斷檢測 e 和 ec，然后根據(jù)一定的原理對 PID 的三個參數(shù)進行修改，以滿足不同 e 和 ec 對控制參數(shù)的不同要求，從而使被控對象有良好的性能。3.3 模糊PID參數(shù)自整定設計 簡要說明模糊PID控制器的設計步驟。 (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)。一般輸入變量取為系統(tǒng)的偏差和偏差變化率，輸出變量為PID參數(shù)KP,

39、 KI, KD或者PID參數(shù)的增量KP, KI, KD 。 (2)根據(jù)實際需要確定各個輸入、輸出變量的變化范圍，然后確定它們的量化等級，量化因子和比例因子。 (3)在每個變量的量化論域內(nèi)定義模糊子集。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)。 (4)確定模糊控制規(guī)那么。這實質上是將操作人員的控制經(jīng)驗加以結得出的一條條模糊條件語句的集合。確定模糊控制規(guī)那么要遵守的原那么是保證控制器的輸出能夠使系統(tǒng)輸出響應的動靜態(tài)性能到達最正確。 (5)求出模糊控制表。根據(jù)(4)的模糊控制規(guī)那么和(2),(3)中確定的輸入、輸出變量求出模糊控制器的輸出。這些輸出值是PID參

40、數(shù)的調整量，把它們與輸入量在一個表中按一定關系列出就構成了模糊控制表。PID三個參數(shù)一般是獨立調整，所以有三個模糊控制表。 考慮在不同時刻三個參數(shù)的作用及相互之間的關系，給出PID參數(shù)自整定原那么如下: (1)當e較大時，為加快系統(tǒng)響應速度并防止起始偏差e瞬間變大，應取較大的Kp和較小的KD，同時為防止系統(tǒng)出現(xiàn)較大的超調，應對積分作用加以限制，通常取KI=0。 (2)當e和ec為中等大小時，為使系統(tǒng)響應的超調減小，并保證系統(tǒng)的響應速度，Kp, KI、KD的值要大小適中。 (3)當e較小時，為使系統(tǒng)具有良好的穩(wěn)態(tài)性能，應增加KP和KI的值，同時為了防止系統(tǒng)在設定值附近振蕩，應調節(jié)KD的值，使之大

41、小適中。 由于在對PID控制器參數(shù)的模糊自整定中，模糊推理系統(tǒng)己經(jīng)把偏差的微分作為它的一個輸人，如果對參數(shù)Kp進行模糊整定，那么系統(tǒng)對微分作用會太敏感，所以系統(tǒng)僅僅對Kp, Ki進行了整定。 根據(jù)以上對Kp, Ki, Kd的作用和調整方法，得到Kp, Ki, Kd的模糊控制規(guī)那么，通過模糊化處理。根據(jù)各模糊子集的隸屬函數(shù)和各參數(shù)模糊控制模型，應用模糊合成推理設計PID參數(shù)的模糊矩陣表，在線運行過程中，控制系統(tǒng)通過對模糊邏輯規(guī)那么的結果處理，查表和運算，完成對PID參數(shù)的自整定。本文控制系統(tǒng)采用“雙入三出的模糊控制器。輸入量為溫度值給定值與測量值的偏差e 以及偏差變化率e c ,輸出量為比例系數(shù)

42、Kp、積分時間Ti、微分時間Td?？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擬, 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控制器進行調節(jié),然后經(jīng)D/A 轉換送溫控對象。模糊控制器包括輸入量模糊化、模糊推理( 模糊決策和模糊控制規(guī)那么) 和反模糊3個局部。1) 輸入模糊化E 和Ec 分別為e 和ec 模糊化后的模糊量,KP、KI、KD 分別為Kp、Ti、Td 模糊化后的模糊量。e、ec 論域等級為e=ec=-3,-2,-1,0,1,2,3,模糊化子集為E=Ec=NB,NM,NS,ZE

43、,PS,PM,PB。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=TDNB,NM,NS,ZE,PS,PM,PB。NB, NM,NS,ZE,PS,PM,PB表示負大,負中,負小, 零, 正小, 正中, 正大 。2 模糊決策和模糊控制規(guī)那么總結加熱絲溫度的控制過程中經(jīng)驗, 得出控制規(guī)那么,如表3-1、表3-2、表3-3 所示。選取控制量變化的原那么是:當誤差大或較大時, 選擇控制量以消除誤差為主。而當誤差較小時, 選擇控制量要注意防止超調。表3-1 Kp的模糊規(guī)那么KpeceNBNMNSZEPSPMPBNBPBPBPMPMPSZEZENMP

44、BPBPMPSPSZENSNSPMPMPMPSZENSNSZEPMPMPSZENSNMNMPSPSPSZENSNSNMNMPMPSZENSNMNMNMNBPBZEZENMNMNMNBNB表3-2 Ti的模糊規(guī)那么TieceNBNMNSZEPSPMPBNBNBNBNMNMNSZEZENMNBNBNMNMNSZEZENSNBNMNSNSZEPSPSZENMNMNSZEPSPMPBPSNMNSZEPSPSPMPBPMZEZEPSPSPMPBPBPBZEZEPSPMPMPBPB表3-3 Td的模糊規(guī)那么TdeceNBNMNSZEPSPMPBNBPSNSNBNBNBNMPSNMPSNSNBNMNMNSZ

