基于plc的冷庫控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1緒論 11.1冷庫系統(tǒng)研究背景 11.2國內(nèi)外冷庫發(fā)展現(xiàn)狀 31.3PLC在冷庫中的應(yīng)用簡介 41.4本論文做的主要工作 62冷庫系統(tǒng)概述 72.1冷庫的組成 7 72.1.2制冷壓縮機(jī)房和設(shè)備間 82.1.3其他設(shè)施 92.2冷庫控制系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu) 92.2.1系統(tǒng)框架 2.2.2溫度控制流程 2.3冷庫系統(tǒng)配件的選取 2.3.1壓縮機(jī)組的選取 2.3.2變頻器的選取 2.3.3A/D、D/A轉(zhuǎn)換器的選取 2.3.4傳感器的選取 2.4冷庫的監(jiān)控系統(tǒng) 2.4.1RS-485總線 2.4.2CPU315-2DP主從站 2.4.3人機(jī)界面 3.1PID控制器概述 3.1.1PID控制器的原理 3.1.2PID控制器的數(shù)字算法 213.1.3PID控制器的參數(shù)整定 223.2模糊控制器概述 223.2.1模糊化 233.2.2模糊推理 253.2.3反模糊化 26 264冷庫控制電路設(shè)計(jì) 4.1電路控制要求 31結(jié)論 參考文獻(xiàn) 附錄 1.1冷庫系統(tǒng)研究背景管理的各種因素，每年約有3000萬噸水果、蔬菜、乳制品和其他易腐食品有待圖1-1冷庫的冷庫房外觀圖保證庫溫穩(wěn)定，避免不必要的低溫，并可使食品在貯藏期間質(zhì)量穩(wěn)定，減緩食品表面水分的蒸發(fā)。此外，采用自動控制還可以使冷庫制冷系統(tǒng)運(yùn)行中的溫度、壓力、液位等狀態(tài)參數(shù)保持在要求的范圍內(nèi)，保證系統(tǒng)安全高效運(yùn)行。據(jù)統(tǒng)計(jì)，冷庫制冷系統(tǒng)采用自動控制比手動控制可節(jié)能10%～15%。近年來，隨著計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的不斷發(fā)展，計(jì)算機(jī)越來越廣泛地被應(yīng)用到工業(yè)領(lǐng)域中,冷庫系統(tǒng)也不例外。目前,越來越多的冷庫系統(tǒng)采用計(jì)算機(jī)進(jìn)行檢測、實(shí)施控制與管理，使產(chǎn)品的自動化提高了一個新的水平。典型的微機(jī)過程控制系統(tǒng)如圖1-2所示。圖1-2中，該系統(tǒng)以微型計(jì)算機(jī)作為控制器，由A/D和D/A轉(zhuǎn)換器、計(jì)算機(jī)、執(zhí)行器和被控對象組成。A/D轉(zhuǎn)換器將物理信號轉(zhuǎn)換成計(jì)算機(jī)能夠識別的數(shù)字信號，經(jīng)計(jì)算機(jī)分析計(jì)算出調(diào)節(jié)量，D/A轉(zhuǎn)換器將計(jì)算機(jī)輸出的數(shù)字量轉(zhuǎn)換成模擬量，控制執(zhí)行器的調(diào)節(jié)工作。整個系統(tǒng)控制規(guī)律的實(shí)現(xiàn)是通過軟件來完成的，改變控制規(guī)律只需要通過改變相應(yīng)的程序即可。微型計(jì)算機(jī)冷庫系統(tǒng)給定值給定值控制器D/A變送器|被控對象執(zhí)行器A/D偏差圖1-2微機(jī)過程控制系統(tǒng)許多PLC配備有模糊控制軟件程序，使用起來很方便。因此，PLC控制應(yīng)用到冷1.2國內(nèi)外冷庫發(fā)展現(xiàn)狀發(fā)展情況對比如表1-1所示。