基于PLC的模糊控制設計

1、中北大學2013屆畢業(yè)設計說明書第 頁共37頁概述1。1研究背景及意義隨著時代的不斷發(fā)展,PLC在現(xiàn)代工業(yè)的地位上越來越重要。在工業(yè)應用中其具備許多優(yōu)點，如：編程方便，現(xiàn)場可修改程序；維修方便,采用模塊化結(jié)構；可靠性高于繼電器控制裝置；體積小于繼電器控制裝置；數(shù)據(jù)可直接送入計算機；成本可與繼電器控制裝置競爭；可直接用115V交流輸入；輸出為115v,2A以上，能直接驅(qū)動；電磁閥、接觸器等;通用性強，要能擴展；用戶程序存儲器容量可擴展到4KB1.PLC，即可編程序控制器，可編程邏輯控制器實質(zhì)是一種專用于工業(yè)控制的計算機，可編程邏輯控制器其硬件結(jié)構基本上與微型計算機相同.其結(jié)構包括：電源，中央處理

2、單元(CPU),存儲器，輸入輸出接口電路，功能模塊，通信模塊。最早出現(xiàn)于上世紀60年代，是一種專門為在工業(yè)環(huán)境下應用而設計的數(shù)字運作的電子裝置.它采用可以編制程序的存儲器，用來在其內(nèi)部存儲執(zhí)行邏輯、順序運算，計時、計數(shù)和算術運算等操作指令，并能通過數(shù)字式或模擬式輸入輸出，控制各種類型的機械或生產(chǎn)過程。具備著這些獨特優(yōu)點，PLC在工業(yè)中廣泛適用。例如對水箱液位控制水箱液位是流程工業(yè)中極為常見的參數(shù)，水箱液位控制技術是工業(yè)生產(chǎn)領域中常用的技術。在工業(yè)生產(chǎn)過程中，液位變量是最常見、最廣泛的過程參數(shù)之一在石油工業(yè)、化工生產(chǎn)、電力工程、機械制造和食品加工等諸多領域中，人們都需要對各類流體的液位高度進行監(jiān)

3、測和控制液位是過程控制中重要的控制形式之一，它對生產(chǎn)的影響不容忽視。為了保證安全生產(chǎn)以及產(chǎn)品的質(zhì)量和數(shù)量,對液位進行及時有效的控制是非常必要的。各種控制方式在液位控制系統(tǒng)中也層出不窮,如較常用的浮子式、磁電式和接近開關式。液位控制系統(tǒng)的檢測及計算機控制已成為工業(yè)生產(chǎn)自動化的一個重要方面。由于其具有工況復雜、參數(shù)多變、運行慣性大、控制滯后等特點,它對控制器要求較高3。水箱液位控制是是液位控制中的一個主要問題，它在工業(yè)過程中普遍存在，具有代表性，而且非常典型、實用。目前工業(yè)自動化水平已成為衡量各行業(yè)現(xiàn)代化水平的一個重要標志.同時，控制理論的發(fā)展也經(jīng)歷了古典控制理論、現(xiàn)代控制理論和智能控制理論三個階

4、段。隨第1頁共37頁著人們物質(zhì)生活水平的提高以及市場競爭的日益激烈，產(chǎn)品的質(zhì)量和功能也向更高的檔次發(fā)展，制造產(chǎn)品的工藝過程變得越來越復雜，為滿足優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)、低消耗，以及安全生產(chǎn)、保護環(huán)境等要求，做為工業(yè)自動化重要分支的過程控制的任務也愈來愈繁重。幾十年來，工業(yè)過程控制取得了驚人的發(fā)展,無論是在大規(guī)模的結(jié)構復雜的工業(yè)生產(chǎn)過程中,還是在傳統(tǒng)工業(yè)過程改造中，過程控制技術對于提高產(chǎn)品質(zhì)量以及節(jié)省能源等均起著十分重要的作用。目前，過程控制正朝高級階段發(fā)展，不論是從過程控制的歷史和現(xiàn)狀看，還是從過程控制發(fā)展的必要性、可能性來看,過程控制是朝綜合化、智能化方向發(fā)展，即計算機集成制造系統(tǒng)CIMS）：以智能控制

5、理論為基礎，以計算機及網(wǎng)絡為主要手段，對企業(yè)的經(jīng)營、計劃、調(diào)度、管理和控制全面綜合,實現(xiàn)從原料進庫到產(chǎn)品出廠的自動化、整個生產(chǎn)系統(tǒng)信息管理的最優(yōu)化4。1.2國內(nèi)外發(fā)展與現(xiàn)狀1。2.1PLC的發(fā)展與現(xiàn)狀PLC誕生于美國1969年，其后，日、德、法相繼研制出。20世紀70年代初出現(xiàn)了微處理器。人們很快將其引入可編程邏輯控制器，使可編程邏輯控制器增加了運算、數(shù)據(jù)傳送及處理等功能，完成了真正具有計算機特征的工業(yè)控制裝置5。此時的可編程邏輯控制器為微機技術和繼電器常規(guī)控制概念相結(jié)合的產(chǎn)物。20世紀70年代中末期，可編程邏輯控制器進入實用化發(fā)展階段，計算機技術已全面引入可編程控制器中,使其功能發(fā)生了飛躍6

6、。更高的運算速度、超小型體積、更可靠的工業(yè)抗干擾設計、模擬量運算、PID功能及極高的性價比奠定了它在現(xiàn)代工業(yè)中的地位。20世紀80年代初，可編程邏輯控制器在先進工業(yè)國家中已獲得廣泛應用。世界上生產(chǎn)可編程控制器的國家日益增多，產(chǎn)量日益上升。這標志著可編程控制器已步入成熟階段。20世紀80年代至90年代中期，是可編程邏輯控制器發(fā)展最快的時期，年增長率一直保持為3040%。在這時期，PLC在處理模擬量能力、數(shù)字運算能力、人機接口能力和網(wǎng)絡能力得到大幅度提高，可編程邏輯控制器逐漸進入過程控制領域，在某些應用上取代了在過程控制領域處于統(tǒng)治地位的DCS系統(tǒng)。20世紀末期至今，可編程邏輯控制器的發(fā)展特點是更

7、加適應于現(xiàn)代工業(yè)的需要.這個時期發(fā)展了大型機和超小型機、誕生了各種各樣的特殊功能單元、生產(chǎn)了各種人機界面單元、通信單元,使應用可編程邏輯控制器的工業(yè)控制設備的配套更加容易。可編程控制器簡稱PLC（ProgrammablelogicController）,是以計算機技術為基礎的新型工業(yè)控制裝置。1987年國際電工委員會（InternationalElectricalCommittee）頒布的PLC標準草案中對PLC做了如下定義：“PLC是一種專門為在工業(yè)環(huán)境下應用而設計的數(shù)字運算操作的電子裝置.它采用可編程的存儲器，用來在其內(nèi)部存儲執(zhí)行邏輯運算、順序運算、計時、計算和算術運算等操作指令,并能通過

