基于PLC的中央空調(diào)模糊自適應PID監(jiān)控系統(tǒng)

周靖靖，徐 健，張能偉，聶銀燕

（西安工程大學 電子信息學院，陜西 西安710048）

常規(guī)PID控制是過程控制中應用最為廣泛的一種控制規(guī)律，具有原理簡單、使用方便和穩(wěn)定等特點。但常規(guī)PID在控制過程中的參數(shù)都是固定不變的，若用于調(diào)節(jié)中央空調(diào)這樣具有非線性、不確定性、滯后性和干擾性等問題的系統(tǒng)[1]，常規(guī)PID控制很難達到控制精度。

因此，本文針對中央空調(diào)系統(tǒng)將PID和模糊控制相結(jié)合，提出了模糊自適應PID控制。模糊控制是用語言歸納操作人員的控制策略，運用語言變量和模糊集合理論形成控制算法的一種控制。模糊控制不需要建立對象的精確數(shù)學模型，只要求把現(xiàn)場操作人員的經(jīng)驗和數(shù)據(jù)總結(jié)成比較完善的語言控制規(guī)則，因此它能繞過對象的不確定性、不精確性、噪聲、非線性、時變性以及時滯等影響。模糊控制系統(tǒng)的魯棒性強，尤其適用于非線性、時變、滯后的系統(tǒng)的控制[2]。但是傳統(tǒng)的模糊自適應PID控制初始參數(shù)是人為給定的，不能從系統(tǒng)中自動得到[3]，因此本文的創(chuàng)新點在于在傳統(tǒng)模糊自適應PID控制基礎之上增加辨識結(jié)構(gòu)和Bang-Bang控制，對傳統(tǒng)的模糊自適應PID控制初始值進行優(yōu)化。

然而模糊自適應PID算法不能與現(xiàn)場設備進行直接連接和控制，因此，將模糊自適應PID控制和PLC進行結(jié)合，利用兩者的優(yōu)勢進行智能控制，使系統(tǒng)達到較為理想的控制效果。

1 系統(tǒng)的控制策略

利用MATLAB實現(xiàn)模糊自適應PID控制，Step 7進行PLC編程，組態(tài)軟件WinCC監(jiān)控，對系統(tǒng)實現(xiàn)智能控制。系統(tǒng)的控制策略為：PLC采集到的實時數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)交換傳給MATLAB進行計算處理，再將運算處理的結(jié)果傳給下位機PLC，由PLC輸出模塊輸出控制信號，實現(xiàn)過程控制，利用WinCC監(jiān)控實現(xiàn)遠距離自動、手動控制。充分發(fā)揮3種控制規(guī)律的優(yōu)點，達到較為理想的控制效果。

2 中央空調(diào)的組成及原理

中央空調(diào)系統(tǒng)由冷凍水循環(huán)系統(tǒng)、冷卻水循環(huán)系統(tǒng)和制冷劑回路組成，其工作原理如圖1所示[4]。

圖1 中央空調(diào)的工作原理圖

（1）冷凍水循環(huán)系統(tǒng)

冷凍水泵將冷凍水送到各風機風口的冷卻盤管中，由風機吹送冷風，達到的冷卻空氣的目的。

（2）冷卻水循環(huán)系統(tǒng)

冷卻水泵將吸收熱量后的冷卻水送到冷卻塔上，由冷卻塔風機對其進行噴淋冷卻，與大氣進行熱交換。冷卻后的冷卻水被送到冷凝器去吸收制冷劑釋放出的熱量。

（3）制冷劑回路

制冷劑回路是中央空調(diào)系統(tǒng)的心臟。在蒸發(fā)器中，制冷劑和冷凍水發(fā)生熱量交換，將冷凍水制冷，制冷劑吸收熱量后蒸發(fā)；在冷凝器中，蒸發(fā)后的制冷劑和冷卻水發(fā)生熱量交換，制冷劑釋放熱量，被冷卻循環(huán)水帶走。

3 模糊自適應PID控制器的設計

3.1 模糊自適應PID控制系統(tǒng)的設計

本文提出的模糊自適應PID控制是在傳統(tǒng)模糊自適應PID控制基礎之上添加Bang-Bang控制和辨識結(jié)構(gòu)。通過對中央空調(diào)系統(tǒng)的分析，設計的模糊控制自適應PID控制器的結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖2 模糊自適應PID控制結(jié)構(gòu)圖