目前國內(nèi)冷庫較多，但冷庫的壓縮機(jī)控制大多仍采表1-1國內(nèi)外冷藏鏈的發(fā)展?fàn)顩r內(nèi)容國外國內(nèi)原因分析預(yù)冷保鮮率美國和歐洲80%~30%左右沒有有效地冷藏技術(shù)冷凍冷藏能力世界總量為8000萬噸800萬噸冷藏業(yè)發(fā)展無序冷藏鏈管理高效復(fù)雜沒有真正建立冷藏鏈管理體系管理管理監(jiān)控層控制層設(shè)備層即要獨(dú)立運(yùn)行調(diào)節(jié)控溫又需協(xié)調(diào)聯(lián)網(wǎng)及監(jiān)控管理。由上位計(jì)算機(jī)、PLC、現(xiàn)場測控元件組成多級、開放、模塊化、可擴(kuò)展的高性價比冷庫全自動控制解決方案，確保制冷控制系統(tǒng)安全、可靠、高效、穩(wěn)定、節(jié)能運(yùn)行，改善工人勞動條件，提升電控配套設(shè)備制造檔次。PLC控制系統(tǒng)如圖1-3所示。網(wǎng)橋或因特網(wǎng)冷藏間1冷藏間n貯氨器臥式桶泵機(jī)組達(dá)256螺桿壓螺桿壓自動型空圖1-3PLC控制系統(tǒng)圖為了使冷庫機(jī)組安全可靠地運(yùn)行，PLC控制系統(tǒng)充分利用了自身的優(yōu)勢，加制系統(tǒng)還可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)測功能，它具有RS-485等通訊接口，可以實(shí)現(xiàn)與其他1.4本論文做的主要工作間和儲冰間。高溫冷庫的控制溫度范圍是-5～5℃,適合果品蔬菜類保鮮。為了簡化說明本系統(tǒng)，本論文以控制室溫為0～1℃,相對濕度為85%~95%的冷卻物冷藏間為研究對象，主要用于儲藏經(jīng)過冷卻的果蔬。本文提出了模糊PID參數(shù)自整定控制。在模糊控制部分，本系統(tǒng)充分利用了2.1冷庫的組成500m3),中型冷庫(500～1000m3)和大型冷庫(>1000m3)。一般的冷2.1.1主庫前，為防止某些生理病害，應(yīng)及時逐步降溫冷卻。鮮蛋在冷藏前也應(yīng)進(jìn)行冷卻，進(jìn)入蛋內(nèi)而使鮮蛋變壞。此外牲畜屠宰后也可加工為冷卻肉(中心溫度0～4℃)的家畜胴體送入冷卻間冷卻，使食品溫度由35℃降至4℃,再進(jìn)行凍結(jié)。冷卻間的室溫為0～-2℃,達(dá)到冷卻要求溫度的食品稱為“冷卻物”,可轉(zhuǎn)入冷卻物冷藏問。當(dāng)果蔬、鮮蛋的一次進(jìn)貨量小于冷藏間容量的5%時，也可不經(jīng)冷卻直凍結(jié)間對于需長期儲藏的食品需要將其由常溫或冷卻狀態(tài)迅速降至-15~專用凍結(jié)裝置用以凍結(jié)食品的冷間，它的室溫為-23～-30℃(國外有采用-40再凍間：再凍間設(shè)于分配性冷庫中，供外地調(diào)入凍結(jié)食品中溫度超過-8℃冷卻物冷藏間：冷卻物冷藏間又稱高溫冷藏間，室溫為4～-2℃,相對濕度為85%～95%,因儲藏食品的不同而異。它主要用于儲藏經(jīng)過冷卻的鮮蛋、要引進(jìn)適量的新鮮空氣。如儲藏冷卻肉，儲藏時間不宜超過15天。凍結(jié)物冷藏間：凍結(jié)物冷藏間又稱低溫冷藏間，室溫在-18～-25℃,相對濕度95%～98%,用于較長凍結(jié)期的儲藏凍結(jié)食品。在國外有的凍結(jié)物冷藏間溫度有降至-28～-30℃的趨勢，日本對凍金槍魚還采用了-45～-50℃所謂的辦法來延長果蔬的儲藏期。目前國內(nèi)外正在發(fā)展控制氣體成分的儲藏，簡稱“CA”儲藏，即在果蔬儲藏環(huán)境中適當(dāng)降低氧的含量和提高二氧化碳的濃度，來控制如下：氧氣為2%～5%;二氧化碳為0%～4%。庫外常溫穿堂,將穿堂布置在常溫環(huán)境中,通風(fēng)條件好,改善了工人的操作條件2.1.2制冷壓縮機(jī)房和設(shè)備間變、配電間包括變壓器間、高壓配電間、低壓配電間(大型冷庫還設(shè)有電容多設(shè)在機(jī)房間的一端。