8、數(shù)字式或模擬式的輸入和輸出，控制各種類型的機械和生產(chǎn)過程”.PLC及有關的外圍設備的設計都應易于與工業(yè)控制系統(tǒng)形成一個整體，易于擴展其功能。1。2。2PLC的特點PLC具有面向工業(yè)控制的鮮明特點。（一）可靠性高，抗干擾能力強可靠性高是電氣控制設備的關鍵性能oPLC由于采用現(xiàn)代大規(guī)模集成電路技術,采用嚴格的生產(chǎn)工藝制造，內(nèi)部電路采取了先進的抗干擾技術,具有很高的可靠性。從PLC機外電路來說，使用PLC構成控制系統(tǒng)，和同等規(guī)模的繼電接觸器系統(tǒng)相比,電氣接線及開關接點已減少到數(shù)百甚至數(shù)千分之一，故障也就大大降低。此外，PLC帶有硬件故障自我檢測功能，出現(xiàn)故障時可及時發(fā)出警報信息。在應用軟件中，應用者

9、還可以編入外圍器件的故障自診斷程序.（二）配套齊全，功能完善,適用性強PLC發(fā)展到今天，已經(jīng)形成了大、中、小各種規(guī)模的系列化產(chǎn)品?？梢杂糜诟鞣N規(guī)模的工業(yè)控制場合。除了邏輯處理功能外，現(xiàn)代PLC大多具有完善的數(shù)據(jù)運算能力，可用于各種數(shù)字控制領域。近年來PLC功能單元大量涌現(xiàn)，使PLC滲透到了位置控制、溫度控制、CNC等各種工業(yè)控制中。加上PLC通信能力的增強及人機交互技術的發(fā)展，使用PLC組成的各種控制系統(tǒng)變得非常容易。（三）系統(tǒng)的設計、建造工作量小，維護方便，易于改造。PLC用存儲邏輯代替接線邏輯，大大減少了控制設別外部恩德接線，是控制系統(tǒng)設計及建造的周期大為縮短，同時維護也變得更為容易。更重

10、要的是使用同一設備經(jīng)過改變程序改變生產(chǎn)過程成為可能。這很適合多品種、小批量生產(chǎn)。（四）體積小，重量輕，能耗低以超小型PLC為例，三菱的fxos14（8個24vdc輸入,6個繼電器輸出），起尺寸僅為58mm*89mm，僅大于信用卡幾毫米，而功能卻有鎖增強，使PLC的應用領域第3頁共37頁中北大學2013屆畢業(yè)設計說明書中北大學2013屆畢業(yè)設計說明書第 頁共37頁第 頁共37頁擴大到遠距離工業(yè)控制的其他行業(yè)，如快餐廳、醫(yī)院手術室、旋轉(zhuǎn)門和車輛等，甚至引入家庭住宅、娛樂場所和商業(yè)部門.隨著PLC性能價格比的不斷提高，其應用范圍不斷擴大，大致可歸納為如下幾類。1。開關量的邏輯控制這是PLC最基本、最

11、廣泛的應用領域，它取代傳統(tǒng)的繼電器電路，實現(xiàn)邏輯控制、順序控制,既可用于單臺設備的控制，也可用于多機群控及自動化流水線。模擬量控制在工業(yè)生產(chǎn)過程當中,有許多連續(xù)變化的量,如溫度、壓力、流量、液位和速度等都是模擬量為了使可編程控制器處理模擬量，必須實現(xiàn)模擬量(Analog)和數(shù)字量(Digital)之間的A/D轉(zhuǎn)換及D/A轉(zhuǎn)換.PLC廠家都生產(chǎn)配套的A/D和D/A轉(zhuǎn)換模塊,使可編程控制器用于模擬量控制。2。運動控制PLC可以用于圓周運動或直線運動的控制。從控制機構配置來說，早期直接用于開關量I/O模塊連接位置傳感器和執(zhí)行機構,現(xiàn)在一般使用專用的運動控制模塊。如可驅(qū)動步進電機或伺服電機的單軸或多軸

12、位置控制模塊.世界上各主要PLC廠家的產(chǎn)品幾乎都有運動控制功能，廣泛用于各種機械、機床、機器人、電梯等場合。3。過程控制過程控制是指對溫度、壓力、流量等模擬量的閉環(huán)控制。作為工業(yè)控制計算機，PLC能編制各種各樣的控制算法程序，完成閉環(huán)控制。PID調(diào)節(jié)是一般閉環(huán)控制系統(tǒng)中用得較多的調(diào)節(jié)方法。大中型PLC都有PID模塊，目前許多小型PLC也具有此功能模塊.PID處理一般是運行專用的PID子程序.過程控制在冶金、化工、熱處理、鍋爐控制等場合有非常廣泛的應用。4。數(shù)據(jù)處理現(xiàn)代PLC具有數(shù)學運算(含矩陣運算、函數(shù)運算、邏輯運算)、數(shù)據(jù)傳送、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、排序、查表、位操作等功能,可以完成數(shù)據(jù)的采集、分析及處

13、理。這些數(shù)據(jù)可以與存儲在存儲器中的參考值比較，完成一定的控制操作，也可以利用通信功能傳送到別的智能裝置,或?qū)⑺鼈兇蛴≈票?數(shù)據(jù)處理一般用于大型控制系統(tǒng),如無人控制的柔性制造系統(tǒng)；也可用于過程控制系統(tǒng)，如造紙、冶金、食品工業(yè)中的一些大型控制系統(tǒng)。通信及聯(lián)網(wǎng)PLC通信含PLC間的通信及PLC與其它智能設備間的通信。隨著計算機控制的發(fā)展，工廠自動化網(wǎng)絡發(fā)展得很快，各PLC廠商都十分重視PLC的通信功能,紛紛推出各自的網(wǎng)絡系統(tǒng)。新近生產(chǎn)的PLC都具有通信接口，通信非常方便4.1.2.3PLC技術發(fā)展動向（1）產(chǎn)品規(guī)模向大、小兩方面發(fā)展大：I/O點數(shù)達14336點、32位微處理器、多CPU并行工作、大容

14、量存儲器、掃描速度高速化。?。河烧w結(jié)構向小型模塊化結(jié)構發(fā)展，增強了配置的靈活性,降低了成本。（2）PLC在閉環(huán)過程中應用日益廣泛。（3）不斷加強通訊功能.（4）新器件和模塊不斷推出。高檔的PLC除了主要采用CPU以提高處理速度外，還帶有處理器的EPROM或RAM的智能I/O模塊、高速計數(shù)模塊、遠程I/O模塊等專用化模塊。（5）編程工具豐富多樣，功能不斷提高，編程語言趨向標準化.有各種簡單或復雜的編程器及編程軟件,采用梯形圖、功能圖、語句表等編程語言，亦有高檔的PLC指令系統(tǒng).（6）發(fā)展容錯技術:采用熱備用或并行工作、多數(shù)表決的工作方式。（7）追求軟硬件的標準化。1。2.4可編程控制器的硬件組

