基于現(xiàn)場(chǎng)總線的雙容液位模糊控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

李 微，邵志勇,2，李 媛

（1.北京聯(lián)合大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院，北京 100101；2.北京化工大學(xué)，北京 100029）

1 系統(tǒng)概述

現(xiàn)場(chǎng)總線是用于現(xiàn)場(chǎng)儀表與控制主機(jī)系統(tǒng)之間的一種開放的、全數(shù)字化的、雙向和多站的通信系統(tǒng)。它由三層組成，即現(xiàn)場(chǎng)級(jí)、控制級(jí)和監(jiān)控級(jí)。本系統(tǒng)控制級(jí)與監(jiān)控級(jí)之間由工業(yè)以太網(wǎng)進(jìn)行通訊，控制級(jí)與現(xiàn)場(chǎng)級(jí)采用PROFIBUS-DP進(jìn)行通訊。在PC機(jī)上通過(guò)STEP7軟件組態(tài)、編程下載到S7-300 PLC中，PLC根據(jù)編寫的指令進(jìn)行相應(yīng)的控制；同時(shí)通過(guò)WINCC軟件的監(jiān)控界面監(jiān)視現(xiàn)場(chǎng)狀態(tài)，并將現(xiàn)場(chǎng)級(jí)的信號(hào)進(jìn)行顯示、保存?，F(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)以其強(qiáng)大的功能及可靠性高等特點(diǎn)在過(guò)程控制、樓宇自動(dòng)化、飛機(jī)制造、車輛制造等行業(yè)都有廣泛的應(yīng)用。

系統(tǒng)以QXLTT三容液位控制實(shí)驗(yàn)裝置為被控對(duì)象，它具有多輸入和多輸出的非線性耦合物理模型。實(shí)驗(yàn)裝置的主體是由用透明的有機(jī)玻璃制成的三個(gè)圓形容器罐和一個(gè)蓄水池，并配以相應(yīng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)和傳感器組成，計(jì)有二個(gè)水泵P1和P2，六個(gè)手動(dòng)閥V1～V6,二個(gè)PWM（脈寬調(diào)制）型線性比例調(diào)節(jié)閥V7和V8；三個(gè)反壓式液位傳感器LT1、LT2和LT3 以及兩個(gè)旁路閥V9、V10 組成。本實(shí)驗(yàn)裝置可以實(shí)現(xiàn)單容、雙容和三容水箱液位控制，與現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際控制裝置具有相同的工作原理，可以為實(shí)際裝置的控制提供仿真實(shí)驗(yàn)和驗(yàn)證。

本系統(tǒng)是雙容液位控制系統(tǒng)，以2#容器即T2的液位為被控參數(shù)，調(diào)節(jié)閥V7是執(zhí)行機(jī)構(gòu)，采用現(xiàn)場(chǎng)總線控制器形成單回路控制系統(tǒng)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

2 控制算法

2.1 PID控制算法

對(duì)于溫度、壓力、流量和液位的控制是屬于慢變過(guò)程的控制，在工業(yè)生產(chǎn)中經(jīng)常采用PID控制，即通過(guò)調(diào)試PID的比例、積分和微分三個(gè)參數(shù)來(lái)改變被控量的變化速度、消除誤差和減小震蕩。PID控制器進(jìn)行控制是將給定值與實(shí)際值進(jìn)行比較將誤差最終減小為零并且要求調(diào)節(jié)的速度要快、準(zhǔn)、穩(wěn)。但這三個(gè)條件之間是相互矛盾的，要使系統(tǒng)調(diào)節(jié)的快，就要降低穩(wěn)定的性能，會(huì)產(chǎn)生一些震蕩，反之，要使系統(tǒng)穩(wěn)定的調(diào)節(jié)，在速度上就不可能有很高的要求，調(diào)節(jié)時(shí)間也要加長(zhǎng)。在實(shí)際工程中，許多系統(tǒng)和過(guò)程都十分復(fù)雜，難以建立精確的數(shù)學(xué)模型和設(shè)計(jì)出通常意義下的控制程序，Kp、Ki和Kd參數(shù)往往整定困難。此時(shí)，采用模糊控制就有可能獲得滿意的控制效果。