變壓器間也可單獨(dú)建筑，高度不得小于5m,要求通風(fēng)條2.1.3其他設(shè)施冷庫的呼叫系統(tǒng)是為了防止人員被誤關(guān)在冷間內(nèi)而設(shè)置的,其控制原理包括工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)制性條文的房屋建筑部分規(guī)定電梯電源應(yīng)專用,機(jī)房照明電2.2冷庫控制系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)本論文以控制室溫為0～1℃,相對濕度為85%～95%的冷卻物冷藏間為2.2.1系統(tǒng)框架如圖2-1所示，該冷卻物冷藏間系統(tǒng)由兩個子系統(tǒng)組成，即模糊溫度控制系統(tǒng)和電路控制系統(tǒng)組成。其中模糊溫度控制系統(tǒng)主要由模糊參數(shù)自整定PID控制器組成。模糊參數(shù)自整定PID控制器和電路控制系統(tǒng)都是通過PLC來模糊參數(shù)自整定PID控制器，簡稱模糊PID控制器，由PID控制器和模糊行效果和保鮮效果。同樣，模糊PID控制器的輸入也要充分考慮戶外溫度、庫物冷藏間系統(tǒng)中需要考慮PID計(jì)算、模糊推理系統(tǒng)以及其它各種數(shù)據(jù)的處理，為了滿足這樣大容量的數(shù)據(jù)傳輸和處理，本文選用西門子S7-200系列的PLC,制，從而讓整個控制系統(tǒng)得以穩(wěn)定的操作和運(yùn)行，西門子S7-200系列的PLC恰制系統(tǒng)采用西門子S7-200系列的PLC。其具體實(shí)現(xiàn)方法見本文第四章。如圖2-1中虛線框所示，電路硬件系統(tǒng)由輸入電路、西門子S7-200系列的PLC和輸出電冷藏間冷藏間傳感器門開關(guān)戶外溫度門狀態(tài)檢測壓縮機(jī)恒溫運(yùn)行可編程邏輯控制器PID圖2-1冷庫系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框架圖該冷卻物冷藏間系統(tǒng)以冷卻物冷藏間的溫度作為控制目標(biāo),根據(jù)溫度與設(shè)定后，壓縮機(jī)制冷運(yùn)行，溫度開始慢慢下降，直至溫度在0～1℃時，壓縮機(jī)恒溫運(yùn)行；當(dāng)溫度不在0～1℃時，壓縮機(jī)制冷運(yùn)行，如此往復(fù)，直至庫溫穩(wěn)定在0～1℃,壓縮機(jī)循環(huán)控制如圖2-2所示。Y壓縮機(jī)恒溫運(yùn)行庫溫調(diào)節(jié)Y壓縮機(jī)恒溫運(yùn)行庫溫調(diào)節(jié)N圖2-2壓縮機(jī)循環(huán)控制圖2.2.2溫度控制流程如圖2-3所示，該冷庫控制結(jié)構(gòu)流程圖主要由模糊PID控制器、變頻器、壓縮機(jī)、傳感器、A/D轉(zhuǎn)換器、D/A轉(zhuǎn)換器組成。模糊PID控制器主要由模糊推理系統(tǒng)和PID控制器組成。模糊PID控制器由PLC來實(shí)現(xiàn)。PLC首先根據(jù)環(huán)境與冷庫庫溫，對實(shí)際偏差值及偏差值的變化率進(jìn)行模糊PID運(yùn)算，調(diào)整PLC的PID參數(shù)，并將運(yùn)算結(jié)果傳遞給壓縮機(jī)的變頻器，改變壓縮機(jī)的頻率，控制送往冷凝器的輸氣量或制冷能量。溫度溫度yD/A變頻器壓縮機(jī)庫溫傳感器模糊PID控制器A/D圖2-3冷庫控制結(jié)構(gòu)圖2.3冷庫系統(tǒng)配件的選取冷庫系統(tǒng)配件主要包括壓縮機(jī)、變頻器、A/D轉(zhuǎn)換器、D/A轉(zhuǎn)換器和溫度傳感器，這些配件的選取將直接影響冷庫系統(tǒng)的性能。2.3.1壓縮機(jī)組的選取在冷庫控制系統(tǒng)中，是最為關(guān)鍵的配件。壓縮機(jī)是冷庫中能耗最大的裝置，約占電機(jī)輸入功率的30%左右。在環(huán)境溫度較低時，壓縮機(jī)的性能幾乎決定著整個冷庫系統(tǒng)的性能。一般情況下小型冷庫選用全封閉壓縮機(jī),中型冷庫一般選用半封閉壓縮機(jī)，大型冷庫選用半封閉壓縮機(jī)。