15、成整體式和模塊式兩種可編程控制器具有不同的結(jié)構形式。圖1。1整體式PLC的結(jié)構組成圖1。2模塊式PLC的結(jié)構組成1。2。5模糊控制系統(tǒng)模糊控制系統(tǒng)是一種基于規(guī)則的智能控制，它是以模糊集合論、模糊語言及模糊邏輯推理為基礎的一種計算機智能控制。從1956年美國學者L.A.Zadeh發(fā)表開創(chuàng)性論文，到1986年世界上第一塊基于模糊邏輯的人工智能芯片在貝爾實驗室研制成功再到日本第一臺模糊控制洗衣機的投入適用8，已成為將人的控制經(jīng)驗以及推理過程納入自動控制策略之中提供一條簡捷的途徑。隨著科學技術的迅猛發(fā)展，各個領域?qū)ψ詣涌刂葡到y(tǒng)控制精確度、響應速度、系統(tǒng)穩(wěn)定性與適應能力的要中北大學2013屆畢業(yè)設計說明

16、書中北大學2013屆畢業(yè)設計說明書求越來越高.諸多如被控對象活或過程對象的非線性、時變性、多參數(shù)間的強烈耦合、較大的隨機干擾、過程機理錯綜復雜、各種不確定性以及現(xiàn)場測量手段不完善等，難以建立被控對象的精確模型8.對于那些難以建立數(shù)學模型進行自動控制的復雜被控對象，有經(jīng)驗的操作人員進行手動控制，卻可以收到令人滿意的效果。模糊控制系統(tǒng)一般可分為5個組成部分：（1）模糊控制器：模糊控制系統(tǒng)的核心部分，采用模糊數(shù)學知識表示和進行規(guī)則推理的語言型控制器，實際上是一臺PC機或單片機及其相應軟件9.（2）輸入/輸出接口：模糊控制器通過輸入接口從被控對象獲得數(shù)字信號量，并將模糊控制器決策的數(shù)字信號經(jīng)輸出接口轉(zhuǎn)

17、變?yōu)槟M信號去控制被控對象。（3）執(zhí)行機構：主要包括電動和氣動調(diào)節(jié)裝置，如伺服電動機、氣動調(diào)節(jié)閥等10。（4）被控對象：它可以是一種設備或裝置以及它們的群體，也可以是一個生產(chǎn)的、自然的、社會的、生物的或其它各種狀態(tài)轉(zhuǎn)移過程11。這些被控對象可以是確定的或模糊的、單變量或多變量、有滯后或無滯后、也可以是線性或非線性、定?；驎r變，以及具有干擾和耦合等多種情況.對于那些難以建立精.確數(shù)學模型的復雜對象,更適宜采用模糊控制.（5）變送器:由傳感器和信號調(diào)理電路組成,傳感器是將被控對象或過程的被控制量轉(zhuǎn)換為電信號的裝置，其精度直接影響整個模糊控制系統(tǒng)的精度12。圖1模糊控制系統(tǒng)1。2.6課題研究的主要內(nèi)

18、容一、本文以雙容水箱為研究對象，水箱的液位為被控制量.為了改善調(diào)節(jié)過程的動態(tài)特性,采用串級控制.進行基于PLC的模糊PID水箱液位控制系統(tǒng)的設計。二、論述了PID控制器和模糊控制器的設計和仿真，針對液位控制系統(tǒng)的特點，設計出較好的控制規(guī)則和隸屬度函數(shù),推理出模糊控制查詢表.三、將設計好的模糊控制算法通過MATLAB進行仿真。四、設計好的控制系統(tǒng)，采用SIMATICS7-300PLC組成硬件，采用STEP7編第6頁共37頁中北大學2013屆畢業(yè)設計說明書中北大學2013屆畢業(yè)設計說明書第 頁共37頁第 頁共37頁程實現(xiàn)模糊控制.水箱液位控制模型分析2。1水箱液位串級控制系統(tǒng)設計串級控制系統(tǒng)是采用

19、兩個控制器串聯(lián)工作,包括兩個控制回路,主回路和副回路。副回路由副變量檢測變送、副調(diào)節(jié)器、調(diào)節(jié)閥和副過程構成；主回路由主變量檢測變送、主調(diào)節(jié)器、副調(diào)節(jié)器、調(diào)節(jié)閥、副過程和主過程構成。主調(diào)節(jié)器檢測和控制的變量稱主變量（主被控參數(shù)）,即工藝控制指標；副調(diào)節(jié)器檢測和控制的變量稱副變量（副被控參數(shù)），是為了穩(wěn)定主變量而引入的輔助變量。主控制器的輸出作為副控制器的的設定值,由副控制器的輸出操縱調(diào)節(jié)閥，從而對主控變量具有更好的控制效果.串級控制系統(tǒng)的方框圖如下圖2。1所示.圖2。1串級控制系統(tǒng)方框圖串級控制由于增加了副回路，提高了系統(tǒng)的控制性能,改善了被控過程的動態(tài)特性，增強了系統(tǒng)的抗干擾能力，提高了工作頻

20、率，對干擾具有一定的自適應能力。串級控制系統(tǒng)投運順序是先副環(huán),后主環(huán),要求必須保證無擾動切換，而且應該是無平衡無擾動切換。串級控制系統(tǒng)常用的控制器參數(shù)整定方法有兩種。2.2水箱液位控制系統(tǒng)組成及工作原理雙容水箱數(shù)學模型主體由上、下兩個水箱,蓄水池，連接閥和水泵組成。電動調(diào)節(jié)閥用于調(diào)節(jié)水箱進水量，液位變送器用于檢測水箱液位?？刂破鞯妮敵隽坑糜诳刂普{(diào)節(jié)閥的開度。蓄水池中水由水泵抽出，經(jīng)電動調(diào)節(jié)閥注入上水箱，再由手動調(diào)節(jié)閥1流到下水箱，最后經(jīng)手動調(diào)節(jié)閥2流回蓄水池.以下水箱液位為主調(diào)節(jié)量，上水箱液位為副調(diào)節(jié)量,以裝水的水箱為被控對象，構成串級液位控制系統(tǒng)，其結(jié)構如圖2。2所示。低位水箱的液位傳感器檢

21、測到的液位信號與給定液位值進行比較，然后將結(jié)果送人主調(diào)節(jié)器，主調(diào)節(jié)器經(jīng)模糊PID運算后，建立合適的模糊控制器，如果下水箱液位值小于給定值則加大上水箱出水流量,如果液位值大于等于給定值,則減少上水箱出水流量。其輸出的結(jié)果作為副調(diào)節(jié)器的給定值，再與高位水箱的液位傳感器檢測到的液位信號進行比較并將其結(jié)果送人副調(diào)節(jié)器，經(jīng)PID運算后.選擇合適的PID參數(shù)，其輸出控制電動調(diào)節(jié)閥的開度，如果液位傳感器檢測到的值小于給定值,則電動調(diào)節(jié)閥開大,如果其值等于或大于給定值則關小電動調(diào)節(jié)閥，進而控制進水流量的大小，控制水箱的液位口。圖2。2水箱模型串級控制系統(tǒng)圖2。3水箱數(shù)學模型建立與分析系統(tǒng)建模基本方法有機理法建

