基于WinCC和MATLAB的水位模糊控制系統(tǒng)設(shè)計

朱建軍

（吉林化工學(xué)院，吉林 吉林 132022）

0 引言

液位控制對象具有非線性、純滯后、大慣性等特點，常規(guī)控制方法往往難以滿足控制要求，用經(jīng)典PID控制器來實現(xiàn)控制時，其效果不理想，系統(tǒng)響應(yīng)的調(diào)節(jié)時間較長。與傳統(tǒng)控制方法相比，模糊控制無需建立數(shù)學(xué)模型，被控對象的特性和參數(shù)變化對控制質(zhì)量的影響較小，對于非線性和滯后對象采用模糊控制的效果比PID效果好，因此很適合液位過程控制。本文以水箱系統(tǒng)作為對象，采用MATLAB進行后臺控制策略運算和數(shù)據(jù)處理，通過在WinCC中的參數(shù)連接與設(shè)置，實現(xiàn)組態(tài)的模擬仿真，這樣既能減少對硬件的依托，又能較好地監(jiān)控對象的實時運行狀態(tài)，在實際教學(xué)實驗中有著很好的應(yīng)用前景。

1 液位控制系統(tǒng)的組成

水箱液位控制系統(tǒng)的被控對象一般包括上水箱液位、中水箱液位和下水箱液位，控制的目的是使水箱液位在某一給定值上下較小范圍內(nèi)變化。本文選用的控制對象為下水箱液位，其控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 液位控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2 模糊控制器的設(shè)計

2.1 模糊控制器的結(jié)構(gòu)

根據(jù)液位過程控制的特點和控制要求，模糊控制器選用二維結(jié)構(gòu)，如圖2所示。模糊控制器包括輸入量模糊化、模糊推理和解模糊3個部分。圖2中，E和EC分別為液位偏差e和偏差變化率ec模糊化后的模糊變量；u＊為解模糊化后的輸出增量；Ke、Kec分別為e和ec的模糊量化因子；Ku為輸出變量u的比例因子。

圖2 液位控制系統(tǒng)的模糊控制模塊圖

2.2 模糊論域

根據(jù)實驗情況，確定輸入和輸出的論域，要求液位的偏差E的范圍為［－15，＋15］，偏差變化率Ec的范圍為［－0.1，＋0.1］。模糊控制器的輸出用來控制閥門的開度，它的范圍為0%～100%。

2.3 變量設(shè)置

液位和流速變量的設(shè)置包括值的范圍、模糊子集和隸屬度函數(shù)的數(shù)量和分布。為了簡化模糊控制器的計算，輸入變量e和ec以及輸出變量u的隸屬度函數(shù)都選用5種等三角形的隸屬度函數(shù)，分別為NB、NS、ZE、PS和PB。

2.4 模糊控制規(guī)則表

模糊控制器的主要組成部分是一套語言學(xué)的模糊控制規(guī)則和用來解釋這些模糊規(guī)則的推理機。

模糊控制規(guī)則提供了語言控制知識的專家和自動控制策略之間的轉(zhuǎn)化激活器。每一條控制規(guī)則都由一個前件和一個后件組成，通用的規(guī)則形式可以表示為：

Ri：IFXis A1andYis A2，THENUis C1

其中：Ri是指第i條規(guī)則；X和Y是系統(tǒng)輸入變量；U是輸出變量；A1、A2和C1是系統(tǒng)相應(yīng)的輸入輸出論域的子集。

根據(jù)此原理可設(shè)計出模糊控制器的25條模糊控制規(guī)則，如表1所示。

表1 模糊控制規(guī)則表

3 液位控制系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 監(jiān)控畫面組態(tài)

本文采用西門子公司的 WinCC 7.0工業(yè)組態(tài)軟件設(shè)計完成了監(jiān)控平臺的基本功能，比如實時曲線、歷史曲線、歷史數(shù)據(jù)、動畫實現(xiàn)、報警模塊、報表模塊和打印模塊。

3.2 系統(tǒng)模型建立

在Simulink里編寫了常規(guī)PID和模糊控制兩種控制算法，如圖3所示。通過OPC技術(shù)實現(xiàn) WinCC與Simulink之間的實時通訊，直接調(diào)用“OPC Read/Write”功能，用在Simulink中搭建的控制算法實現(xiàn)對水箱液位的實時控制，并在 WinCC上顯示不同控制算法的趨勢，可以清晰、直觀地比較出不同控制策略的優(yōu)缺點。

圖3 液位系統(tǒng)MATLAB的OPC接口圖

4 實驗數(shù)據(jù)分析

至此，一個基于Simulink環(huán)境下 MATLAB和WinCC相結(jié)合的模糊實時控制系統(tǒng)設(shè)計完畢。將MATLAB和WinCC投入運行，在WinCC監(jiān)控畫面中可以看到實際液位跟蹤設(shè)定液位的實時監(jiān)控圖。

對閉環(huán)PID控制和模糊控制兩組實驗的結(jié)果在同一坐標(biāo)下進行比較，如圖4所示。

圖4 水箱液位系統(tǒng)組態(tài)運行趨勢圖

由圖4可知，在相同的條件下，PID反應(yīng)速度較慢，但動態(tài)品質(zhì)較好且能消除靜態(tài)偏差。模糊控制沒有超調(diào)，且上升速度和穩(wěn)定速度都是較快的，但存在靜態(tài)偏差。總之，采用模糊控制方法對單容水箱液位的控制效果要比常規(guī)閉環(huán)PID控制的響應(yīng)速度快，且較快地達到穩(wěn)態(tài)，從而改善系統(tǒng)的性能。

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