無論何種品牌的壓縮機(jī)組的選型，都是根據(jù)冷庫的蒸發(fā)溫度及冷庫有效工作容積來確定，另外還要參考冷凍或冷藏物品的冷凝溫通常高溫冷庫制冷量計(jì)算公式為：冷庫容積×90×1.16+正偏差，正偏差量根據(jù)冷凍或冷藏物品的冷凝溫度、入庫量、貨物進(jìn)出庫頻率確定，范圍在100~400W之間。中溫冷庫制冷量計(jì)算公式為：冷庫容積×95×1.16+正偏差，正偏差量范圍在200～600W之間。低溫冷庫壓縮機(jī)組制冷量計(jì)算公式為：冷庫容積×110×1.2+正偏差，正偏差量范圍在300～800W之間。在生產(chǎn)實(shí)際資生產(chǎn)企業(yè)。谷輪的ZB系列渦旋壓縮機(jī)外形如圖2-4所示。2.3.2變頻器的選取壓縮機(jī)一般是按設(shè)計(jì)工況所需制冷量進(jìn)行選型,冷庫系統(tǒng)使用的環(huán)境溫度橫跨夏冬兩季的極限高低溫,與傳統(tǒng)的空調(diào)制冷系統(tǒng)相對穩(wěn)定的環(huán)境溫度有著較大定范圍內(nèi)連續(xù)進(jìn)行能量調(diào)節(jié)，使制冷量與負(fù)荷達(dá)到最佳匹配。如表2-1所示，對表2-1調(diào)節(jié)方法優(yōu)缺點(diǎn)及能耗調(diào)節(jié)方優(yōu)缺點(diǎn)負(fù)荷為60%時的能耗百分?jǐn)?shù)ON/OFF控制結(jié)構(gòu)簡單，便宜，主要用于小型機(jī)組，部分負(fù)荷及啟動時損失較大，溫控精度差氣缸卸載有級調(diào)節(jié)，只用于多氣缸機(jī)組，部分負(fù)荷時效率下降較小吸氣節(jié)流無級調(diào)節(jié)，系統(tǒng)簡單但調(diào)節(jié)范圍較小，效率低吸氣節(jié)流無級調(diào)節(jié)，系統(tǒng)簡單但調(diào)節(jié)范圍較小，效率低熱氣旁通無級調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)范圍較廣，但系統(tǒng)復(fù)雜，效率低變頻調(diào)節(jié)無級調(diào)節(jié)，系統(tǒng)簡單，效率高，但裝置成本高一般冷庫中包含A/D轉(zhuǎn)換器和D/A轉(zhuǎn)換器。A/D轉(zhuǎn)換器將物理信號轉(zhuǎn)換出的數(shù)字量轉(zhuǎn)換成模擬量，控制執(zhí)行器的調(diào)節(jié)工作。選取A/D、D/A轉(zhuǎn)換器時，要充分考慮系統(tǒng)的精度問題。D/A轉(zhuǎn)換器要滿足模糊控制器和變頻器的精度要A/D轉(zhuǎn)換器MAX195和16位D/A轉(zhuǎn)換器MAX5631,具有體積小、功耗低、轉(zhuǎn)換速度快、精度高等優(yōu)點(diǎn)，可以滿足冷庫系統(tǒng)要求。2.3.4傳感器的選取考慮到冷庫內(nèi)蔬果監(jiān)測必須采用全方位多點(diǎn)監(jiān)測有效地保證果蔬的安全儲藏，系統(tǒng)選取一種連線簡單、測量精度高、抗干擾能力強(qiáng)的傳感器DSI8B20,其接線圖如圖2-5所示。該芯片在冷庫監(jiān)測系統(tǒng)中有其它芯片無法比擬的特點(diǎn),該芯片溫度測量范圍為-55℃~+125℃,以0.5℃遞增。該溫度測量值可以滿足低溫監(jiān)測的要求。溫度以9位數(shù)字量讀出，通過一個單線接口DQ發(fā)送或接收信息。如果在測量點(diǎn)數(shù)不多的情況下,PLC與DSI8820之間僅需一根連接線而無需外部電源供電(寄生電源方式)。每個DSI8820都有一個唯一的長達(dá)64位的光刻ROM編碼。最前面的8位是單線系列編碼，中間48位是唯一的序列號，最后8位是前面56位的CRC碼。由于每個DSI8820擁有唯一的一個序列號，所以多個DSI8820可以在一條線上工作，通過對DQ時序的操作只有被選中ROM序號的DSI8820才能響應(yīng)和工作。