22、模和測試法建模兩種，機理法建模主要用于生產(chǎn)過程的機理已經(jīng)被人們充分掌握,并且可以比較確切的加以數(shù)學描述的情況；測試法建模是根據(jù)工業(yè)過程的實際情況對其輸入輸出進行某些數(shù)學處理得到，測試法建模比機理法建模簡單，但對于本設計而言，由于雙容水箱的數(shù)學模型已知,故采用機理法建模。機理法建模就是根據(jù)生產(chǎn)過程中實際發(fā)生的變化機理，寫出各種相關的平衡方程，如物質(zhì)平衡方程、能量平衡方程、動量平衡方程、相平衡方程13，以及反映流體流動、傳熱、化學反應等基本規(guī)律的運動方程、物體參數(shù)方程和某些設備的特性方程，從中獲得所需的被控過程的數(shù)學模型。圖2.3水箱模型簡圖設流入上水箱的水流量為Q1,流入下水箱的水流量為Q2,流

23、出進入蓄水池的水流量為Q3,上水箱的液位高度為hl,下水箱的液位高度為h2兩容器的流出閥均為手動閥門，流量Q1只與容器1的液位hl有關,與容器2的液位h2無關，容器2的液位也不會被容器1影響，在穩(wěn)態(tài)下Qi=Qo,液位h2保持不變。兩個水箱的物料平衡方程有：Q1=k1*x整理可得：T1=A1R1消去hl得到一個二階微分方程：得傳遞函數(shù)：因為輸入量經(jīng)過控制閥以速度v進入水箱，所以系統(tǒng)有純滯后疋，則傳遞函數(shù)為:式中：Al、A2分別為上、下水箱橫截面積；Ah1、Ah2分別為上、下水箱液位微變量；Tl、T2分別為上、下水箱時間常數(shù)；K為靜態(tài)增益。圖2。4為雙容過程的階躍響應曲線。由圖可見,雙容過程的階躍

24、響應曲線從一開始就變化緩慢。這是因為在兩個存儲罐之間存在液體流通阻力，延緩了輸出量的變化.圖2.4雙容過程的階躍響應曲線中北大學2013屆畢業(yè)設計說明書中北大學2013屆畢業(yè)設計說明書PID控制和模糊控制PID控制PID簡述在工程實際中，應用最為廣泛的調(diào)節(jié)器控制規(guī)律為比例、積分、微分控制，簡稱PID控制，又稱PID調(diào)節(jié)。當我們不完全了解一個系統(tǒng)和被控對象，或不能通過有效的測量手段來獲得系統(tǒng)參數(shù)時，最適合用PID控制技術。PID控制，實際中也有PI和PD控制。PID控制器就是根據(jù)系統(tǒng)的誤差，利用比例、積分、微分計算出控制量進行控制的。直到現(xiàn)在為止，PID控制得到極其廣泛的應用，概括起來，該算法具

25、有如下優(yōu)點：原理簡單，使用方便。PID控制是由P、I、D三個環(huán)節(jié)組合而成，其基本組成原理比較簡單，很容易理解它，參數(shù)的物理意義也比較明確。適應性強?？梢詮V泛的應用于化工、熱工、冶金、煉油、造紙、建材等各種生產(chǎn)場合.按PID控制進行工作的自動調(diào)節(jié)器早已商品化，在具體實現(xiàn)上經(jīng)歷了機械式、液動式、氣動式、電子式等發(fā)展階段，但始終沒有脫離PID控制的范疇。即使目前最先進的過程控制系統(tǒng)，其基本控制算法也仍然是PID控制.魯棒性強，即其控制品質(zhì)對被控對象特性的變化不大敏感。大型現(xiàn)代化生產(chǎn)裝置的控制回路可能多達一二百路甚至更多，其中絕大多數(shù)都采用PID控制15。比例控制Kp,比例控制是一種最簡單的控制方式其

26、控制器的輸出與輸入誤差信號成比例關系。比例控制是為了及時成比例地反應控制系統(tǒng)的偏差信號，以最快速度產(chǎn)生控制作用，使偏差向減小的趨勢變化。當系統(tǒng)誤差一旦產(chǎn)生，控制器立即就有控制作用,使被PID控制的對象朝著減小誤差的方向變化。比例系數(shù)Kp的作用在于加快系統(tǒng)的響應速度，提高系統(tǒng)的調(diào)節(jié)精度。Kp越大,系統(tǒng)的響應速度越快,但過大將產(chǎn)生超調(diào)和振蕩甚至導致系統(tǒng)不穩(wěn)定；如果Kp取值過小，則會降低調(diào)節(jié)精度，使響應速度緩慢，從而延長調(diào)節(jié)時間，使系統(tǒng)動、靜態(tài)特性變壞。因此，比例調(diào)節(jié)常與無差的積分調(diào)節(jié)或增加阻尼的微分調(diào)節(jié)共同作用。在積分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號的積分成正比關系能對誤差進行記憶并積分，有利于

27、消除系統(tǒng)靜差。KI為了保證被控量在穩(wěn)態(tài)時設定值的無靜差跟蹤只要存在偏差，則它的控制作用就會不斷增加。只有在偏差e(t)=0時，積分值變成常數(shù)，控制輸出才是一個常數(shù)。因而，積分部分的作用可以消除系統(tǒng)的第11頁共37頁偏差。積分時間常數(shù)對積分部分的作用影響極大當Ti較大時，則積分作用較弱，這時，系統(tǒng)的過渡過程不易產(chǎn)生振蕩，但是消除偏差所需要的時間較長；當Ti較小時，則積分作用較強，這時系統(tǒng)過渡過程中油可能會產(chǎn)生振蕩,但消除偏差所需要的時間較短。對一個自動控制系統(tǒng)，比例+積分(PI)控制器，可以使系統(tǒng)在進入穩(wěn)態(tài)后無穩(wěn)態(tài)誤差16。微分控制Kd，在微分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號的微分(即誤差的變

28、化率)成正比關系。微分控制是為了改善閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和動態(tài)響應的速度。通過對誤差盡心微分，能感覺出誤差的變化趨勢反映偏差信號的變化趨勢(變化規(guī)律)，并能在偏差信號變太大之前，在系統(tǒng)中引入一個有效的早期信號，從而加快系統(tǒng)的動作速度，減少調(diào)節(jié)時間微分部分的作用強弱由微分時間常數(shù)Td決定。Td越大，貝怕的抑制e(t)變化的作用越強；Td越小，則它的反抗e(t)變化的作用越弱。比例+微分(PD)控制器能改善系統(tǒng)在調(diào)節(jié)過程中的動態(tài)特性。它是根據(jù)被控過程的特性確定PID控制器的比例系數(shù)、積分時間和微分時間的大小。PID控制器參數(shù)的工程整定方法，主要有臨界比例法、反應曲線法和衰減法。三種方法各有其特點，其共

29、同點都是通過試驗，然后按照工程經(jīng)驗公式對控制器參數(shù)進行整定。但無論采用哪一種方法所得到的控制器參數(shù)，都需要在實際運行中進行最后調(diào)整與完善?，F(xiàn)在一般采用的是臨界比例法。利用該方法進行PID控制器的參數(shù)整定步驟如下:首先預選擇一個足夠短的采樣周期讓系統(tǒng)工作；僅加入比例控制環(huán)節(jié)，直到系統(tǒng)對輸入的階躍響應出現(xiàn)臨界振蕩，記下這時的比例放大系數(shù)和臨界振蕩周期；在一定的控制度下通過公式計算得到PID控制器的參數(shù)。3。1.2PID控制算法隨著計算機技術的迅猛發(fā)展，由計算機實現(xiàn)的數(shù)字PID控制器正在逐步取代模擬PID控制器。數(shù)字PID位置型控制算法是為了用數(shù)字形式的差分方程代替連續(xù)系統(tǒng)的微分方程，便于計算機實現(xiàn)

