基于PLC的自整定PID溫度控制設(shè)計(論文)

1、畢業(yè)設(shè)計（論文）題 目：基于plc的自整定pid溫度控制設(shè)計 學(xué) 生： 指導(dǎo)老師： 許思猛 系 別： 電子信息與電氣工程系 專 業(yè)： 電氣工程及其自動化 班 級： 電氣0702 學(xué) 號： 0207103217 2011年6月福建工程學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(論文)作者承諾保證書本人鄭重承諾： 本篇畢業(yè)設(shè)計(論文)的內(nèi)容真實、可靠。如果存在弄虛作假、抄襲的情況，本人愿承擔(dān)全部責(zé)任。學(xué)生簽名：年 月 日福建工程學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(論文)指導(dǎo)教師承諾保證書本人鄭重承諾：我已按有關(guān)規(guī)定對本篇畢業(yè)設(shè)計(論文)的選題與內(nèi)容進(jìn)行了指導(dǎo)和審核，該同學(xué)的畢業(yè)設(shè)計（論文）中未發(fā)現(xiàn)弄虛作假、抄襲的現(xiàn)象，本人愿承擔(dān)指導(dǎo)教師的相

2、關(guān)責(zé)任。指導(dǎo)教師簽名： 年 月 日目 錄摘 要iabstractii1 緒論1 1.1課題的背景和意義1 1.2 pid參數(shù)整定方法的發(fā)展現(xiàn)狀1 1.3模糊控制發(fā)展現(xiàn)狀2 1.4溫度控制系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀2 1.5論文的主要內(nèi)容及組織結(jié)構(gòu)32 pid控制4 2.1 pid控制原理4 2.2 pid 三個參數(shù)的調(diào)節(jié)作用5 2.3 pid 參數(shù)整定算法的溫度控制系統(tǒng)研究6 2.3.1 pid 參數(shù)整定的概念6 2.3.2 pid控制器參數(shù)對控制性能的影響6 2.3.3 pid 參數(shù)整定的方法73 基于模糊控制的pid參數(shù)整定9 3.1模糊控制9 3.1.1模糊控制系統(tǒng)的組成9 3.1.2模糊控制器的設(shè)

3、計方法9 3.2模糊pid參數(shù)自整定原理10 3.3 模糊pid參數(shù)自整定設(shè)計114模糊pid參數(shù)自整定控制的plc 實現(xiàn)16 4.1可編程控制器及實驗配置16 4.1.1可編程控制器的概述16 4.1.2可編程控制器的基本組成16 4.1.3實驗配置和軟件環(huán)境16 4.2 模糊pid 控制的plc 實現(xiàn)17 4.2.1 程序設(shè)計流程17 4.2.2 輸入量等級量化的梯形圖設(shè)計18 4.2.3 模糊控制表程序20 4.2.4 反模糊化程序20 4.2.5 參數(shù)可調(diào)的pid 運算程序215組態(tài)軟件設(shè)計以及系統(tǒng)分析23 5.1組態(tài)王軟件概述23 5.2監(jiān)控系統(tǒng)功能設(shè)計23 5.2.1 組態(tài)軟件的設(shè)

4、計要求23 5.2.2 組態(tài)功能設(shè)計23 5.3組態(tài)界面設(shè)計24 5.4 組態(tài)測試25 5.5 曲線分析256 總結(jié)與展望27致謝28參考文獻(xiàn)29附錄40基于plc的自整定pid溫度控制設(shè)計摘 要溫度是各種工業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)實驗中最普遍、也是最重要的熱工參數(shù)之一。溫度控制的精度對產(chǎn)品或?qū)嶒灲Y(jié)果會產(chǎn)生重大的影響。溫度控制的模式多樣，而plc可靠性高，抗干擾能力強，易學(xué)易用，采用plc控制是其中一種比較優(yōu)越的控制。本文首先分析了目前溫度的控制方法，找出傳統(tǒng)pid控制的不足,針對pid固定參數(shù)在非線性環(huán)境下難以保證系統(tǒng)性能的缺陷，提出采用模糊策略增強pid控制在非線性系統(tǒng)中的有效性，即采用模糊推理的方式