冷庫中庫溫采用多點(diǎn)監(jiān)測,考慮到驅(qū)動的因數(shù)不采用寄生電源方式而是直接采用外YpYpMEMORYCONTROLTEMPERATURESENSORROMANDREGISTER(EEPROM)ALARMLOWTRICGER(Tt)|CONFIGURATIONREGISTER(EEPROM)8-BITCRCGENERATORVDD=Cpp圖2-5DSI8B20接線圖2.4冷庫的監(jiān)控系統(tǒng)要保證新鮮的果蔬充足，安全保鮮是必不可少的。庫溫檢測是冷庫關(guān)注的重點(diǎn)。對于大型冷庫，倉容巨大，如何有效地對每個倉庫的庫溫進(jìn)行中央檢測顯得尤為重要。監(jiān)控系統(tǒng)構(gòu)架如圖2-6所示。網(wǎng)絡(luò)適配器RS-485總線MODBUS協(xié)議冷庫1冷庫2冷庫n圖2-6監(jiān)控系統(tǒng)構(gòu)架在冷庫這樣的工業(yè)環(huán)境中，為了使設(shè)備簡單、成本低廉和維護(hù)方便，總希望用最少的信號線來完成數(shù)據(jù)采集與控制。RS-485串行接口就具有此功能。在RS-485發(fā)送端，驅(qū)動器將TTL電平信號轉(zhuǎn)換成差分信號輸出，在接收端接收器將差分信號還原成TTL信號,所以RS-485有很強(qiáng)的和很高的抗干擾能力和接收靈敏RS-485是一個電氣接口規(guī)范，它只規(guī)定了平衡驅(qū)動器和接收器的電特性，衡線的多點(diǎn)、雙向(半雙工)通信鏈路，是一種極為經(jīng)濟(jì)、并具有相當(dāng)高噪聲抑制、傳輸速率、傳輸距離和寬共模范圍的通信平臺。該冷庫監(jiān)控系統(tǒng)用RS-485構(gòu)成分布式數(shù)據(jù)采集與控制，采用總線方式，而傳達(dá)數(shù)據(jù)采用主從站方法。主站啟動并控制每一次通信，每一個從站有一個識別地址。在此選用半雙式低功耗收發(fā)器件MAX487來完成RS-485通信。MAX487接收器輸入阻抗為十分之一單位負(fù)載，允許在總線上掛接128個MAX487收發(fā)/0n/0nRE由于冷庫與控制室之間大約有50m的距離，因此系統(tǒng)選用了帶從站功能的CPU315-2DP,其具有大中規(guī)模的程序容量，對二進(jìn)制和浮點(diǎn)數(shù)有較高的處理性開始開始初始化設(shè)備初始化設(shè)備溫度值中斷接收傳給PLC開始主機(jī)圖2-8主、從機(jī)程序流程圖2.4.3人機(jī)界面高對比度的STN顯示，能夠CCFL背光顯示，壽命超過40000～60000小時，可適用中文組態(tài)軟件CPI和直接控制鍵可用為快速響應(yīng)，可顯示漢字，可組態(tài)的觸摸按鈕用于文本、狀態(tài)指標(biāo)、圖形及圖形狀態(tài)指示，在Windows環(huán)境下使用ProTool軟件進(jìn)行組態(tài)，擁有IP65保護(hù)等級，可與多種PLC進(jìn)行連接。在冷庫控在自動控制系統(tǒng)中，常用的控制器有P、PI、PD、PID控制器。其中在這幾節(jié)，是一種應(yīng)用最為廣泛的控制方法，而PID控制器是一種應(yīng)用最為廣泛的調(diào)節(jié)PID控制器問世至今已有近70年歷史，它以其結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定性好、工作可控制器(儀表)已經(jīng)很多，產(chǎn)品已在工程實(shí)際中得到了廣泛的應(yīng)用，有各種各樣的PID控制器產(chǎn)品，且各大公司均開制器參數(shù)的自動調(diào)整是通過智能化調(diào)整或自校正、自適應(yīng)算法來實(shí)現(xiàn)。