30、，為此將積分式和微分式近似用求和及增量式表示：(32)(33)第12頁共37頁中北大學2013屆畢業(yè)設計說明書中北大學2013屆畢業(yè)設計說明書中北大學2013屆畢業(yè)設計說明書第 頁共37頁第 頁共37頁第 頁共37頁得到數(shù)字的PID表達式(3-4)式中,=T為采樣周期,必須使T足夠小，才能保證系統(tǒng)有一定的精度;E(k)為第k次采樣時的偏差值；E(k1)為第k1次采樣時的偏差值；k為采樣序號,k=0,1,2,；P(k)為第k次采樣時調(diào)節(jié)器的輸出。由于式(3-4)的輸出值與閥門開度的位置一一對應，因此，通常把式(3-4)稱為位置型PID算式。由式(34)可以看出，要先計算P(k),不僅需要本次與上

31、次的偏差信號E(k)和E(k-1),而且還要在積分項中把歷次的偏差信號E(j)進行相加。這樣，不僅計算繁瑣,而且為了保存E(j)還要占用很多內(nèi)存。因此用式(34)直接進行控制很不方便.為此,做如下改動16。根據(jù)遞推原理，可寫出第k1次的PID輸出表達式(3-5)用(34)減去(35)可得(3-6)式中,為積分系數(shù)；為微分系數(shù)。由(3-6)可知，要計算第k次輸出值P(k),只需要知道P(k1)，E(k)，E(k1)，E(k-2)即可，比用式(3-4)計算要簡單的多。在很多控制系統(tǒng)中,由于執(zhí)行機構是采用步進電機或多圈電位器盡心控制的，所以，只要給一個增量信號即可。因此,由式(34)和(35)相減得

32、到P(k)=P(k)P(k1)=KpE(k)E(k-1)+KIE(k)+KDE(k)2E(k1)+E(k2)(37)3。2模糊控制所謂模糊控制,就是在控制方法上應用模糊集理論、模糊語言變量及模糊邏輯推理的知識來模擬人的模糊思維方法，用計算機實現(xiàn)與操作者相同的控制。該理論以模糊集合、模糊語言變量和模糊邏輯為基礎，用比較簡單的數(shù)學形式直接將人的判斷、思維過程表達出來,從而逐漸得到了廣泛應用。應用領域包括圖像識別、自動機理論、語言研究、控制論以及信號處理等方面。在自動控制領域，以模糊集理論為基礎發(fā)展起來的模糊控制為將人的控制經(jīng)驗及推理過程納入自動控制提供了一條便捷途徑。模糊控制的特點是：模糊控制不需

33、要被控對象的數(shù)學模型.模糊控制是以人對被控對象的控制經(jīng)驗為依據(jù)而設計的控制器，故無需知道被控對象的數(shù)學模型。模糊控制是一種反映人類智慧的智能控制方法。模糊控制采用人類思維中的模糊量,如“高、“中”、“低”、“大”、“小”等,控制量由模糊推理導出.這些模糊量和模糊推理是人類智能活動的體現(xiàn)。模糊控制易于被人們接受.模糊控制的核心是控制規(guī)則,模糊規(guī)則是用語言來表示的。構造容易。模糊控制規(guī)則易于軟件實現(xiàn)。魯棒性和適應性好。通過專家經(jīng)驗設計的模糊規(guī)則可以對復雜的對象進行有效地控制17。3。2。1模糊控制器的基本結(jié)構如圖3。2所示，模糊控制器的基本結(jié)構包括知識庫、模糊推理、輸入量模糊化、輸出量精確化四部分

34、。圖3.1模糊控制器的基本組成框圖(1)知識庫知識庫通常由數(shù)據(jù)庫和模糊控制規(guī)則庫組成、包含了具體應用領域的知識和要求。其中，數(shù)據(jù)庫主要包含輸入輸出變量的尺度變換因子、輸入輸出空間的模糊分割數(shù)以及各模糊變量的模糊取值及相應的隸屬函數(shù)選擇和形狀等方面的內(nèi)容。規(guī)則庫包括了用模糊語言表示的一系列控制規(guī)則，他們反映了控制專家的經(jīng)驗和知識18。表3-1模糊控制規(guī)則表ECNBNMNSZOPSPMPBNBNMPBPBPMZONSPMPMZONSZOPMPSZONSNMPSPSZONMNMPMPBZONMNBNB其中PB（正大）、PM（正中）、PS（正?。?、Z0（零）、NS（負小）、NM（負中）、NB（負大）。

35、（2、模糊化人的感受可以是模糊的，但是，在計算機控制系統(tǒng)中,通過傳感器得到的檢測信號都是精確量,否則計算機無法識別,也無法輸入到計算機中去.但是,模糊控制規(guī)則需要的輸入量卻是模糊量，所以，為了實現(xiàn)模糊控制，必須對精確地輸入量進行模糊化處理。將精確量轉(zhuǎn)化為模糊量的過程就稱為模糊化或模糊量化。模糊控制器有設計和應用階段，模糊化模塊在不同階段有不同作用。首先在設計階段需要進行以下工作19。確定符合模糊控制器要求的輸入量和輸出量。對輸入輸出變量進行尺度變換，使之落入各自的論域范圍內(nèi)。對已經(jīng)論域變換的輸入量進行模糊化處理，包括模糊分割和隸屬函數(shù)的確定.設計好的模糊控制器投入應用后，由于相應的輸入變量模糊

36、分割和各個模糊集合隸屬函數(shù)均已確定，于是，模糊化模塊所起的作用就是根據(jù)具體情況將某一個確認值轉(zhuǎn)化為一個模糊量，用于確定該模糊量對于某一個或幾個模糊集合的匹配程度,為以后的推理做準備。常用的模糊化方法有模糊單點三角形鐘形模糊集合等三種，對于計算能力有限或控制精度要求不高的場合,往往采用離散的輸入論域和相應的隸屬度分布20。（3）精確化推理得到的模糊子集要轉(zhuǎn)換為精確值，以得到最終控制量輸出y。目前常用兩種精確化方法：（1、最大隸屬度法.在推理得到的模糊子集中，選取隸屬度最大的標準論域元素的平均值作為精確化結(jié)果。（2、重心法。將推理得到的模糊子集的隸屬函數(shù)與橫坐標所圍面積的重心所對應的標準論域元素作