45、ENSZENSNMNMNSNSZEZEZENSNSNSNSNSZEPSZEZEZEZEZEZEZEPMPBNBPSPSPSPSPBPBPBPMPMPMPSPSPB 由表表3-1、表3-2、表3-3 的模糊規(guī)那么可寫成條件語句,共有4 9 條規(guī)那么, 全部系統(tǒng)模糊集為:R=R11 R12 R13 R14 R449表示“并；當e、ec 分別取模糊集X、Y 時,輸出(Kp、Ti、Td)的模糊子集為:Zij=(X Y)*R根,據(jù)輸入e、ec 模糊量化后得到的X、Y 可計算出Kp 對應的Zij,如表6 所示。表3-4 Kp 的模糊控制表Kpece-3-2-10123-33322100-2332110-1

46、-122210-1-102210-1-2-21110-1-1-2-2210-1-2-2-2-3300-2-2-2-3-3表3-5 Ki 的模糊控制表Ti ece-3-2-10123-3-3-3-2-2-100-2-3-3-2-3-100-1-3-2-1-10110-2-2-101231-2-1011232001123330012233表3-6 Kd 的模糊控制表Tdece-3-2-10123-31-1-3-3-3-21-21-1-3-2-2-10-10-1-2-2-1-1000-1-1-1-1-101000000023-31111333222113 以系統(tǒng)的穩(wěn)定性為主。例如, 當溫度值低很多(

47、 低于目標值) , 且溫度值有進一步快速降低的趨勢時, 比例系數(shù)Kp 增大, 應加大加熱器電壓?？捎媚：Z句實現(xiàn)這條規(guī)那么(If e=NB and ec=NB then Kp=PB)。當誤差為負大且誤差變化為正大或正中時, 控制量不宜再增加, 應取控制量的變化為0 , 以免出現(xiàn)超調。一共有49 條規(guī)那么。3) 輸出反模糊化具體實現(xiàn)上述控制算法的關鍵在于解決輸入量等級量化程序梯形圖設計和查表獲取模糊控制量的查表程序梯形圖設計。4模糊PID參數(shù)自整定控制的PLC 實現(xiàn)可編程控制器及實驗配置可編程控制器的概述 可編程控制器是一種工業(yè)控制計算機，英文全稱：Programmable Controller

48、，為了和個人計算機(PC)區(qū)分，一般稱其為PLC?？删幊炭刂破?PLC)是繼承計算機、自動控制技術和通信技術為一體的新型自動裝置。其性能優(yōu)越，已被廣泛地應用于工業(yè)控制的各個領域。20世紀60年代，計算機技術開始應用于工業(yè)控制領域，但由于價格高、輸入輸出電路不匹配、編程難度大，未能在工業(yè)領域中獲得推廣。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具備十大條件，立即引起了開發(fā)熱潮。1969年，美國數(shù)字設備公司(DEC)研制出了世界上第一臺可編程序控制器，并應用于通用汽車公司的生產(chǎn)線上?？删幊炭刂破髯詥柺酪詠恚_展極為迅速。1971

49、年日本開始生產(chǎn)可編程控制器，而歐洲是1973開始的。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?？删幊炭刂破鞯母窘M成PLC從組成形式上一般分為整體式和模塊式兩種。整體式PLC一般由CPU板、I/O板、顯示面板、內(nèi)存和電源組成。模塊式PLC一般由CPU模塊、I/O模塊、內(nèi)存模塊、電源模塊、底版或機架組成。本論文實物采用的是西門子的S7-200系列PLC。1 西門子S7-200S7-200系列PLC可提供4種不同的根本單元和6種型號的擴展單元。其系統(tǒng)構成包括根本單元、擴展單元、編程器、存儲卡、寫入器、文本顯示器等。本論文采用的是CUP226。它具有24個輸入點和16個輸出點。2電

50、熱絲電熱絲主要有鎳鉻電熱絲，鐵鉻鋁電熱絲，鎳鉻合金扁帶，鎳鉻、鎳鉻鐵電阻電熱合金，自控溫伴熱帶，并聯(lián)恒功率伴熱帶等，本文采用的是彈簧狀電熱絲。3傳感器熱電偶是一種感溫元件，它直接測量溫度，并把溫度信號轉換成熱電動勢信號。常用熱電偶可分為標準熱電偶和非標準熱電偶兩大類。所調用標準熱電偶是指國家標準規(guī)定了其熱電勢與溫度的關系、允許誤差、并有統(tǒng)一的標準分度表的熱電偶，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。4模擬量輸入模塊 傳感器檢測到溫度轉換成電壓信號，系統(tǒng)需要配置模擬量輸入模塊把電壓信號轉換成數(shù)字信號再送入PLC中進行處理。本文選用了西門子EM231模擬量輸入模塊。5模擬量輸出模