有利用PID控制實(shí)現(xiàn)的壓力、溫度、流量、液位控制器，能實(shí)現(xiàn)PID控制功能的可編程控制器，還有可實(shí)現(xiàn)PID控制的PC系統(tǒng)等等?？删幊炭刂破?PLC)是利用其閉環(huán)控制模塊來實(shí)現(xiàn)PID控制，而可編程控制器(PLC)可以直接與ControlNet相連，如Rockwell的PLC-5等。還有可以實(shí)現(xiàn)PID控制功能的控制器，如Rockwell的常規(guī)PID控制系統(tǒng)原理框圖如圖3-1所示，系統(tǒng)由常規(guī)PID控制器和被控對象u(t)十微分十圖3-1常規(guī)PID控制系統(tǒng)原理圖由于PID調(diào)節(jié)器是由比例積分微分三種調(diào)節(jié)規(guī)律合成的一種調(diào)節(jié)器，因此比e(t)=r(t)-c(t)式(3-1)中：Ti:控制器的積分時間；PID控制器包括比例、積分、微分這三個環(huán)節(jié)。各環(huán)節(jié)的作用如下：比例環(huán)節(jié)：即時成比例地反應(yīng)控制系統(tǒng)的偏差信號e(t),偏差一旦產(chǎn)生，調(diào)積分時間常數(shù)T,T越大，積分作用越弱，反之則越強(qiáng)。微分環(huán)節(jié)：能反應(yīng)偏差信號的變化趨勢(變化速率),并能在偏差信號的值變得太大之前,在系統(tǒng)中引入一個有效的早期修正信號,從而加快系統(tǒng)的動作速度之前，人們采用氣動、液動和電動調(diào)節(jié)器實(shí)現(xiàn)PID調(diào)節(jié)規(guī)律。隨著現(xiàn)代控制技構(gòu)仍然以PID控制算法為主流。與計(jì)算機(jī)的強(qiáng)大運(yùn)算功能和邏輯判斷功能相結(jié)合，使PID控制規(guī)律數(shù)字化，是自動控制技術(shù)應(yīng)用發(fā)展的重要方向之一。因此，需要將PID控制規(guī)律進(jìn)行離散化處理，如表3-1所示。模擬形式離散化形式e(t)=r(t)-c(t)e(n)=r(n)-c(n=up(n)+u,(n)+up(n)式(3-2)中T為采樣周期up(n)=Kpe(n)PID增量型算法的算式為：△u(n)=u(n)-u(n-1)稱為比例項(xiàng)稱為積分項(xiàng)稱為微分項(xiàng)3.1.3PID控制器的參數(shù)整定控制器的比例系數(shù)、積分時間和微分時間的大小。PID控制器參數(shù)整定的方法很多，概括起來有兩大類：一是理論計(jì)算整定法。它主要是依據(jù)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型,經(jīng)過理論計(jì)算確定控制器參數(shù)。這種方法所得到的計(jì)算數(shù)據(jù)未必可以直接用，還必須通過工程實(shí)際進(jìn)行調(diào)整和修改。二是工程整定方法,它主要依賴工程經(jīng)驗(yàn)直接在控制系統(tǒng)的試驗(yàn)中進(jìn)行，且方法簡單、易于掌握，在工程實(shí)際中被廣泛采PID控制器參數(shù)的工程整定方法，主要有臨界比例法、反應(yīng)曲線法和衰減法。三種方法各有其特點(diǎn)，其共同點(diǎn)都是通過試驗(yàn)，然后按照工程經(jīng)驗(yàn)公式對控制器參數(shù)進(jìn)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(shí)際運(yùn)行3.2模糊控制器概述模糊控制是近代控制理論中建立在模糊集合論基礎(chǔ)上的一種基于語言規(guī)則傳統(tǒng)控制系統(tǒng)采用的控制機(jī)理是經(jīng)典或現(xiàn)代控制理論,而模糊控制器是一般的數(shù)字控制器模糊控制系統(tǒng)應(yīng)用模糊控制機(jī)理。模糊控制器的一般組成如圖3-2模糊模糊化模糊化X2反Xn再進(jìn)行模糊化。