37、為精確化結(jié)果。在得到推理結(jié)果精確值之后,還應按對應關系，得到最終控制量輸出y。3。2.2模糊集合利用經(jīng)典集合理論，論域內(nèi)源睡在特定集合中只有“屬于”或“不屬于兩種情況,只能描述非此即彼、界限明確的事物。而模糊集合論域中的元素的定義是漸變的，是用來描述“亦此亦彼的概念或集合邊界不清的事物的有效工具，模糊集合論用從0到1之間連續(xù)變化的函數(shù)描述不確定和模糊的事物。模糊集合常用、等符號表示21.設U是變量u的論域，u也代表論域U上的一個元素。變量u可以是連續(xù)的，也可以是離散的。所謂給定了論域U上的一個模糊集是指：對任何uU,都指定了一個數(shù)與之對應，它叫做u對的隸屬度。這意味著構造了一個映射：這個映射稱

38、為的隸屬度函數(shù)。特別的，當只有兩個取值0或者1時，模糊集就蛻化成一個經(jīng)典集合，因此模糊集合可以看作是經(jīng)典集合的擴展。在論域u中得模糊集合可以表示為元素與元素隸屬度的一個有序元素組。模糊集合的常用表示方法有2種：(1)扎德表示法在論域U中，當模糊集合有一個有限的支撐集xl,x2,，xn時,可表示為注：式中的“+”不表示“求和”，而是表示模糊集合中各個元素的聚集。式中的“-”不表示“求商”，而是表示U中元素xi與其隸屬度A(xi)之間的對應關系，稱為單點。當模糊集合包含無限多個元素時,可表示為注“式中不表示積分或求和,而代表無限多個元素與其相應隸屬度對應關示為向量形式由于向量中各分量的序號與論域U

39、中元素的序號相對應，因此，隸屬度為0的項必須用0代替而不能舍棄22。(2)隸屬度函數(shù)的表示法隸屬度函數(shù)也可以利用數(shù)學解析表達式來表示.模糊集合的基本運算常用的有如下幾種：空集模糊集合A的空集為普通集，它的隸屬度為0,即全集中北大學2013屆畢業(yè)設計說明書中北大學2013屆畢業(yè)設計說明書模糊集合A的全集E為普通集,它的隸屬度為1，即等集兩個模糊集A和B,若對所有元素u,它們的隸屬函數(shù)相等，則A和B也相等，即補集若為A的補集，則子集若B為A的子集,則并集若C為A和B的并集，則一般地,有交集若C為A和B的交集，則一般地，有3。2。3隸屬度函數(shù)及其確定（1）隸屬度函數(shù)模糊集合通過隸屬度函數(shù)將其中的元素

40、映射到0,1，隸屬度函數(shù)取值范圍從0，1集合擴大到0，1區(qū)間，與連續(xù)值邏輯相對應。隸屬度函數(shù)的概念可以很好地描述客觀事物差異的中間漸變過渡的模糊性。隸屬度函數(shù)的曲線的一般形式如圖3。3所示。圖3。2隸屬度函數(shù)的一般形式隸屬函數(shù)有如下兩個特點.（1）隸屬函數(shù)的值域為0,1，它將普通集合只能取0、1兩個值，推廣到0,1閉區(qū)間上連續(xù)取值，隸屬函數(shù)的值越接近1，表示元素x屬于模糊集合A的程度越大。反之，越接近于0，表示元素x屬于模糊集合A的程度越小。（2）隸屬函數(shù)完全刻畫了模糊集合，隸屬函數(shù)是模糊數(shù)學的基本概念，不同的隸屬函數(shù)所描述的迷糊集合也不同23。隸屬度函數(shù)選擇基本準則對于一個特定的模糊集，隸屬

41、度函數(shù)體現(xiàn)了其模糊性.因此，如何確定隸屬度函數(shù)是一個關鍵問題.由于模糊集理論研究的對象具有“模糊性和經(jīng)驗性，因此找第17頁共37頁到一種統(tǒng)一的隸屬度計算方法是不現(xiàn)實的。盡管確定隸屬度函數(shù)的方法帶有主觀因素，但隸屬度函數(shù)的選擇也必須遵循一些基本規(guī)則。表示隸屬度函數(shù)的模糊集合必須是凸模糊集合。凸模糊集是這樣的集合:隨著元素值的增加，隸屬度函數(shù)的值也隨之嚴格增加；隨著元素值的減少，隸屬度函數(shù)的值也隨之嚴格減少。變量所取隸屬度函數(shù)通常是對稱的、平衡的。模糊變量的標志值一般選擇在39個為宜,并且通常為奇數(shù)個.隸屬度函數(shù)要符合人們的語義順序,避免不恰當?shù)闹丿B。論域中每個點至少屬于一個隸屬度函數(shù)的區(qū)域，并應

42、屬于不超過兩個隸屬度函數(shù)的區(qū)域。當兩個隸屬度函數(shù)重疊時，重疊部分對兩個隸屬度函數(shù)的最大隸屬度不應有交叉26。當兩個隸屬度函數(shù)重疊時，重疊部分的任何點的隸屬度函數(shù)的和應該小于或等于1。（2）隸屬度函數(shù)的確定目前尚無確定模糊集合隸屬度函數(shù)的一般性方法，需要靠經(jīng)驗確定，并通過實驗進行修正。目前應用較多的方法如下。模糊統(tǒng)計法，根據(jù)所提出的模糊概念對許多人進行調(diào)查統(tǒng)計，提出與之對應的模糊集合A,通過統(tǒng)計試驗，確定不同元素隸屬度屬于某個模糊集合的程度。假如進行過N次統(tǒng)計性試驗，認為屬于F集合A的次數(shù)為n,則把n與N的比值視為對A的隸屬度，記為A（），即：A（）=二元對比排序法在論域里的多個元素中,人們通過

43、把他們兩兩對比，確定其在某種特性下的順序，據(jù)此決定出他們對該特性的隸屬度函數(shù)大體形狀，再將其納入與該圖形近似的常用數(shù)學函數(shù)。專家經(jīng)驗法根據(jù)專家和操作人員的實際經(jīng)驗和主觀感知,通過分析、演繹和推理，直接給出元素屬于某個F集合的隸屬度。神經(jīng)網(wǎng)絡法利用神經(jīng)網(wǎng)絡的學習功能，把大量測試數(shù)據(jù)輸入某個神經(jīng)網(wǎng)絡器，自動生成一第18頁共37頁中北大學2013屆畢業(yè)設計說明書中北大學2013屆畢業(yè)設計說明書中北大學2013屆畢業(yè)設計說明書第 頁共37頁第 頁共37頁第 頁共37頁個隸屬度函數(shù)，然后再通過網(wǎng)絡的學習、檢驗，自動調(diào)整隸屬度函數(shù)的某些參數(shù)，最后確定下來27。3.2。4模糊推理在模糊控制中，最常用的表達知

44、識的語句形式是模糊語句。模糊語句包括模糊直言語句和模糊條件語句，即判斷句和推理句.最基本的模糊推理形式為:前提1IFATHENB前提2IFA，結(jié)論THENB，其中,A、A，為論域U上的模糊子集，B、B，為論域V上的模糊子集前提1稱為模糊蘊涵關系，記為AB。模糊推理的最終目標是為不精確的推理提供理論基礎。人們根據(jù)“如果X小，則Y就大”這樣的精確推理的前提，欲解決“如果X很小，則Y將怎樣的問題，自然利用”如果X很小，則Y就很大”這種推理方法就被稱為模糊似然推理，是一種近似推理方法近似推理理論是經(jīng)典推理理論的推廣28。3.2。5液位模糊控制器的設計綜合前面對模糊控制器工作原理的分析，模糊控制器的工作

