基于PLC的模糊PID算法在汽輪機控制系統(tǒng)的應用

張宇

（哈爾濱汽輪機廠有限責任公司，哈爾濱 150046）

0 引言

PID算法是控制領(lǐng)域中使用最廣泛的算法之一，尤其在過程控制領(lǐng)域中使用的更為普遍。PID算法在PLC控制器中廣泛應用，PLC控制器的生產(chǎn)廠家把PID算法做成功能塊的形式，這種方式大大簡化了開發(fā)人員的開發(fā)周期，整個算法對開發(fā)人員是透明的，開發(fā)人員只需要填入幾個參數(shù)，功能塊自動計算出控制結(jié)果。這種方式對于線性定常數(shù)的被控對象控制效果較好，但是對于要求反應速度快、工況變化頻繁、控制要求精度高的場合，就不能得到理想的效果了。

1 模糊PID控制原理及其在DEH系統(tǒng)中的應用

在DEH系統(tǒng)中，選取發(fā)電機功率設定值經(jīng)過計算后的給定值和反饋值的偏差E和偏差變化率Ec作為模糊控制器的輸入語言變量,比例Kp、積分Ki、微分Kd的修正值作為輸出變量。

設偏差、偏差變化率和比例、積分、微分系數(shù)的增量的模糊化所對應的語言變量分別為 E、EC、ΔKp、ΔKi、ΔKd。

E、EC、ΔKp、ΔKi、ΔKd模糊集為：｛NB，NM，NS，Z，PS，PM，PB｝

E、EC、ΔKp、ΔKi、ΔKd的整數(shù)論域為：｛-3，-2，-1，0,1，2，3｝

由電廠實際運行情況可知：偏差E的物理論域為［-60，60］之間，單位為 MW。

實際偏差變化率EC物理論域為［-6，6］之間，單位為MW。

2 功率模糊PID控制在西門子PLC中實現(xiàn)方式

PLC邏輯的主循環(huán)模塊實現(xiàn)對模糊PID邏輯子函數(shù)的功能塊的調(diào)用以及DEH測量信號和數(shù)據(jù)的傳遞。主程序由幾個子程序組成。其中FC11完成功率信號e和Δe的計算；FC12進行功率信號模糊化處理；FC13實現(xiàn)了功率模糊控制表的查詢功能；FC14完成了功率控制回路Kp、Ki和Kd的清晰化處理。FC15完成量化因子的在線優(yōu)化調(diào)整，OB35定時中斷程序，完成常規(guī)PID、模糊PID兩者的復合控制和模糊切換的功能。數(shù)據(jù)塊DB2、DB3、DB4存儲MATLAB離線計算的模糊控制器比例系數(shù)、積分系數(shù)、微分系數(shù)的模糊查詢表。

模糊控制的核心程序由模糊控制查詢表的查詢程序FC13、完成量化因子的在線優(yōu)化調(diào)整程序FC15、復合控制的定時中斷程序OB35組成。

模糊查詢程序FC13：通過計算求出輸出控制量（Kp、Ki、Kd）在查詢表的位置，求出 Kp、Ki、Kd控制量。

該子程序把MATLAB離線計算出來的模糊控制表中的模糊控制量Kp、Ki、Kd按照先行后列，由左向右的訪問順序存儲到數(shù)據(jù)塊中的數(shù)據(jù)塊2、數(shù)據(jù)塊3、數(shù)據(jù)塊4中，數(shù)據(jù)類型為REAL。首地址為DB2.DBD0，依次為DB2.DBD4、DB2.DBD8……DB(以比例系數(shù)為例)。采用STEP7中的指針尋址查表方法?？刂屏康幕窞?，偏移地址為4×（7×Xi+Yj），由Xi、Yj可以確定控制量的絕對地址為4×（7×Xi+Yj），通過指針變量獲得地址DB塊中存儲的 Kp、Ki、Kd的模糊值。

主要代碼程序：（STL語句表）

功能FC13：//實現(xiàn)模糊控制量的查詢功能

L X

L 7

* I

T #P 地址暫存變量

L Y

L #P

T #P

SLD 3

T MD100

OPN DB2

L DBD[#p]

T MD100

循環(huán)中斷程序OB35（常規(guī)PID計算與模糊PID復合控制）：中斷程序定時完成常規(guī)PID和模糊PID兩者的復合控制和模糊切換的功能。根據(jù)調(diào)試經(jīng)驗，中斷的時間間隔為 1s。

西門子PLC常規(guī)PID在DEH系統(tǒng)中的實現(xiàn)是直接調(diào)用PID功能模塊FB41，根據(jù)不同的控制工況，通過P_SEL、I_SEL、D_SEL參數(shù)的選擇，可分別完成P控制、PI控制，PID控制。組態(tài)邏輯中只要填入比例系數(shù)、輸入輸出的上下限、積分系數(shù)、死區(qū)、微分系數(shù)等參數(shù)就可完成PID計算。

模糊PID控制也是調(diào)用PID功能模塊FB41，編程方式完全相同，也是通過添加參數(shù)自動完成計算的，唯一的區(qū)別是模糊PID控制的比例、積分、微分系數(shù)是通過FC11、FC12、FC13在線調(diào)整比例、積分、微分系數(shù)使其適應不同的工況。

模糊PID控制器根據(jù)控制偏差值的大小，模糊切換常規(guī)PID和模糊PID，使控制偏差小于某個一個值時，常規(guī)PID的值起主導作用，大于這個值時模糊PID控制起主導作用，從而完成二者穩(wěn)定無擾切換。

主要程序代碼如圖1，控制效果如圖2所示。

圖1 主要程序代碼

圖2 采用模糊PID控制效果

3結(jié)語

模糊PID控制屬于新型PID控制的范疇，本文針對基于西門子PLC的DEH系統(tǒng)的模糊PID算法在火電廠660MW機組的工程應用。經(jīng)過電廠運行實踐證明，該控制邏輯在汽輪機控制系統(tǒng)中達到了電廠預期的效果。

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