5、自整定pid控制參數(shù),基于對溫度的結(jié)構(gòu)特點和控制性能要求，論文提出了模糊pid控制的基本框架和模糊規(guī)則、論域等相關(guān)參數(shù)的整定方法，設(shè)計了模糊pid溫度控制器的控制策略, 在此基礎(chǔ)上以西門子s7-200 plc為處理器實現(xiàn)了具有自整定功能的pid溫度控制系統(tǒng)。論文將該模糊pid控制器用于溫度控制系統(tǒng)，提出了plc的程序?qū)崿F(xiàn)方法，從而完成了模糊pid控制的應(yīng)用。人機(jī)界面采用的是國內(nèi)的一個比較流行的組態(tài)王軟件。組態(tài)王可以實現(xiàn)在線監(jiān)控。組態(tài)項目中制作了曲線畫面和監(jiān)控畫面，用戶可方便地查詢plc的運行情況、數(shù)據(jù)采集和在線控制。最后設(shè)計并實現(xiàn)了基于自整定模糊pid控制器的溫度控制系統(tǒng)的主要程序。關(guān)鍵詞：溫

6、度控制,plc,模糊控制,pid參數(shù)整定,組態(tài)王study of self-tuning pid controller in temperature control system based on plcabstracttemperature is the most universal and important industrial parameter in all kinds of technical produce and scientific experiment. the manipulative precision of temperature will take a great

7、effect on production or experimental result. the mode of temperature control is various. the programmable logic controller (plc) is reliable not easily to be jamming and easily to be learned and used , welcomed by workers and widely used in industry.the thesis analyzes the control strategy currently

8、 used, in order to find out the shortages about traditional pid control. considering the bad performance of the sintering process brought by fixed pid parameters, a fuzzy control method is developed to enhance pid control， in which fuzzy inference is used to modify pid control parameters . based on

9、the requirements of sintering fumace and control performance， some key issues， such as framework of fuzzy pid control，based on this plc implementation with control system of the function of self-tuning pid temperature, the methods of adjustment of the fuzzy rules and the parameters, are presented in

10、 the thesis to provide the complete temperature control of sintering furnace. the programs of plc are developed to realize the industrial implements. we have designed human machine interface（hmi）with the kingview configuration soft which is developed by domestic company . the kingview can monitor an

11、d control the plc on line. we also have designed several menu, including the historical curve screen and monitoring screen. users can easily query the operation of plc, data acquisition and on-line control.finally the procedures of the temperature control system based on the self-tuning pid controll

12、er is designed and implementedkey words：temperature control, plc, fuzzy-pid control , pid parameter tuning, kingview1 緒論1.1課題的背景和意義隨著控制理論的不斷發(fā)展，各項控制場合諸如溫度、壓力及流量等參數(shù)的控制及測量都得到了長足的發(fā)展。而溫度控制是其中最重要的一項。以傳統(tǒng)的單片機(jī)為核心的溫度控制系統(tǒng)，由于受到處理器自身硬件資源和速度的限制，硬件電路設(shè)計復(fù)雜，數(shù)據(jù)實時處理能力差，溫度調(diào)節(jié)時間長。隨著可編程序控制器(簡稱plc)技術(shù)的不斷發(fā)展，它有著高可靠性、邏輯控制的設(shè)計實現(xiàn)方

13、便靈活等優(yōu)點。將模糊控制與plc 控制技術(shù)相結(jié)合，利用plc 實現(xiàn)模糊控制實現(xiàn)pid參數(shù)自整定，將會有越來越廣泛的應(yīng)用。它既保留了plc 控制系統(tǒng)控制可靠、靈活、適應(yīng)能力強等特點，又提高了控制系統(tǒng)的智能化程度，是現(xiàn)代自動控制系統(tǒng)的發(fā)展趨勢之一。 pid以其算法簡單、魯棒性好和可靠性高的特點，被廣泛應(yīng)用于工業(yè)過程控制。由于其結(jié)構(gòu)簡單，容易被理解和實現(xiàn)，也成為應(yīng)用最廣泛的控制算法。在溫度控制軟件上如果采用pid控制算法，便能使得溫度調(diào)節(jié)具有速度快、精度高的特點。 本課題研究的主要目的是運用模糊理論進(jìn)行pid參數(shù)整定，并以plc為處理器，設(shè)計出一套基于pid參數(shù)自整定的溫度控制系統(tǒng)。本課題對pid參

