基于模糊PID的紡織廠空調(diào)溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

楊云鵬，于有生，路向陽(yáng)

(1.廣東南方職業(yè)學(xué)院 智能制造學(xué)院，廣東 江門(mén) 529040； 2.武漢理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，湖北 武漢 430070；3.中原工學(xué)院 電子信息學(xué)院，河南 鄭州 450007)

在紡織品生產(chǎn)過(guò)程中，溫度的精準(zhǔn)控制是保證產(chǎn)品質(zhì)量的重要因素[1-2]，傳統(tǒng)紡織廠生產(chǎn)車間空調(diào)系統(tǒng)多采用人工控制開(kāi)閉的方式，通常缺乏動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)[3]，隨著近年來(lái)紡織廠產(chǎn)能不斷升級(jí)，廠房自動(dòng)化程度不斷提高，車間溫度能否得到有效控制成為制約紡織廠生產(chǎn)效率及生產(chǎn)質(zhì)量的瓶頸。同時(shí)，有的紡織廠雖然采取了集中控制的空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行溫度調(diào)節(jié)，但由于系統(tǒng)參數(shù)及負(fù)荷不斷變化，且控制過(guò)程具有滯后性，往往耗時(shí)較長(zhǎng)，且調(diào)節(jié)精度不高[4-6]。在工業(yè)過(guò)程控制中，傳統(tǒng)PID調(diào)節(jié)方式由于其原理簡(jiǎn)單、穩(wěn)定性好、使用方便等優(yōu)點(diǎn)得到了廣泛的應(yīng)用[7]，但在紡織廠空調(diào)溫度控制系統(tǒng)中，參數(shù)不斷變化，控制過(guò)程具有滯后性，當(dāng)被控對(duì)象的參數(shù)受外界影響以及環(huán)境條件改變時(shí)，傳統(tǒng)PID同一套控制器參數(shù)對(duì)工況大范圍變化的被控對(duì)象調(diào)節(jié)效果并不理想，難以達(dá)到預(yù)期效果。

基于此，本文設(shè)計(jì)了基于模糊PID控制算法的S7-1200PLC紡織廠空調(diào)溫度控制系統(tǒng)，利用模糊控制不依賴精確數(shù)學(xué)模型的特點(diǎn)[8]，同時(shí)結(jié)合PID控制算法，實(shí)現(xiàn)空調(diào)系統(tǒng)溫度的精確控制，以滿足恒溫紡織環(huán)境要求，并結(jié)合人機(jī)界面實(shí)時(shí)監(jiān)控和報(bào)警記錄功能，達(dá)到實(shí)時(shí)觀察和反饋系統(tǒng)運(yùn)行狀況的效果。

1 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

紡織廠空調(diào)溫度控制系統(tǒng)以S7-1200PLC CPU及配套的SM1234模擬量輸入輸出模塊為核心，通過(guò)MCGS系列型號(hào)為T(mén)PC1162Hi的觸摸屏為主的人機(jī)界面，輸入設(shè)定溫度指令，同時(shí)，將系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)對(duì)應(yīng)的反饋信號(hào)值顯示在人機(jī)界面上，并設(shè)定報(bào)警狀態(tài)和打印功能；通過(guò)測(cè)量精度為A級(jí)的PT-1000含F(xiàn)4高溫屏蔽的溫度傳感器采集環(huán)境溫度經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后輸入PLC進(jìn)行與設(shè)定溫度進(jìn)行比較運(yùn)算和處理，最終，PLC模擬量輸出端口控制丹弗斯VLT2840變頻器和GDB161.1E風(fēng)閥驅(qū)動(dòng)器，向風(fēng)機(jī)、風(fēng)窗等終端設(shè)備輸出特定的動(dòng)作指令，系統(tǒng)硬件架構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)硬件架構(gòu)