51、塊PLC模擬量輸出模塊主要系數(shù)包括模塊通道、輸出范圍、溫度精度、外部電源、I/O點要求等等，本文選用了西門子EM232模擬量輸入模塊。6 STEP 7 MicroWIN SP3軟件介紹STEP 7 MicroWIN SP3編程軟件是基于Windows的應用軟件，是西門子公司專門為SIMTIC S7-200系列PLC設計開發(fā)的。該軟件功能強大，界面友好，并有方便的聯(lián)機功能。用戶可以利用該軟件開發(fā)程序，也可以實現(xiàn)監(jiān)控用戶程序的執(zhí)行狀態(tài)，該軟件是S7-200擁護不可缺少的開發(fā)工具。4.2 模糊PID 控制的PLC 實現(xiàn)4.2.1 程序設計流程PLC 程序設計流程圖如圖4-1 所示。開始將模糊控制查詢

52、表逐行置入PLC的VD500-VD548(Kp論域)、VD600-VD648Ti論域、VD700-VD748(Td論域)中將A/D采樣的設定值喝反響值分別置入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、VD804、VD808中查模糊控制查詢表得到輸出量Kp、Ti、Td置入VD800、VD804、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輸出控制量結束圖

53、4-1 PLC 程序設計流程圖4.2.2 輸入量等級量化的梯形圖設計根據(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)式下式將根本論域區(qū)間 的精確量按四舍五入原那么量化為論域區(qū)間a,b的論域元素(模糊量) ,n=3,e 為溫度變化值。S7-200 的A/D 轉換模塊,理論上模糊控制器的輸入的取值范圍可能為032000。然而,實際上僅剛開始起動等很少時候可能到達32000。在正常運行過程中,的根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 對應的模糊化論域如表4-1 所示。表4-1 e 對應的模糊化論域X 元素表e-0.67,-0.330.33,0-0, 0.

54、330.33, 0.670.67,1.0X-3-2-10123表4-2 ec 對應的模糊化論域Y 元素表ec-0.0067-0.0067,-0.00330.0033,0-0, 0.00330.0033, 0.00670.0067,1.0Y-3-2-10123圖4-2 子程序SBR-1輸入量的變化量e 模糊化程序見子程序SBR-1 如圖4-2所示,量化值存入VW200,ec 量化值存入VW300。4.2.3 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定)的二維矩陣。表4-1 給出了一個模糊控制查詢表Kp 的實例,表中矩陣元素Kp 是

55、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VD500VD548 中。查表程序設計利用變址存放器, 通過采取“基址+ 偏移地址尋址的設計方法來實現(xiàn)。設e 和ec的論域元素分別為X、Y,那么輸出量比例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VD600VD648、VD700VD748 中,程序見附錄。Kp 的查詢表程序為SBR-2,如圖4-3 所示圖4-3 子程序SBR-24.2.4 反模糊化程序 把由表4-1 查出的控制量模糊論域中的值Z p i j ( 即VD500VD548 中

56、的值)乘以比例因子K1 便可以得到實際的比例系數(shù)Kp*=K1 Zpij,實際的積分時間Ti*= K2 Ziij,實際的微分時間Td*=K3 Zdij。在本實驗裝置的溫度控制系統(tǒng)中取比例系數(shù)范圍圖4-4 子程序SBR-3是0 5, 積分時間范圍是05 分鐘,微分時間范圍是05 分鐘,故K1=5/3=1.6667,K2=5/3=1.6667,K3=5/3=。程序如圖4-4所示。4.2.5 參數(shù)可調的PID 運算程序 PLC 在執(zhí)行PID 調節(jié)指令時,須對算法中的7 個參數(shù)進行運算,為此S7-200 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4-7 所示。表4-7 P

57、ID 回路表偏移量域說明T+0反響量PVnT+4給定值SPn0T+8輸出值 MnT+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)(1)主程序如圖4-5 所示圖4-5主程序(2)中斷程序如圖4-6 所示圖4-6 中斷程序5組態(tài)軟件設計以及系統(tǒng)分析組態(tài)王軟件概述組態(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

58、結構。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)進行設計。 HYPERLINK :/baike.baidu /view/380099.htm t _blank 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，方便地構成監(jiān)控畫面，并以動畫方式顯示控制設備的狀態(tài)，具有報警窗口、實時趨勢曲線等，可便利的生成各種報表。它還具有豐富的設備驅動程序和靈活的組態(tài)方

59、式、數(shù)據(jù)鏈接功能。監(jiān)控系統(tǒng)功能設計5.2.1 組態(tài)軟件的設計要求本系統(tǒng)由組態(tài)軟件和S7-200 PLC構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；5.2.2 組態(tài)功能設計本設計是通過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)平安機制在現(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

60、易引發(fā)誤操作而發(fā)生事故。為了防止這類事故發(fā)生，組態(tài)軟件必須提供完善的平安機制，控制操作權限，使工作人員無法操作。(2)實時數(shù)據(jù)處理 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表達系統(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： eq oac(,1)系統(tǒng)運行窗口進入的主窗口如圖5-1，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)