14、數(shù)整定的方法具有一定的實際運用價值，并把pid控制理論應(yīng)用到溫度控制系統(tǒng)當(dāng)中，為從事過程控制系統(tǒng)的軟件和硬件設(shè)計人員提供了一個很好的應(yīng)用實例。1.2 pid參數(shù)整定方法的發(fā)展現(xiàn)狀根據(jù)研究方法，pid參數(shù)整定方法可分為基于頻域的pid參數(shù)整定方法和基于時域的pid參數(shù)整定方法；按照被控對象的個數(shù)，可分為單變量pid參數(shù)整定方法和多變最pid參數(shù)整定方法；按照控制量的組合形式，可分為常規(guī)pid參數(shù)整定方法與智能pid參數(shù)整定方法，前者包括現(xiàn)有大多數(shù)整定方法，后者是最近幾年研究的熱點和難點。一般來說，pid參數(shù)整定方法可以分為這樣幾類：基于模型的自整定方法、基于規(guī)則的自整定方法、智能pid參數(shù)整定方

15、法、多變量p1d參數(shù)整定方法。目前，主要將模糊邏輯、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、混沌、進(jìn)化算法(遺傳算法、進(jìn)化策略、進(jìn)化規(guī)劃)、免疫算法以及量子計算等自然計算應(yīng)用于pid參數(shù)整定，是目前pid參數(shù)整定方法研究的熱點。1.3模糊控制發(fā)展現(xiàn)狀模糊控制是以模糊集合理論為基礎(chǔ)的一種新興的控制手段，它是模糊系統(tǒng)理論和模糊技術(shù)與自動控制技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物。模糊控制的核心就是利用模糊集合理論，把人的控制策略的自然語言轉(zhuǎn)化為計算機(jī)能夠接受的算法語言所描述的控制算法，這種方法不僅能實現(xiàn)控制，而且能模擬人的思維方式對一些無法構(gòu)造數(shù)學(xué)模型的被控對象進(jìn)行有效的控制。進(jìn)入90年代，由于國際上許多著名學(xué)者的參與以及工程應(yīng)用中取得了大量的成功

16、，尤其對那些大量的無法用經(jīng)典與現(xiàn)代控制理論建立精確數(shù)學(xué)模型的復(fù)雜系統(tǒng)，模糊控制特別顯得成績非凡，因而導(dǎo)致了更多人的參與研究。實際上模糊控制已經(jīng)作為智能控制的一個主要分支確定下來。在國際大趨勢的推動下，模糊控制已開始向多元化發(fā)展。除了上面所述的模糊控制的幾大方面外，模糊多變量控制、模糊預(yù)測控制、模糊變結(jié)構(gòu)控制、模糊模式識別等研究，也都屬于較為前沿的研究方向。進(jìn)入21世紀(jì)，對于經(jīng)典模糊控制系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)性能的改善，模糊集成控制、模糊自適應(yīng)控制、專家模糊控制與多變量模糊控制的研究，特別是針對復(fù)雜系統(tǒng)的自學(xué)習(xí)與參數(shù)(或規(guī)則)自調(diào)整模糊系統(tǒng)方面的研究，尤其受到學(xué)者們的重視。近幾年，對模糊控制的研究越來越深入，

17、應(yīng)用也越來越廣泛。1.4溫度控制系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀近年來，在我國以信息化帶動的工業(yè)化正在蓬勃發(fā)展，溫度已成為工業(yè)對象控制中一種重要的參數(shù)，特別是在冶金、化工、機(jī)械等各類工業(yè)中，廣泛使用各種加熱爐、熱處理爐、反應(yīng)爐等。由于爐子的種類及原理不同，因此所采用的加熱方法及燃料也不同，如煤氣、天然氣、油電等。對于不同生產(chǎn)情況和工藝要求下的溫度控制，所采用的加熱方式，選用的燃料，控制方案也有所不同。例如冶金、機(jī)械、食品、化工等各類工業(yè)生產(chǎn)中廣泛使用的各種加熱爐、熱處理爐、反應(yīng)爐等；燃料有煤氣、天然氣、油、電等；控制方案有直接數(shù)字控制(ddc)，推斷控制，預(yù)測控制，模糊控制(fuzzy)，專家控制(expert