2 系統(tǒng)算法設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)控制流程

使用PLC對(duì)紡織廠空調(diào)溫度控制系統(tǒng)實(shí)施閉環(huán)控制，首先進(jìn)行系統(tǒng)初始化，通過(guò)人機(jī)界面設(shè)定系統(tǒng)所需溫度值r(k)(℃)，與PLC借助溫度傳感器收集到的環(huán)境溫度初始值信號(hào)y(k)(℃)作比較[9]，雖然控制誤差理論值為0時(shí)為最優(yōu)，但根據(jù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)及生產(chǎn)實(shí)際，若當(dāng)前時(shí)刻誤差e(k)=r(k)-y(k)≤0.5 ℃時(shí)，系統(tǒng)即可認(rèn)定滿足控制要求，而當(dāng)誤差﹥0.5 ℃時(shí)，系統(tǒng)進(jìn)行模糊PID算法計(jì)算，除已知當(dāng)前時(shí)刻溫度誤差e(k)外，計(jì)算誤差變化率ec(k)=e(k)-e(k-1)，二者作為控制器輸入，同時(shí)，將當(dāng)前時(shí)刻誤差賦值給上一時(shí)刻，即e(k)=e(k-1)，而后模糊化控制器輸入e(k)、ec(k)，對(duì)參數(shù)ΔKp、ΔKi、ΔKd進(jìn)行模糊整定，其中，ΔKp、ΔKi、ΔKd分別為消除PID控制比例系數(shù)Kp、積分系數(shù)Ki及微分系數(shù)Kd三者偏差的校正參數(shù)，而后基于初始值疊加得到PID控制參數(shù)的當(dāng)前值Kp、Ki、Kd，最終得到控制信號(hào)輸出，驅(qū)動(dòng)空調(diào)系統(tǒng)中變頻器或風(fēng)閥驅(qū)動(dòng)器動(dòng)作，通過(guò)設(shè)定溫度采集周期15 s，將環(huán)境溫度不斷與設(shè)定溫度進(jìn)行對(duì)比，通過(guò)更新數(shù)據(jù)和循環(huán)運(yùn)算，將更新后的控制值輸出至設(shè)備終端。系統(tǒng)控制流程如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)控制流程

2.2 模糊PID控制過(guò)程

基于PLC的模糊PID控制設(shè)計(jì)，人機(jī)界面輸入溫度設(shè)定值，記為r(k)，紡織廠車間環(huán)境溫度實(shí)時(shí)值為系統(tǒng)輸出，也即系統(tǒng)反饋值，記為y(k)，ec(k)、e(k)含義如前所述，PLC經(jīng)PID算法整定后輸出的用來(lái)控制變頻器或風(fēng)閥驅(qū)動(dòng)器的模擬量信號(hào)電壓值為控制量，記為u(k)(V)，Kp為PID控制比例系數(shù)，Ki為PID控制積分系數(shù)，Kd為PID控制微分系數(shù)[10]?；赑LC的模糊PID控制結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖3所示。

圖3 PLC的模糊PID控制結(jié)構(gòu)

溫控系統(tǒng)模糊控制器的實(shí)際輸入值是當(dāng)前時(shí)刻溫度誤差e(k)與誤差變化率ec(k)，實(shí)際輸出值是控制量u(k)，對(duì)其進(jìn)行模糊化處理，設(shè)定在7個(gè)模糊語(yǔ)言變量的子集中。

e,ec,u={NB,NM,NS,ZO,PS,PM,PB}

(1)

式中：PB為正大，PM為正中，PS為正小，ZO為零，NS為負(fù)小，NM為負(fù)中，NB為負(fù)大[11-13]，量化后的論域?yàn)閧-3,-2,-1,0,1,2,3}，其隸屬度函數(shù)設(shè)為常用的三角隸屬函數(shù)，三者隸屬度函數(shù)取相同，隸屬度函數(shù)曲線如圖4所示。

圖4 隸屬度函數(shù)曲線

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐和操作人員經(jīng)驗(yàn)，并結(jié)合專家決策判斷，對(duì)參數(shù)ΔKp、ΔKi、ΔKd設(shè)計(jì)模糊控制規(guī)則，生成參數(shù)的模糊控制規(guī)則表，ΔKp的模糊控制規(guī)則如表1所示，并將規(guī)則導(dǎo)入PLC中[14-15]，如當(dāng)ec=NM，e=NB時(shí)，ΔKp=PB，ΔKi，ΔKd參數(shù)整定原理相同，由于篇幅所限，以下僅對(duì)ΔKp進(jìn)行討論。

表1 參數(shù)ΔKp的模糊控制規(guī)則

使用工業(yè)上應(yīng)用最廣泛的加權(quán)平均法將模糊量轉(zhuǎn)化為論域中表示的清晰量，最終化為所需實(shí)際控制量。

(2)

式中：n為規(guī)則數(shù)，A(ΔKpj)為ΔKpj處的隸屬度，ΔKp*為模糊量ΔKpj的清晰值，同理，可得ΔKdj，ΔKij的清晰值。對(duì)PID控制參數(shù)進(jìn)行修正，得

Kp=ΔKp0+ΔKp*

(3)