45、原理可以概括如下：首先將模糊控制器的輸入量轉(zhuǎn)化為模糊量供模糊決策系統(tǒng)使用，模糊決策系統(tǒng)根據(jù)控制規(guī)則確定的模糊關系，應用推理算法得出控制器的模糊輸出控制量。最后經(jīng)過模糊化計算得到精確的控制值來控制被控對象。建立雙容水箱的模糊控制器模型如圖3。3所示.圖3。3雙容水箱的模糊PID控制器模型其中，SP是液位設定值，H1是液位測量值,e=SPH1是液位變化，為液位變化率，u為控制量,Ke為偏差量化因子，Kec為偏差變化率量化因子，Ku為清晰化因子。模糊控制器的輸入為誤差e和誤差變化率ec，誤差為e=SpH1,誤差變化率,其中H1和Sp分別為液位的給定值和測量值.把誤差和誤差變化率的精確值進行模糊化變成

46、模糊量E和EC，從而得到誤差E和誤差變化率EC的模糊語言集合，然后由E和EC模糊語言的子集和模糊控制規(guī)則R,根據(jù)合成推理規(guī)則進行模糊決策，這樣就可以得到模糊控制向量U，最后再把模糊轉(zhuǎn)換為精確量u,再經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換為模擬量去控制執(zhí)行機構動作29.1）確定輸入輸出變量和模糊分割選擇誤差e和液位變化率ec作為模糊控制器的輸入量,控制量u作為輸出變量，它們的論域分別為E、C、U,表示如下：E=6，-5，-4，-3，-2，-1，0,+1,+2，+3，+4,+5,+6C=6,5,-4,3,2,-1,0,+1,+2,+3,+4,+5,+6U二-6,5,4,3,2,1,0,+1,+2,+3,+4,+5,+6各論

47、域上的模糊子集是F（E）=NB,NM,NS,ZO,PS,PM,PBF（C）=NB,NM,NS,ZO,PS,PM,PBF（U）=NB,NM,NS,ZO,PS,PM,PB2）隸屬度函數(shù)的確定及模糊化液位偏差、調(diào)節(jié)閥開度的模糊語言變量均為NB,NM,NS,Z0,PS,PM,PB,NB表示負大，NS表示負小，ZO表示0,PS表示正小，PB表示正大。選擇隸屬度函數(shù)要求對控制器的控制性能影響越小越好,所以,采用容易處理的三角函數(shù)作為隸屬度函數(shù).三角函數(shù)形狀簡單,計算工作量小,當輸入值變化時,其具有更大的靈敏度。當存在較小的偏差時,就能迅速的產(chǎn)生相應的控制信號。三角形隸屬度函數(shù)的一般形式如圖3.4所示。圖3

48、。4三角形隸屬度函數(shù)根據(jù)三角隸屬函數(shù)確定誤差E、誤差的變化Ec以及控制量U的各模糊子集賦值表如下表32所示。表32數(shù)值法描述的隸屬度隸屬度e、ec、u的論域543-2101234566模NB10。750.50。25000000000糊NM00。510.750.50。250000000集NS00.250。50.7510。750.50。2500000合ZE00000.250.7510。750。250000PS000000。250。50。7510。750。5(1250PM00000000.250.50.7510.50PB0000000000.250.50.53）建立模糊控制規(guī)則庫基于IFTHEN的產(chǎn)

49、生式規(guī)則結(jié)構簡單，易于修改，易于掌握,是目前控制規(guī)則主要的表示方法。其中，“IF為控制量的要求，“THEN”為控制執(zhí)行量。模糊控制規(guī)則應遵循原則：當誤差大或較大時，模糊控制量的選擇以消除誤差為主;當誤差較小，而誤差變化率較大時，模糊控制量的選擇以系統(tǒng)的穩(wěn)定為主，防止系統(tǒng)超調(diào)。根據(jù)專家經(jīng)驗和實際操作經(jīng)驗得出PID三個參數(shù)的模糊控制查詢表如下表33參數(shù)的模糊控制規(guī)則表NBNMNSZOPSPMPBNBPBPBPMPMPSZOZONMPBPBPMPSPSZONSNSPMPMPMPSZONSNSZOPMPMPSZONSNMNMPSPSPSZONSNSNMNMPMPSZONSNMNMNMNBPBZOZON

50、MNMNMNBNB表3-4參數(shù)的模糊控制規(guī)則表NBNMNSZOPSPMPBNBNBNBNMNMNSZOZONMNBNBNMNSNSZONSNSNBNMNSNSZOPSPSZONMNMNSZOPSPMPMPSNMNSZOPSPSPMPBPMZOZOPSPSPMPBPBPBZOZOPSPMPMPBPB表35參數(shù)的模糊控制規(guī)則表NBNMNSZOPSPMPBNBPSNSNBNBNBNMPSNMPSNSNBNMNMNSZONSZONSNMNMNSNSZOZOZONSNSNSNSNSZOPSZOZOZOZOZOZOZOPMPBNSPSPSPSPSPBPBPBPMPMPMPSPSPB4）建立模糊控制表模糊控

51、制規(guī)則包括49條條件語句，既有49個模糊關系與之想對應，他們彼此是或的關系。模糊關系計算如下：R1=(NB)EX(NB)ECX(PB)UR2=(NB)EX(NM)ECX(PB)UR3=(NB)EX(NS)ECX(PB)UR4=(NB)EX(ZO)ECX(PB)UR5=(NB)EX(PS)ECX(PB)UR6=(NB)EX(PM)ECX(PB)UR7=(NB)EX(PM)ECX(PB)U這樣可得到49個模糊關系R1R49,通過49個模糊關系的并運算,可以得到控制液位的總的模糊關系R。表3-6模糊控制總表e6-54-3210+1+2+3+4+5+6uc-6767677744200056666666

52、4420004767677744200036666666320-11-12444544410-1-11-1-1444544100-2-22-2-04442110-1-1-2-44-4+04442110112-4-44+12222001-4-45444+211110-1-444-544-4+31110-2-3-6-6666-6-6+400024-47-77-6767+5000-24-46-66666-6+6000244-77-7-67-67中北大學2013屆畢業(yè)設計說明書中北大學2013屆畢業(yè)設計說明書中北大學2013屆畢業(yè)設計說明書第 #頁共37頁第 頁共37頁第 頁共37頁4模糊PID的MA

53、TLAB仿真4.1用MATLAB模糊邏輯工具箱設計模糊控制器隸屬度函數(shù)的建立在MATLAB軟件中鍵入“FUZZY”命令，進入模糊邏輯編輯窗口“FISEditor”.建立一個兩輸入三輸出的模糊控制器，其中輸入為E、EC，輸出為Kp、Ki、Kd。輸入輸出的的三角形隸屬度函數(shù)如圖4。1所示。圖4。1三角形隸屬度函數(shù)模糊控制規(guī)則及決策方法控制規(guī)則是對專家理論知識和實踐經(jīng)驗的總結(jié)，如果取E、EC、Kp、Ti、Td的模糊子集均為NB,PB，則其模糊控制規(guī)則共有49條。在MATLAB軟件的“RulesEditOr口中輸入其49條規(guī)則，如圖所示。根據(jù)以上規(guī)則和方法,設計出模糊控制器的輸出與輸入的關系圖，如圖4

