基于PLC 技术的模糊PID 控制程序设计与开发

王春晖

（国网冀北电力有限公司 管理培训中心， 北京 102401）

计算机PLC 如今之所以在工业控制领域越来越受到行业的重视，已成为最主要的使用设备，主要就是因为其有着稳定性高，操作简单等特点。 随着工业控制领域的发展，该领域中主要工作就是模拟闭环控制系统，为了满足此目的，PLC不断对自身的运算能力和数据分析处理能力进行完善，为了增大其应用的广泛性。 但是在面对一些超大且复杂的模拟控制系统时，PLC 中的PID 数字运算功能就很难对系统进行高效的处理，而此时，就需要对PID 的算法进行新的设计和改良，这就是本文的一个最为重要的究方向。 因此，文中主要针对PLC 技术在模糊PID 控制时的问题进行分析与研究，并且设计和开发出对应的算法以及编程的过程，得出最有效的设计办法。 并且经过一系列试验以及实践检验，该系统可以充分达到设计需求[1]。

1 PLC（可编程控制器）

可编程逻辑控制器（PLC），它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程。 它其实就是一种专用于工业控制的计算机，是由件电源、中央处理单元（CPU） 、存储器、输入输出接口电路、功能模块、通信模块等部分构成，一般情况下，它的工作流程为3 个阶段，分别为输入采样、用户程序执行和输出刷新， 上面的3 部完成后称为一个扫描周期[2]。 可编程逻辑控制器之所以被过程工业所广泛应用，是因为它有很多自身的特点和优势，如操作简单，使用方便，功能性强，性价比大大超过同类型产品，产品自身配套齐全，用户不需要在购入其他装置，稳定性强，受到外界其他因素影响较小，有着很强的自我保护能力，系统的设计、安装、调试工作量少，为工作前的准备工作节省了很多时间，最后就是维修量非常小，这跟系统自身的稳定性有很大的关系，所以事故率很低。 随着PLC 的产生到如今的大规模使用，其控制功能以及各个方面特点也在随着时间不断地进步，而各个PLC厂商也都在大力研发更加完满的技术， 而要想提高其性价比，就主要需要改良两方面的内容，即运算和处理数据能力以及特殊功能模块。 丰富的功能指令和多种配套模块，以及一些PLC 增加的适应控制、参数自整定、模糊控制等功能，使PLC 更加自如地应用在模拟控制系统中，并且可以实现良好的控制效果[3]。

2 总体设计

PLC 标准模拟控制系统结构如图1 所示，它的具体控制过程为，模拟的结果先生成反馈信号，经过测量元器件后，元件将信号进行处理，再交由A/D 模块进行处理使之变为数字信号， 再将得到的数字值与事先得知的给定值进行比较，可以得出系统偏差，随即将偏差值进行分析，这就需要进行PID算法处理，将得出的值再用D/A 模块进行最后处理，使其变回模拟信号，再返回输入端的控制系统，这个循环就实现了对控制系统的循环控制。 下面以宏光TB3C 系列PLC 组成的一个可编程逻辑控制系统为例，首先系统包括最基本的数模和模数转换模块，系统使用TB3C-5AD 和TB3C-5DA 作为控制系统的输出模块，然后使用控制系统的功能模块对信号进行处理后，对数据进行读写操作以及对指令进行编写，从而达到对模拟量的采集和控制[4]。

图1 PLC 标准模拟控制系统总体结构图Fig. 1 PLC standard analog control system overall structure

3 模糊PID 控制算法

模糊控制系统中最重要的部分就是模糊控制器，其原理就是通常所说的模糊控制原理。图2 位模糊控制器的整体结构图， 模糊控制器中最核心的3 个操作如图所示，分别为：模糊化、知识库及推理、解模糊。 控制器在进行运作时选择的输入值就是系统模数转换后得到的与原值比较后的偏差值，输入值确定后在进行模糊化，模糊化就是将精确地输入值转变为模糊语言来表达，这首先就运用到了模糊集合论，输入值进入系统后，系统自动在集合中寻找与其对应的模糊量，将准确地数字信号转化为与之对应的模糊量，再按照事先确定的标准，对此输入量进行运算和推理[5-6]。 运算得出结果后就要进行解模糊过程，其是将模糊值重新转化实际准确的数字控制量。 流程中，第一步就是对输入变量的选择，应该依照具体的情况即控制系统的需求来选取输出量的取值范围，然后通过计算得出转移系数，转移系数连接的是模糊控制器的端口，通过转移系数将原本准确地输入值转变为模糊区域所需要的模糊值，然后要对所有模糊子集的数量进行确定，以及每个子集所对对应的系统函数，这就是整个模糊化过程。 设计出一个模糊PID 控制器需要四步，第一步就是要对输入输出的函数变量进行确定，找出最符合设计要求的初始值，第二部就是对变量进行模糊化，这是进行模糊控制的基础，只有模糊化后得出的模糊量才能在算法中被运用，第三步是建立模糊化分析处理准则，这是最关键的一步，是对结果起决定作用的一步，准则不同输出值也就不同，所以要根据具体需求设计不同准则， 最后一步就是输出量街模糊化，得到最终准确的输出值。 需要注意的是，虽然模糊PID 控制器的分析运算和处理能利用计算机操作或者人工手动操作来实现，但这些操作由于前期准备工作比较繁琐，运算时的过程比较复杂，人工处理起来效率很低，还容易出错，所以我们选用MATLAB 软件的模糊逻辑工具箱来进行分析处理和运算， 它也是PID 中最为常见的是一种推理工具，不仅操作简单，且效率及准确性都很高。