精確量到論域中的元素得轉(zhuǎn)換：對每個輸入變量都指定一個標(biāo)準(zhǔn)的論域[-n,+n],n為正整數(shù)。例如，對偏差e和偏差的變化率de/dt,取論域?yàn)椋篍={-4,-3,-2,-1,-0,+0,+1,+2,+3,+4}EC={-4,-3,-2,-1,-0,+0,+1,+2,+3,+4}將精確量(實(shí)際量)轉(zhuǎn)換并統(tǒng)一到規(guī)定的論域中，其變換關(guān)系為：變化率的常用語言詞匯表示為負(fù)大，負(fù)中，負(fù)小，負(fù)零，正零，正小，正中，正大}用英文字母簡記為：E={NB,NM,NS,NZ,PZ,PS,PM,PB}EC={NB,NM,NS,NZ,PS,PM,PB}(3-5)式(3-5)為偏差和偏差變化率的模糊集合，括號內(nèi)的每一個詞匯都是一個語言變量的隸屬函數(shù)有兩種表達(dá)方法，即離散方式和連續(xù)方式。離散方式取論域中的離散點(diǎn)(整數(shù)值)及這些點(diǎn)的隸屬度來描述一個語言變量。例如，取n=4,“正大”的隸屬函數(shù)可寫成：這是查表中常用的。連續(xù)方式將隸屬度表示成論域變量的連續(xù)函數(shù)，最常見所謂模糊化就是確定式(3-3)中所示論域中的各元素隸屬于式(3-5)中E0000000000000000000000NZ00000NS00000NM00000NB00000003.2.2模糊推理模糊控制算法常用語言規(guī)則表達(dá)，而控制作用的產(chǎn)生是推理的結(jié)果。模糊推理環(huán)節(jié)的輸入為偏差E和偏差的變化率EC,輸出為控制作用U,它們都是模糊量，它給定U和E、EC的關(guān)系，即模糊控制規(guī)則。模糊控制規(guī)則是根據(jù)生產(chǎn)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)例如，某一生產(chǎn)過程的被調(diào)參數(shù)的偏差、偏差變化率和控制輸出分別為：E={NB,NM,NS,NZ,PZ,PS,PM,PB}EC={NB,NM,NS,ZO,PS,PM,PB}U={NB,NM,NS,ZO,PS,PM,PB}則一種可能的控制規(guī)則集如表3-3所示。表3-3中包含的控制規(guī)則，均為條件語7×8=56種模糊控制規(guī)則。這56個規(guī)則可以用MATLAB中的RuleEditor來進(jìn)表3-3模糊控制規(guī)則集UENMNSNZNSNBNMNSNMNSNMNSNSNS3.2.3反模糊化根據(jù)規(guī)則經(jīng)過推理得到的模糊集合(單點(diǎn)集合除外)無法被執(zhí)行機(jī)構(gòu)識別和執(zhí)行，所以需要將模糊集合U轉(zhuǎn)換成精確值u,這一轉(zhuǎn)換過程稱為反模糊化。反3.4模糊PID控制器的PLC實(shí)現(xiàn)SIEMENSS7-200PLC的編程系統(tǒng)STEP7提供了豐富的功能模塊，為模糊控制算法的實(shí)現(xiàn)提供了方便。主循環(huán)程序模塊OB1實(shí)現(xiàn)對功能和功能塊的調(diào)用塊FB10完成整個模糊控制功能。與之相對應(yīng)的背景數(shù)據(jù)塊為DB10,主要存儲FC4這四個子程序組成。其中FC1完成E和EC的計(jì)算；FC2進(jìn)行模糊化處理；FC3實(shí)現(xiàn)模糊控制表的查詢功能；FC4完成Kp、Tr和Tp的清晰化處理。模糊控制程序設(shè)計(jì)流程見圖3-11。S7可編程控制器上，控制帶有連續(xù)輸入和輸出變量的工藝過程。在參數(shù)分配期間，用戶可以激活或取消激活PID控制器的子功能，以使控制器適合實(shí)際的工藝過程?？梢詫⒖刂破饔米鱌ID固定設(shè)定值控制器，或者在多回路控制中用作級聯(lián)、混合或比率控制器?？刂破鞯墓δ芑诓蓸涌刂破鞯腜ID控制算法，采三步控制器。