在系統(tǒng)控制的初始階段，Bang-Bang控制作為引導控制，辨識結(jié)構(gòu)在該階段得到的信息對被控對象進行辨識，在此階段結(jié)束時，辨識出系統(tǒng)模型參數(shù)整定出PID控制參數(shù)的初始值，然后切換控制開關（開關切換的規(guī)則是：如果|e（t）|>=α×γ，則由 Bang-Bang 控制，否則由Fuzzy PID 控制，其中 γ 為系統(tǒng)設定值，α（0＜α＜1）的選取保證Bang-Bang控制能為辨識結(jié)構(gòu)提供足夠的信息[5-6]），轉(zhuǎn)換到模糊自適應PID控制。以當前系統(tǒng)誤差e（t）和誤差變化率 ec（t）作為模糊控制器的 2個輸入，利用模糊控制器 （包括模糊化、模糊規(guī)則、模糊推理和反模糊）對PID參數(shù) kp、kd、ki進行在線調(diào)整，滿足不同 e和 ec對控制器參數(shù)的要求，從而使被控制對象具有良好的動態(tài)性能和靜態(tài)性能。

模糊自適應PID控制的算法為：

其中，u（t）為控制器的輸出量；e（t）為誤差；ec（t）為誤差變化率；kp為比例系數(shù)，其作用是減小偏差；ki為積分系數(shù)，其作用是消除靜差，提高系統(tǒng)的無差度；kd為微分系數(shù)，其作用是加快系統(tǒng)的動作速度，減少調(diào)節(jié)時間。

3.2 模糊化

將輸入變量數(shù)值用模糊語言變量的語言模糊化處理，以實現(xiàn)調(diào)節(jié)和控制作用。將語言變量e和ec的論域為（-3 3），溫差 e和 ec定義 7個模糊子集{負大（NB），負中（NM），負?。∟S），零（0），正?。≒S），正中（PM），正大（PB）}，即劃分 7 個等級。

設 e、ec、kp、ki、kd均服從正態(tài)分布，因此可得出各模糊子集的隸屬度，根據(jù)各模糊子集的隸屬度復制表和各參數(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，查出修正參數(shù)代入下式計算。

其中 kp、ki、kd是 PID 3 個控 制器參數(shù)的當前取值，kp′、ki′、kd′是 PID 控 制 器 的 初 始 值 ，Δkp、Δki、Δkd是 PID 控 制器的修正值。

3.3 模糊規(guī)則的設計

模糊控制設計的核心是建立合適的控制規(guī)則表，得到 kp、ki、kd3個參數(shù)的控制規(guī)則表，如表1所示。

表1 模糊控制規(guī)則表（Δkp/Δki/Δkd）

模糊控制規(guī)則表建立之后，根據(jù)模糊控制器的原理，對PID參數(shù)在線自校正。

在線運行過程中，系統(tǒng)通過對模糊邏輯規(guī)則的結(jié)果處理、查表和運算，完成對PID參數(shù)的在線調(diào)整，其工作流程圖如圖3所示。

圖3 在線自校正工作流程圖

4 系統(tǒng)仿真

4.1 系統(tǒng)函數(shù)

在中央空調(diào)的控制過程中，通過泵和風機調(diào)節(jié)室內(nèi)的溫度和濕度，而對溫度和濕度的控制又受到很多因素的影響，存在著非線性、不確定性、滯后性和干擾性等問題。

因此設系統(tǒng)的傳遞函數(shù)為：

根據(jù)建立的數(shù)學模型，運用MATLAB中的S函數(shù)編制仿真程序。采樣時間為1 ms，輸入信號為階躍信號，在第500個采樣時間時控制器輸出1.0的干擾，運用MATLAB7.0工具對系統(tǒng)進行仿真。

4.2 仿真結(jié)果分析

模糊自適應PID控制仿真圖如圖4所示，常規(guī)PID控制仿真圖如圖5所示，kp的自適應調(diào)整如圖6所示，ki的自適應調(diào)整如圖7所示，kd的自適應調(diào)整如圖8所示。

圖4 模糊自適應PID控制仿真圖

圖5 常規(guī)PID控制仿真圖

圖6 kp的自適應調(diào)整

圖7 ki的自適應調(diào)整

圖8 kd的自適應調(diào)整

從圖4可以看出，在第500個采樣時間時控制器輸出有一定的波動，但是很快地使系統(tǒng)恢復到穩(wěn)定狀態(tài)，說明模糊自適應PID控制具有較強的抗干擾能力和很強的魯棒性，使系統(tǒng)的調(diào)速性能大大提高，在一定程度上克服了常規(guī)PID控制的弊端，從而提高了系統(tǒng)的控制效果。

從圖4、圖5的仿真結(jié)果可以得出，模糊自適應PID控制的優(yōu)點比較明顯，系統(tǒng)的上升時間較短，超調(diào)量較小，調(diào)整的時間相對縮短，震蕩次數(shù)較少。

從圖 6、圖 7、圖 8完成了對 PID參數(shù)在線調(diào)整，滿足要求，將本方法用于中央空調(diào)這個滯后、不確定、多干擾系統(tǒng)的控制是可行的。