將修正后的參數(shù)寫(xiě)入對(duì)PLC系統(tǒng)PID算法控制模塊中[16]，最終，PLC用于控制變頻器和風(fēng)閥驅(qū)動(dòng)器的模擬量電壓輸出信號(hào)值為

(4)

2.3 系統(tǒng)輸出轉(zhuǎn)化控制設(shè)計(jì)

由于系統(tǒng)使用場(chǎng)景空間距離較小，模擬量信號(hào)損耗可忽略不計(jì)，因此，系統(tǒng)采用PLC模擬量信號(hào)輸出端0～10 V電壓信號(hào)控制即滿足控制需求，將此信號(hào)作為風(fēng)閥驅(qū)動(dòng)器和變頻器輸入信號(hào)，驅(qū)動(dòng)變頻器調(diào)節(jié)頻率和風(fēng)閥驅(qū)動(dòng)器開(kāi)度控制，PLC程序模擬量數(shù)值、輸出電壓、頻率三者等比例對(duì)應(yīng)關(guān)系如表2所示。

表2 PLC模擬量與頻率對(duì)應(yīng)關(guān)系

3 運(yùn)行結(jié)果分析

將設(shè)計(jì)的空調(diào)溫度控制系統(tǒng)應(yīng)用于某紡織廠生產(chǎn)車間，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)人機(jī)界面給定溫度設(shè)定值，并實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)環(huán)境溫度變化，記錄溫度調(diào)節(jié)到誤差范圍±0.5 ℃所需時(shí)間及最終的溫度，計(jì)算調(diào)整后的誤差，以此推算系統(tǒng)調(diào)節(jié)精度，選取3種不同溫度設(shè)定值情況下系統(tǒng)運(yùn)行數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 系統(tǒng)運(yùn)行數(shù)據(jù)

同時(shí)，將改造后的車間與未改造的車間以及采用溫度調(diào)節(jié)誤差設(shè)定到0 ℃時(shí)的系統(tǒng)，三者月度耗電量對(duì)比如圖5所示。

圖5 月度耗電量對(duì)比

試驗(yàn)運(yùn)行結(jié)果表明，系統(tǒng)針對(duì)不同設(shè)定溫度調(diào)節(jié)值及不同環(huán)境溫度初始值條件下，運(yùn)行穩(wěn)定，平均調(diào)節(jié)速度相近，系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差保持在0.5 ℃范圍內(nèi)，滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求，未發(fā)生溫度超限報(bào)警情況。

相較傳統(tǒng)空調(diào)系統(tǒng)，通過(guò)設(shè)計(jì)的模糊PID算法控制，系統(tǒng)月度耗電量顯著降低，平均節(jié)能12.6%，第21天統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示耗電量出現(xiàn)異常，經(jīng)查詢?cè)O(shè)備運(yùn)行記錄發(fā)現(xiàn)，當(dāng)天為工廠月度檢修日，系統(tǒng)停運(yùn)時(shí)間段為上午8∶00至下午4∶00，但系統(tǒng)節(jié)能整體趨勢(shì)不變。

系統(tǒng)月度運(yùn)行情況中，改造后若系統(tǒng)誤差設(shè)定為0 ℃時(shí)，耗電量相較誤差設(shè)定為0.5 ℃時(shí)有明顯增加，究其原因，當(dāng)系統(tǒng)調(diào)節(jié)到誤差極小時(shí)，輕微的溫度變化造成空調(diào)系統(tǒng)頻繁啟停，從而形成瞬間大電流，而設(shè)定允許誤差0.5 ℃情況下，設(shè)備運(yùn)行留有余量，避免系統(tǒng)頻繁啟停，理想化的誤差為0情況并不適用于真實(shí)的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際。

4 結(jié)束語(yǔ)

以紡織廠車間環(huán)境溫度恒溫控制要求為背景，設(shè)計(jì)了基于模糊PID的紡織廠車間空調(diào)溫度控制系統(tǒng)，采用基于模糊控制算法的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)原理，綜合了2種控制算法的優(yōu)勢(shì)，設(shè)計(jì)了系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)、控制流程及算法，并進(jìn)行了項(xiàng)目試驗(yàn)運(yùn)行，與設(shè)計(jì)前空調(diào)系統(tǒng)對(duì)比，新系統(tǒng)降低了系統(tǒng)誤差，系統(tǒng)控制精度得到提高，大幅降低了系統(tǒng)耗電量，最終實(shí)現(xiàn)了對(duì)室溫的穩(wěn)定、快速調(diào)節(jié)，滿足了紡織廠車間生產(chǎn)要求。