基于S7-400 PLC的過熱蒸汽溫度串級模糊PID控制系統(tǒng)

史冬琳 劉劍釗 張秀宇

(東北電力大學(xué)自動化工程學(xué)院,吉林 吉林 132012)

過熱蒸汽溫度是工業(yè)鍋爐的重要參數(shù)，其變化直接影響鍋爐的安全運(yùn)行和企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。由于過熱蒸汽溫度對象具有非線性、時變性、滯后性及干擾多等特點(diǎn)，難以得到精確的數(shù)學(xué)模型，因此常規(guī)串級PID控制難以適應(yīng)變負(fù)荷時過熱蒸汽溫度對象特性發(fā)生較大改變的特點(diǎn)，不能獲取滿意的動態(tài)性能指標(biāo)[1]。

模糊控制可以在不知道被控對象精確模型的前提下，憑借專家知識和操作員總結(jié)出的控制經(jīng)驗(yàn)建立起模糊控制規(guī)律并對系統(tǒng)進(jìn)行有效控制，在過熱蒸汽溫度控制系統(tǒng)中引入模糊控制能有效改善控制系統(tǒng)的調(diào)節(jié)品質(zhì)[2～4]。模糊控制算法雖然在仿真研究中獲得了良好的效果，但現(xiàn)階段在DCS和PLC上實(shí)現(xiàn)該算法仍比較困難，存在理論研究與實(shí)際應(yīng)用脫節(jié)的問題。查表法是一種實(shí)現(xiàn)模糊控制的簡單方法，但受查詢表容量的限制而不能應(yīng)用于過熱蒸汽溫度這類復(fù)雜系統(tǒng)中[5]。

用于過程控制的對象鏈接與嵌入(Object Linking and Embedding(OLE) for Process Control,OPC)技術(shù)作為一種過程控制領(lǐng)域新興的通信技術(shù)能夠很好地解決不同軟、硬件之間的通信兼容性問題[6]?；贠PC的模糊控制解決方案，即利用OPC技術(shù)有機(jī)結(jié)合Matlab和PLC，設(shè)計(jì)在線模糊PID控制器，為模糊控制算法在PLC中的應(yīng)用提供了很好的借鑒[7,8]。

筆者以SMPT-1000平臺鍋爐工程的過熱蒸汽溫度為被控對象，設(shè)計(jì)串級模糊PID控制策略，借助OPC技術(shù)為PLC和Matlab搭建數(shù)據(jù)傳輸通道。最后通過仿真驗(yàn)證模糊PID控制算法和OPC技術(shù)在實(shí)際過熱蒸汽溫度控制應(yīng)用中的效果。

本方案選用的軟、硬件包括S7-400 PLC、SMPT-1000多功能仿真平臺、Matlab/Simulink和Simatic PCS7軟件，系統(tǒng)平臺結(jié)構(gòu)如圖1所示。被控對象為SMPT-1000鍋爐工程中的過熱蒸汽溫度系統(tǒng)(圖2)，它和PLC通過Profibus-DP總線連接。PCS7 是完全無縫集成的自動化解決方案，可以應(yīng)用于所有的工業(yè)領(lǐng)域，包括過程工業(yè)、制造工業(yè)、混合工業(yè)和工業(yè)所涉及的所有制造和過程自動化產(chǎn)品[9,10]。本方案中PCS7通過工業(yè)以太網(wǎng)連接控制器完成PLC的網(wǎng)絡(luò)組態(tài)、硬件組態(tài)和監(jiān)視功能。Matlab/Simulink主要負(fù)責(zé)模糊推理計(jì)算，得到PID校正值，并通過OPC技術(shù)與PLC進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸和交換[11]。Simulink中的OPC Read模塊從PLC的數(shù)據(jù)存儲區(qū)中讀取主調(diào)節(jié)器的過程值和設(shè)定值，OPC Write模塊負(fù)責(zé)將模糊工具箱計(jì)算出的3個PID參數(shù)校正值送回PLC，由PLC完成對過熱蒸汽溫度系統(tǒng)的控制。

圖1 系統(tǒng)平臺結(jié)構(gòu)

圖2 SMPT-1000鍋爐工程中的過熱蒸汽溫度系統(tǒng)

2 串級模糊PID控制系統(tǒng)

模糊PID控制器在PID算法的基礎(chǔ)上，以誤差E和誤差變化率EC為輸入，按照模糊規(guī)則進(jìn)行推理，PID參數(shù)在線調(diào)整表達(dá)式為：

(1)