图2 模糊控制器的整体结构Fig. 2 The overall structure of the fuzzy controller

4 模糊PID 控制算法实现

下面进行算法的具体设计，首先要进行编程就需要对输入量进行模糊处理，然后将模糊处理的结果用作算法中的必要对比参数，然后才能进行计算和推理[7]。 设计若直接采用PLC 的基本功能指令完成，进行在线推理，实现起来难度较大又十分耗时，为了增强系统的实时性，采用离线计算查询表的方法实现PLC 的模糊PID 控制。 首先将输入量依据系统需求进行调整和选择，并将输入量的范围作出确定，于此同时利用MATLAB 模糊工具箱对输入量进行数模转换后再进行模糊处理，得到模糊控制表，将处理后得到的数据表格依照系统涉及的顺序放入到按数据寄存器中，观察数模转换以及模糊处理后的实时变化数据， 主要确定变化出的迷糊量，在表中找出对应的数据寄存器，这就得到了准确地的PID整定参数， 再利用这个准确地参数在系统中进行运算和处理， 最终获得对缓慢大滞后性被控量的有效控制。 具体的PLC 程序的设计过程包括3 个部分： 输入量的模糊化程序、模糊控制查询表程序和PID 参数输出程序。 图3 所示为模糊控制查询表程序。

图3 模糊控制查询表程序Fig. 3 Fuzzy control query table

5 实际应用测试

为了验证所设计的PLC 模拟控制系统的合理性和实用性，将其应用于锅炉过程控制系统的实际操作中。 以锅炉过程控制系统为实验测试对象，按照本文论述的PLC 模拟控制系统的算法， 针对锅炉液位控制和温度控制的特点， 采用PLC 编程实现不同的控制方法，并采用易控组态软件实现上位监控和远程功能，最终对整个锅炉过程控制系统进行调试来实现测试要求。 锅炉过程控制系统的结构设计如图4 所示。 实验前做的主要准备有，在保证原始装置中被控单元的前提下，使用一个附加的PLC 控制系统，并加入与之同型号的数模转换功能模块，可以进行模糊处理，并将得到的信号连入预先设定好的输出端，这就实现了单元与单元之间的联通，再对程序进行编译，使用我们论述的算法锅炉液位进行控制， 并针对锅炉温度的大滞后性， 自行研发先进模糊PID算法实现有效控制。 对锅炉的液位和温度进行控制主要是通过PLC 控制程序设计实现的， 通过PLC 对模拟量的读写和PID 运算[8-9]。为了使控制的效果达到最理想的状态，依据误差的产生范围分别运用PD 和PID 控制，即PLC 编程实现积分分离PID 控制，温度控制就是使用本文所论述的 PID 控制算法，对锅炉的温度进行实时监控，并将监控得到的数据及时传入到PLC 中，使用测试比较的偏差量作为模糊PID 控制器的输入， 利用模糊控制原理得到在线整定的PID 控制参数，PID 输出的控制量对电加热丝的功率大小进行控制，从而实现了对锅炉温度的控制，将锅炉整体温度提升缓慢这一问题得到了很好解决，提高了使用效率，对控制的精度也得到了提高，通过实际应用的测试数据发现，该模拟控制系统达到了预期的设计要求，有很大的使用价值。

图4 锅炉过程控制系统结构Fig. 4 Boiler Process Control System structure

6 结 论

文中基于PLC 技术的模糊PID 控制程序设计与开发，对标准PLC 模拟闭环控制系统、PLC 的PID 控制算法展开分析和研究。 在原有PLC 理论的基础上，设计开发了一个全新的框架，并且优化了PID 的控制算法，对之前工程应用中出现的问题进行了分析，得出了解决方案，并将方案在锅炉过程控制系统中进行验证，实验结果表明，我们的设计思路完全达到了预期的效果，将锅炉整体温度提升缓慢这一问题得到了很好解决，提高了使用效率，对控制的精度也得到了提高，对其他工业生产过程也起着很好地借鉴意义。 实际测试结果表明， 该控制程序可以有效提高控制准确度和生产效率，节约成本，达到了设计要求。

[1] 陈立定. 电气控制与可编程序控制器的原理及应用[M]. 北京：机械工业出版社，2004.

[2] 王兆义. 可编程控制器教程[M]. 北京： 机械工业出版社，2004.

[3] 王仁祥，王小曼. 现代可编程序控制器网络通信技术[M]. 北京：中国电力出版社，2006.

[4] 侯华发. DCS 与PLC 的区别及DCS 在电力领域的应用[J].工程与建设，2006，20（1）:79-80.

[5] 廖常初. FX 系列PLC 编程及应用[M]. 北京：机械工业出版社，2005.

[6] 高钦和. 可编程控制器应用技术与设计实例[M]. 北京：人民邮电出版社，2004.

[7] 史东晓. 垃圾渗滤液处理控制系统设计与实现[D]. 成都：电子科技大学，2010.

[8] 黄有锐，曲立国. PID 控制器参数整定与实现[M]. 北京：科学出版社，2010.

[9] 张鹤鸣，刘耀元. 可编程控制器原理及应用教程[M]. 北京：北京大学出版社，2007.