2.2 模糊控制算法

模糊控制的核心部分為模糊控制器。模糊控制器的控制規(guī)律由計(jì)算機(jī)的程序?qū)崿F(xiàn)，模糊控制的基本思想是：將偏差信號(hào)和偏差變化率信號(hào)作為模糊控制器的輸入量，經(jīng)模糊化后，用相應(yīng)的模糊語(yǔ)言表示，得到模糊語(yǔ)言集合的一個(gè)子集。再由模糊子集和模糊控制規(guī)則（模糊關(guān)系）根據(jù)模糊推理合成規(guī)則進(jìn)行模糊決策，得到模糊控制量；經(jīng)解模糊（也稱清晰化），得到了精確地?cái)?shù)字控制量輸出給執(zhí)行機(jī)構(gòu)。

因此，模糊控制過(guò)程可概括為以下四個(gè)步驟。

1）根據(jù)本次采樣得到的系統(tǒng)輸出值，計(jì)算所選擇系統(tǒng)的輸入變量；

2）將輸入變量的精確值變?yōu)槟：浚?/p>

3）根據(jù)輸入變量（模糊量）及模糊控制規(guī)則，按照模糊推理合成規(guī)則推理計(jì)算輸出控制量（模糊量）；

4）由上述得到的控制量（模糊量）計(jì)算精確的輸出控制量，并作用于執(zhí)行機(jī)構(gòu)。

3 系統(tǒng)組態(tài)

本設(shè)計(jì)的硬件和網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)采用西門子S7控制系統(tǒng)，利用Step7軟件實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)硬件組態(tài)、通信組態(tài)和控制算法組態(tài)；采用WinCC軟件實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)監(jiān)控層設(shè)計(jì)。

3.1 硬件組態(tài)

STEP7軟件是用于SIMATIC S7-300/400站創(chuàng)建可編程邏輯控制程序的標(biāo)準(zhǔn)軟件，應(yīng)用STEP7軟件可以方便地構(gòu)造和組態(tài)PROFIBUS-DP網(wǎng)絡(luò)。本系統(tǒng)采用S7-300控制器，硬件包括電源模塊、CPU模塊、信號(hào)模塊、功能模塊、接口模塊和通信處理器CP。機(jī)架的1-3槽位分別放置電源模塊、CPU模塊。CPU模塊型號(hào)為314-2DP，帶有集成的數(shù)字量和模擬量的輸入、輸出；以太網(wǎng)通訊模塊采用CP 343-1，由于帶有以太網(wǎng)通訊接口，因此會(huì)自動(dòng)彈出Ethernet(以太網(wǎng))接口屬性對(duì)話框，創(chuàng)建一個(gè)新的以太網(wǎng)子網(wǎng)，并輸入一個(gè)唯一的MAC地址與之相對(duì)應(yīng)。

3.2 算法編程

從系統(tǒng)建模的角度看，雙容液位系統(tǒng)是一個(gè)二階慣性環(huán)節(jié)，也可以等效為一個(gè)慣性環(huán)節(jié)加滯后環(huán)節(jié)，由于雙容系統(tǒng)存在容積滯后，給系統(tǒng)控制增加了難度。

3.2.1 PID控制設(shè)計(jì)

Step7軟件中提供了多個(gè)功能塊，用于實(shí)現(xiàn)多個(gè)控制算法。本文首先采用Step7軟件提供的PID控制模塊對(duì)雙容水箱液位進(jìn)行控制。PID控制中有三個(gè)重要的參數(shù)。

1）比例系數(shù)Kp的作用是加快系統(tǒng)的響應(yīng)速度，提高系統(tǒng)的調(diào)節(jié)精度。Kp越大系統(tǒng)的響應(yīng)速度越快，系統(tǒng)的調(diào)節(jié)精度越高，但易產(chǎn)生超凋，甚至?xí)?dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定。

2）積分作用系數(shù)Ki的作用是消除系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差。Ki越大，系統(tǒng)的靜態(tài)誤差消除越快。但Ki過(guò)大，在響應(yīng)過(guò)程的初期會(huì)產(chǎn)生積分飽和現(xiàn)象，從而引起較大的超調(diào)。

3）微分作用系數(shù)Kd的作用是改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性，其作用主要是在響應(yīng)過(guò)程中抑制偏差的變化，對(duì)偏差變化進(jìn)行提前預(yù)報(bào)。但Kd過(guò)大，會(huì)使響應(yīng)過(guò)程提前制動(dòng)，從而延長(zhǎng)調(diào)節(jié)時(shí)間，降低系統(tǒng)的抗干擾性能。微分作用可以消除時(shí)間滯后，但對(duì)容積滯后無(wú)能為力。

根據(jù)三個(gè)參數(shù)的特點(diǎn)，通過(guò)先期的仿真研究和參數(shù)整定，確定了三個(gè)參數(shù)值。

3.2.2 模糊控制器設(shè)計(jì)