5 軟件的設計

5.1 下位機的設計

下位機的程序系統(tǒng)包括冷/熱水系統(tǒng)控制程序、新風機組控制程序、空調(diào)機組控制程序和風機盤管控制程序4大部分。利用Step 7 5.4進行編程，由于有很多算法在功能和結(jié)構(gòu)上是非常相似的，因此編程時盡量使用結(jié)構(gòu)化編程思想，把各種功能相同的程序封裝成標準的功能模塊（FC/FB）后共用，從而優(yōu)化程序。

5.2 上位機的設計

根據(jù)系統(tǒng)的要求，本文選用組態(tài)軟件WinCC，它支持 TCP/IP協(xié)議和 OPC（OLE for Process Control）標準。利用WinCC的變量管理器、圖形編輯器和報警記錄等各種功能組態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)的人機界面，界面主要包括登錄界面、主控系統(tǒng)和水泵界面等。

從系統(tǒng)首頁界面可以進入其他監(jiān)控畫面，各個界面之間也可以相互切換。從上位機的監(jiān)控畫面可直觀觀察現(xiàn)場設備的運行狀態(tài)，直觀地觀看到數(shù)據(jù)的變化。

6 MATLAB和PLC之間的通信

MATLAB 7.0以上的軟件含有OPC工具箱，OPC是一種用于過程控制的對象鏈接與嵌入OLE（Object Linking and Embedding）接口，OPC以其獨有的開放性、互聯(lián)性、高效性在產(chǎn)業(yè)控制中占有主導地位。OPC采用客戶/服務器體系 （C/S），在客戶和服務器之間建立通信，實現(xiàn)動態(tài)數(shù)據(jù)的交換。

針對中央空調(diào)系統(tǒng)，選用MATLAB作為OPC的客戶端，組態(tài)軟件WinCC作為OPC的服務器，由于現(xiàn)場設備的分散性，控制室和現(xiàn)場設備距離較遠，上位機和下位機之間選用過程現(xiàn)場總線（Profibus）。MATLAB與PLC的過程控制結(jié)構(gòu)如圖9所示[7]。

圖9 MATLAB與Wincc過程控制結(jié)構(gòu)圖

本系統(tǒng)以西門子PLC S7-300作為下位機對現(xiàn)場數(shù)據(jù)進行采集，以組態(tài)軟件WinCC為下位機數(shù)據(jù)總控平臺，通過OPC接口和Profibus總線把現(xiàn)場信號和MATLAB方便地連接起來，實現(xiàn)PLC采集到的實時數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)交換傳給MATLAB進行計算處理，再將運算處理的結(jié)果傳給下位機PLC，由PLC輸出模塊控制信號，實現(xiàn)過程控制，利用WinCC監(jiān)控實現(xiàn)遠距離自動和手動控制。

針對中央空調(diào)系統(tǒng)存在非線性、不確定性和干擾性等問題，本文提出了模糊自適應PID控制，克服了常規(guī)PID的缺點，并通過MATLAB進行了仿真。仿真結(jié)果表明，模糊自適應PID控制具有響應速度快、該超調(diào)量比較小、抗干擾能力較強和魯棒性較好的優(yōu)點，將該方法用于中央空調(diào)系統(tǒng)是可行的。但是MATLAB不能與現(xiàn)場設備直接連接，因此將MATLAB和PLC控制相結(jié)合，利用OPC技術實現(xiàn)MATLAB和PLC之間的動態(tài)數(shù)據(jù)交換，達到智能控制的目的。其為實踐奠定了堅定的基礎，對中央空調(diào)的舒適和節(jié)能運行具有指導意義。

[1]李宗強，張九根.基于模糊PID控制的中央空調(diào)冷溫水系統(tǒng)的研究[J].樓宇自動化，2011，2（2）：1-3.

[2]李均.模糊自適應PID控制器在水輪機調(diào)節(jié)系統(tǒng)中的應用[J].中國水能及電氣化，2011，75（4）：53-57.

[3]鄭卓.自適應模糊控制和PLC在中央控制系統(tǒng)中的應用[J].自然科學，2011，25（1）：74-77.

[4]陳劍萍，王堅敏，鐘曉波，等.變頻節(jié)能技術在中央空調(diào)中的應用[J].輕工機械，2009，27（2）：101-103.

[5]陶永華.新型 PID控制及其應用[M].北京：機械工業(yè)出版社，2002.

[6]李丙才，魏泰，胡靜萍，等.模糊自適應 PID控制在陽極焙燒中的應用[J].科學技術與工程，2011，11（5）：1062-1065.

[7]王樹東，畢作文，王紅波，等.OPC技術下PLC與MATLAB相結(jié)合的實時模糊控制系統(tǒng)[J].計算機技術及應用，2011，33（5）：12-4.