式中kp、ki、kd——原PID參數(shù)；

kp′、ki′、kd′——校正后的PID參數(shù)；

Δkp、Δki、Δkd——模糊控制器計(jì)算出的PID參

數(shù)校正值。

通過式(1)計(jì)算，以滿足不同E和EC時控制系統(tǒng)對PID參數(shù)的要求，從而使被控對象具有較好的動靜態(tài)性能。

2.1 控制方案

過熱蒸汽溫度串級模糊PID系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示，根據(jù)被控對象的結(jié)構(gòu)和特性，利用PCS7設(shè)計(jì)串級模糊PID控制方案實(shí)現(xiàn)過熱蒸汽溫度控制。在方案中由操作員設(shè)定主調(diào)節(jié)器的給定值，過熱蒸汽出口溫度過程值和給定值的偏差作為主調(diào)節(jié)器的輸入；主調(diào)節(jié)器輸出作為副調(diào)節(jié)器給定值，與減溫水流量的偏差作為副調(diào)節(jié)器的輸入，副調(diào)節(jié)器輸出作用于減溫水管路調(diào)節(jié)閥，通過改變減溫水量來實(shí)現(xiàn)控制目標(biāo)。主調(diào)節(jié)器采用PID控制，kp、ki、kd的初值分別設(shè)為-1.2、80、0；副調(diào)節(jié)器采用P控制，kp設(shè)為-2。

圖3 過熱蒸汽溫度串級模糊PID系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.2 模糊控制器

系統(tǒng)模糊控制器為二輸入三輸出，輸入變量E=SP-PV和EC=dE/dt，輸出變量為Δkp、Δki、Δkd，模糊子集為{NB、NM、NS、ZO、PS、PM、PB}，論域范圍為[-6，6]，采用三角型隸屬度函數(shù)分別描述其模糊集合，如圖4、5所示。

圖4 輸入變量E、EC的隸屬度函數(shù)

圖5 輸出變量Δkp、Δki、Δkd的隸屬度函數(shù)

模糊規(guī)則以人工控制經(jīng)驗(yàn)為前提，總結(jié)出一般經(jīng)驗(yàn)規(guī)律，制定合適的模糊規(guī)則以滿足kp、ki、kd自整定要求[12]。模糊推理采用Mamdani法，模糊控制規(guī)則見表1，共7×7×3=147條。

模糊控制規(guī)則的語言形式為：

IfE=AiandEC=BjthenU=Cij,i、j=1,2,…,7

式中Ai、Bj、Cij——論域X、Y、Z上的模糊語言值；

U——Δkp、Δki、Δkd的語言變量。

控制器的反模糊化采用Centriod面積重心法，由Matlab工具箱自動完成。

表1 模糊控制規(guī)則

2.3 控制系統(tǒng)仿真平臺搭建

利用Simulink搭建的模糊PID控制器參數(shù)實(shí)時校正程序和二輸入三輸出模糊推理子程序如圖6、7所示。經(jīng)過計(jì)算并進(jìn)行試驗(yàn)整定，將誤差E的量化因子設(shè)為0.9，誤差變化率EC的量化因子設(shè)為30，Δkp、Δki、Δkd的比例因子分別設(shè)為1/6、1/6、1/6，這樣既能避免在偏差較大時kp增大過快引起系統(tǒng)超調(diào)和不穩(wěn)定，又能在偏差較小時提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度[13]。

圖6 模糊PID控制器參數(shù)實(shí)時校正程序

圖7 二輸入三輸出模糊推理子程序

Simulink的作用是通過讀取PLC中主調(diào)節(jié)器的過程值和給定值，通過數(shù)據(jù)處理得到誤差E和誤差變化率EC，然后送入模糊控制器，得到PID參數(shù)的校正值，再和原始PID參數(shù)進(jìn)行相加后送入PLC主PID調(diào)節(jié)器中，實(shí)現(xiàn)控制功能。其中，Constant模塊數(shù)值為傳統(tǒng)PID的參數(shù)，OPC Configuration模塊連接OPC服務(wù)器，OPC Read模塊從OPC服務(wù)器中讀取數(shù)值，OPC Write模塊向OPC服務(wù)器寫入數(shù)值，Subsystem為模糊PID推理系統(tǒng)。

3 結(jié)果分析

過熱蒸汽溫度操作員給出的設(shè)定值是450.0℃。Simulink中模糊PID控制器參數(shù)實(shí)時校正程序在SMPT-1000鍋爐工程變負(fù)荷階段前投運(yùn)，以驗(yàn)證變負(fù)荷工況下模糊PID控制對過熱蒸汽溫度的控制效果。

從圖8可以看出，過熱蒸汽溫度在負(fù)荷變化時的響應(yīng)過程中，模糊PID控制效果優(yōu)于傳統(tǒng)PID控制算法，系統(tǒng)的超調(diào)量、穩(wěn)態(tài)誤差和調(diào)節(jié)時間都小于傳統(tǒng)PID算法。這表明利用OPC技術(shù)實(shí)現(xiàn)的串級模糊PID算法具有良好的應(yīng)用價值，能減少編程量并提高控制系統(tǒng)的適應(yīng)性和精確度。

圖8 過熱蒸汽溫度響應(yīng)曲線對比

4 結(jié)束語

筆者提出的過熱蒸汽溫度串級模糊PID控制方案，采用Matlab和OPC技術(shù)實(shí)現(xiàn)了PID參數(shù)的在線計(jì)算。從驗(yàn)證結(jié)果可以看出，模糊PID控制方案相比傳統(tǒng)的PID控制方案具有更好的控制效果，同時，本方案借助OPC和Matlab實(shí)現(xiàn)了模糊PID參數(shù)整定功能，相比于離線查表方式具有極強(qiáng)的實(shí)時交互性，減少了編程工作量并且相比查表法具有更高的精確度。

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