模糊控制器最基本的形式被稱為“查詢表”式的模糊控制器，它將模糊控制規(guī)則最終轉(zhuǎn)化為一個(gè)查詢表又稱為控制表，存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)中供在線查詢使用。這種形式的模糊控制器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用方便的特點(diǎn)，因此又稱為簡(jiǎn)單模糊控制器。這種設(shè)計(jì)思想是其他形式模糊控制器的基礎(chǔ)。本文采用模糊控制算法，結(jié)合液位控制系統(tǒng)特點(diǎn)設(shè)計(jì)一個(gè)合理的二維模糊控制器。

液位模糊控制器設(shè)計(jì)為兩個(gè)輸入一個(gè)輸出，一個(gè)輸入為液位設(shè)定值與液位實(shí)際值偏差E，另一個(gè)輸入為偏差的變化率EC，模糊控制器的輸出是U，用來(lái)控制進(jìn)水調(diào)節(jié)閥開度。

描述輸入變量及輸出變量的語(yǔ)言值的模糊子集為{負(fù)，零，正}，通常采用如下簡(jiǎn)記形式N=負(fù)，Z=零，P=正。其中，設(shè)偏差E、偏差變化率EC和控制量U的論域相同為X，量化為五個(gè)等級(jí)，即 X={-2，-1，0，1，2}。采用三角形隸屬函數(shù)曲線，如圖2所示。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)和被控對(duì)象的先驗(yàn)知識(shí)，經(jīng)過(guò)反復(fù)實(shí)驗(yàn)建立了模糊控制規(guī)則如表1所示。

圖2 隸屬函數(shù)曲線

表1 模糊控制規(guī)則表

應(yīng)用STEP7軟件中SCL語(yǔ)言編寫模糊控制程序。源程序編譯完成后生成模糊控制功能塊FB5，就可以直接用于功能塊編程。

3.3 監(jiān)控程序設(shè)計(jì)

通過(guò)WINCC軟件可以實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的實(shí)時(shí)監(jiān)控，WinCC與PLC的通訊是通過(guò)“SIMATIC S7 Protocol Suite”驅(qū)動(dòng)程序，通道單元為工業(yè)以太網(wǎng)“Industrial Ethernet”。因此在WinCC中建立項(xiàng)目后，添加“SIMATIC S7 Protocol Suite”協(xié)議組，在“Industrial Ethernet”下建立與S7-300 PLC站連接的邏輯通道，添加監(jiān)控所需的與PLC地址變量相對(duì)應(yīng)的WinCC外部變量。該組態(tài)在監(jiān)控層PC中進(jìn)行，與PLC通過(guò)工業(yè)以太網(wǎng)連接即可監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行狀態(tài)。本項(xiàng)目在WinCC中建立了實(shí)時(shí)監(jiān)控界面和趨勢(shì)控制曲線。

4 系統(tǒng)運(yùn)行分析

圖3是系統(tǒng)的監(jiān)控運(yùn)行界面，被控量是2#水箱液位，其設(shè)定液位值是250，當(dāng)前實(shí)際液位值是252，出現(xiàn)超調(diào)量，因此閥門的開度是零，系統(tǒng)還處于動(dòng)態(tài)的調(diào)節(jié)過(guò)程中。1#和3#水箱可以實(shí)時(shí)監(jiān)控，隨著現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際液位值實(shí)時(shí)變化、動(dòng)態(tài)顯示。

圖3 系統(tǒng)運(yùn)行界面

圖4和圖5分別是2#水箱液位值在PID控制和模糊控制作用下的動(dòng)態(tài)響應(yīng)曲線，描述了液位參數(shù)值從動(dòng)態(tài)到穩(wěn)態(tài)的變化過(guò)程，以及執(zhí)行器的變化情況。其性能指標(biāo)分析如表2所示。

圖4 PID控制曲線

由表2可見，PID控制調(diào)節(jié)時(shí)間較短，有相對(duì)較大的超調(diào)量，而且執(zhí)行器（閥門）處于全開/全關(guān)狀態(tài)，執(zhí)行器（閥門）磨損較大；模糊控制雖然時(shí)間稍長(zhǎng)，但超調(diào)量小，且閥門小幅運(yùn)動(dòng)，保持固定狀態(tài)的時(shí)間較長(zhǎng)，執(zhí)行器（閥門）磨損小。從過(guò)程控制角度看，更強(qiáng)調(diào)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和裝置的狀態(tài)，因此模糊控制具有更好的控制效果。

圖5 模糊化控制曲線

表2 性能指標(biāo)比較

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