54、。2所示。圖4。2模糊控制規(guī)則表圖4.3模糊規(guī)則觀察器4.2SIMULINK仿真模擬控制系統(tǒng)采用的被控對象為雙容水箱，設其數(shù)學模型為圖4。4模糊PID控制系統(tǒng)仿真模型圖4.5模糊PID控制系統(tǒng)輸出圖形模糊PID控制具有超調(diào)量小、響應時間短、抗干擾能力強等優(yōu)點。5系統(tǒng)硬件設計5。1西門子S7-300PLCS7300是模塊式的中小型PLC,主要由機架、CPU模塊、信號模塊、功能模塊、接口模塊、通信處理器、電源模塊和編程設備組成。S7-300的CPU模塊都有一個編程用的RS485接口，使用西門子的多點接口（MPI）通信協(xié)議，可以建立一個多點接口網(wǎng)絡或DP網(wǎng)絡。CPU采用智能化的診斷系統(tǒng)連續(xù)監(jiān)控系統(tǒng)的

55、功能是否正常并記錄錯誤和特殊系統(tǒng)事件.S7-300中還有看門狗中斷、過程報警、日期時間中斷和定時中斷等功能.S7300PLC采用模塊化結(jié)構，但是各模塊間的連接總線獨立提供，連接總線直接布置于各模塊底部，因此可以直接在標準導軌上安裝。其具體構成如圖5。1所示31.圖5。1S7300系統(tǒng)組成框圖其中各模塊功能如下：導軌：是S7-300的機架電源（PS）:將電網(wǎng)電壓變換為S7300工作所需的直流電壓中央處理單元（CPU）：執(zhí)行用戶程序接口模塊（IM）:連接兩個機架的總線信號模塊（SM）:將不同的過程信號與S7300相匹配功能模塊（FM）：完成定位、閉環(huán)控制等功能通信處理器（CP）:連接可編程控制器2

56、05。2液位控制系統(tǒng)組成圖5。2控制系統(tǒng)硬件連接圖作為系統(tǒng)的核心操作，負責編程軟件和組態(tài)監(jiān)控軟件的使用。本系統(tǒng)采用西門子S7300PLC.選擇帶有DP端口的CPU314-2DP，配置一塊數(shù)字量輸入模塊32DI、一塊數(shù)字量輸出模塊32D0、一塊數(shù)字量輸入/輸出混合模塊8DI/8DO。表51PLC輸入輸出地址分配輸入地址輸出地址中北大學2013屆畢業(yè)設計說明書中北大學2013屆畢業(yè)設計說明書第 頁共37頁第 #頁共37頁手動控制按鈕I0.0上限報警燈Q1。0測試按鈕I0.1下限報警燈Q1。1消除按鈕10。2報警電鈴Q1.2液位信號PIW752正常工作燈Q1.3電磁閥控制信號QW752液位變送器電纜

57、式靜壓投入式液位計010米液位變送器(液位計)壓力敏感核心采用了高性能的硅壓阻式壓力充油芯體，內(nèi)部的專用集成電路將傳感器毫伏信號轉(zhuǎn)換成標準遠距離的傳輸電流信號，可以直接與計算機接口卡、控制儀表、智能儀表或PLC等方便相連該系列產(chǎn)品廣泛應用于工業(yè)過程控制、石油、化工、冶金等行業(yè)。1、主要技術參數(shù)(1)工作溫度：0C70C；變送器的準確度等級分為：0。1級，基本誤差為土0。1；0.3級，基本誤差為0.3；0.5級，基本誤差為0。5(基本誤差以量程的百分數(shù)表示)。熱零點漂移在環(huán)境溫度偏離參比工作條件溫度時,變送器的零點漂移應不大于0.03FS/C。熱靈敏度漂移在環(huán)境溫度偏離參比工作條件溫度時，變送器

58、的滿量程漂移應不大于0。03FS/C.絕緣電阻在參比工作條件下，變送器各端子對地之間的絕緣電阻不得低于20MQ/250V。(2)電動調(diào)節(jié)閥QSVP系列智能電動單座調(diào)節(jié)閥是QS智能電動調(diào)節(jié)閥系列產(chǎn)品之一，它由PsL智能型電動執(zhí)行器與優(yōu)質(zhì)的國產(chǎn)閥門相組合構成，是種高性能的調(diào)節(jié)閥，適用于各種不同壓力和溫度的流體和對泄漏要求高的場合?？蓮V泛應用于電力、冶金、石油、化工、醫(yī)藥、鍋爐、輕工等行業(yè)的自動控制系統(tǒng)中。電動執(zhí)行機構接受420mA控制信號，改變閥門的開度，同時將閥門開度的隔離信號反饋給控制系統(tǒng)，實現(xiàn)對壓力、溫度、流量、液位等參數(shù)的調(diào)節(jié)33。主要特點配用PsL智能型直行程電動執(zhí)行器，體積小、規(guī)格全、

59、重量輕、推力大、操作方便，無調(diào)整電位器,可靠性高、噪聲小。PSL電動執(zhí)行器采用一體化結(jié)構設計，具有自診斷功能，使用和調(diào)校十分方便。有數(shù)字顯示窗口，可看到控制信號值、閥位值。PSL智能型電動執(zhí)行機構功能：帶斷控制信號故障判斷、報警及保護功能。即斷信號時可使執(zhí)行機構或開，或關，或保持，或在0100%之間予置的任意位置。閥門流體通道成S型，壓降損失小，流量大，流量特性精度高,可調(diào)范圍廣.中北大學2013屆畢業(yè)設計說明書中北大學2013屆畢業(yè)設計說明書6PLC編程實現(xiàn)6。1西門子S7300編程基礎S7系列PLC的CPU中運行著兩種程序：操作系統(tǒng)程序和用戶程序.操作系統(tǒng)用來實現(xiàn)與特定的控制任務無關的功能

60、，包括處理PLC的啟動、刷新輸入，輸出過程映像表、調(diào)用用戶程序、處理中斷和錯誤、管理存儲區(qū)和處理通信等。用戶程序由用戶在STEP7中生成，然后將它下載到CPU。用戶程序包含處理用戶特定的自動化任務所需要的所有功能，一般包括CPU啟動時的初始化工作、處理過程數(shù)據(jù)、對中斷的響應和對異常和錯誤的處理等。STEP7采用結(jié)構化編程方法，它將用戶編寫的程序和程序所需的數(shù)據(jù)放置在“塊”中，使單個的程序部件標準化。通過在塊內(nèi)或塊之間類似子程序的調(diào)用，使用戶程序結(jié)構化，這樣可以簡化程序組織，使程序易于修改、查錯和調(diào)試塊結(jié)構顯著地增加了PLC程序的組織透明性、可理解性和易維護性,STEP7中主要有以下幾種類型的塊