除了設(shè)定值和過程值分支中的功能以外，F(xiàn)B還實(shí)現(xiàn)了一個完整的將量化因子置入PLC中采樣時間到?Y將E、EC置入PLC存儲區(qū)YN將輸入量分別量化到輸入語言變量的模糊論域中并置入存儲區(qū)Kp、Ki、Kp去模糊化調(diào)整后的參數(shù)置入PID模結(jié)束令越界變量為其上限或下限圖3-11模糊控制程序設(shè)計(jì)流程圖如圖3-11所示，該流程圖的核心是模糊控制查詢表的查詢程序。模糊控制表中的模糊控制量Kp按照先行后列，由左向右的訪問方式順序存儲到數(shù)據(jù)塊 (Kp的規(guī)則數(shù)是169)。如采用常規(guī)的判斷語句的查表方法，將會使程序語句多而繁瑣，因此采用STEP7中的指針尋址查表方法。為了簡化設(shè)計(jì)，將輸入模糊論域的元素均增加6,即化為[0,……12]。控制量的基址為0,偏移地址為2x(13×Xi+Yj),由Xi,Yj可以確定控制量的絕對地址為2×(13×Xi+Yj),通過指針變量獲得地址中存儲的Kp的模糊值。以下給出系統(tǒng)的主要程序：//每隔1s調(diào)用FB10實(shí)現(xiàn)模糊參數(shù)自整定CALLFB10,DB10Kp:=DB20.DBD20Ti:=DB20.DBD24Tp:=DB20.DBD28//FB41所對應(yīng)共享數(shù)據(jù)塊的比例增益輸入//FB41所對應(yīng)共享數(shù)據(jù)塊的積分時間輸入//FB41所對應(yīng)共享數(shù)據(jù)塊的微分時間輸入LP#DB21.DBWOL#address1//輸入變量address1中TMW100//將Kp的值存入MW100最后由FC4實(shí)現(xiàn)控制量Kp、Ki和Kp的清晰化轉(zhuǎn)換，將最終計(jì)算結(jié)果送到FB41中對應(yīng)的參數(shù)中。通過FB41,輸出控制量送到模擬量輸出模塊實(shí)現(xiàn)控制4.1電路控制要求指示燈(綠)常亮，直至溫度限定開關(guān)或庫門位置開關(guān)動作，壓縮機(jī)組恒溫運(yùn)行呼叫系統(tǒng)被啟動后，壓縮機(jī)組恒溫運(yùn)行，冷庫指示燈(紅)以0.5/0.5s閃爍，庫內(nèi)警報鈴聲響起，按下呼叫/警報解除按鈕后，冷庫正常運(yùn)行；冷庫消防警報啟對于一個控制系統(tǒng)，PLC的選型尤為重要。比如對于要進(jìn)行溫度監(jiān)控及PID調(diào)節(jié)等控制的大系統(tǒng)，適宜選擇西門子S7-200的PLC。測、監(jiān)測及控制的自動化。S7-200系列的強(qiáng)大功能使其無論在獨(dú)立運(yùn)行中，或S7-200系列出色表現(xiàn)在以下幾個方面：(1)極高的可靠性；(2)極豐富的指令集；(3)易于掌握；(4)便捷的操作；(5)豐富的內(nèi)置集成功能；(6)實(shí)時特性；(7)強(qiáng)勁的通訊能力；S7-200系列在集散自動化系統(tǒng)中充分發(fā)揮其強(qiáng)大功能。使用范圍可覆蓋從S7-200系列PLC可提供4個不同的基本型號的8種CPU供您使用。4.3PLC程序表4-1輸入輸出表輸入輸出名稱地址名稱地址冷藏啟動壓縮機(jī)組制冷運(yùn)行Q0.0冷藏停止壓縮機(jī)組恒溫運(yùn)行Q0.2溫度限定開關(guān)冷庫指示燈(綠)Q0.1庫門位置開關(guān)冷庫指示燈(紅)Q0.3冷庫呼叫系統(tǒng)庫內(nèi)警報鈴Q0.5冷庫消防警報自動消防報警Q0.4呼叫/警報解除Q0.0Network2Q0.1Q0.11Q0.1Network3Q0.2Q0.2/Q0.2Network4Q0.3Q0.3/Q0.3T38Network5T37M0.0T37M0.0/M0.0T37M0.0TONTONNetwork6T38M0.1T38M0.1//M0.1T38M0.1TONTONNetwork7Q0.4Q0.4/Network8/Q0.5T40