18、 contr01)，魯棒控制(robust contr01)，推理控制等。隨著plc 技術(shù)的不斷發(fā)展，將模糊控制與plc 控制技術(shù)相結(jié)合，利用plc 實現(xiàn)模糊控制，將會有越來越廣泛的應(yīng)用。它既保留了plc 控制系統(tǒng)控制可靠、靈活、適應(yīng)能力強等特點，又提高了控制系統(tǒng)的智能化程度，是現(xiàn)代自動控制系統(tǒng)的發(fā)展趨勢之一。因此，plc也越來越多的被用到溫度控制系統(tǒng)中。1.5論文的主要內(nèi)容及組織結(jié)構(gòu)第一章，即緒論，分別對最后是本課題的背景與意義、pid控制的發(fā)展現(xiàn)狀、pid參數(shù)自整定算法的發(fā)展現(xiàn)狀、模糊控制的發(fā)展?fàn)顩r、以及本文所設(shè)計的溫度控制系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行介紹。第二章，本章主要介紹pid的控制理論，包括

19、：pid的控制原理、pid三個參數(shù)的調(diào)節(jié)作用，以及介紹pid參數(shù)整定算法的概念和方法，分析pid控制器參數(shù)對控制性能的影響。第三章，本章主要介紹的是模糊pid的參數(shù)整定。分析模糊控制的基本原理、模糊控制系統(tǒng)的組成、模糊控制器的設(shè)計方法、模糊pid參數(shù)自整定原理以及模糊pid參數(shù)自整定設(shè)計。第四章，本章首先介紹plc的概述以及組成，并介紹溫度控制系統(tǒng)所要用到的模塊與功能。詳解模糊pid自整定控制在plc的實現(xiàn)。第五章, 本章首先介紹組態(tài)軟件的概述和界面設(shè)計，以及對溫度曲線進(jìn)行了分析。第六章，總結(jié)與展望，總結(jié)本文所做，并說明本課題仍需解決的問題。2 pid控制在模擬控制系統(tǒng)中，控制器最常用的是pi

20、d控制。pid是“比例一積分一微分”的縮寫，它從比例、積分和微分三個環(huán)節(jié)來實現(xiàn)對系統(tǒng)的控制。常規(guī)pid控制系統(tǒng)由模擬pid控制器和被控對象組成。pid控制是最早發(fā)展起來的控制策略之一，由于其算法簡單、魯棒性好和可靠性高，被廣泛應(yīng)用于工業(yè)過程控制，至今大概有90%左右的控制回路具有pid結(jié)構(gòu)。在實際生產(chǎn)過程中，由于受到參數(shù)整定方法煩雜的困擾，常規(guī) pid控制器參數(shù)往往整定不良、性能欠佳，對運行環(huán)境參數(shù)變化的適應(yīng)性較差。針對上述問題，長期以來，人們一直在尋求pid控制器參數(shù)的自整定技術(shù)，以適應(yīng)復(fù)雜的工況和高指標(biāo)的控制要求。2.1 pid控制原理常規(guī)pid控制器系統(tǒng)原理框圖如圖2-1所示，系統(tǒng)主要由

21、pid控制器和被控對象組成。比例環(huán)節(jié)微分環(huán)節(jié)積分環(huán)節(jié)被控對象rineyout圖2-1 pid控制器系統(tǒng)原理圖pid控制器作為一種線性控制器，它根據(jù)給定值和實際輸出值構(gòu)成控制偏差，將偏差按比例、積分和微分通過線性組合構(gòu)成控制量，從而對被控對象進(jìn)行控制，故稱為pid控制器。2.2 pid 三個參數(shù)的調(diào)節(jié)作用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(jìn)行控制的。它由比例單元（p）、積分單元（i）和微分單元（d）組成。比例（p）調(diào)節(jié)作用：比例調(diào)節(jié)依據(jù)“偏差的大小”來動作，它的輸出與輸入偏差的大小成比例。比例調(diào)節(jié)及時，有力，但有余差。它用比例度來表示其作用的強弱，比例度越小，調(diào)節(jié)

22、作用越強。相反，比例度越大，調(diào)節(jié)作用就越弱；比例作用太強時，會引起震蕩。比例調(diào)節(jié)作用是按比例反應(yīng)系統(tǒng)的偏差，系統(tǒng)一旦出現(xiàn)了偏差，比例調(diào)節(jié)立即產(chǎn)生調(diào)節(jié)作用用以減少偏差。比例作用大，可以加快調(diào)節(jié)，減少誤差，但是過大的比例，使系統(tǒng)的穩(wěn)定性下降，甚至造成系統(tǒng)的不穩(wěn)定。積分（i）調(diào)節(jié)作用：積分調(diào)節(jié)依據(jù)“偏差是否存在”來動作，它的輸出與偏差對時間的積分成比例，只有當(dāng)余差消失時。積分作用才會停止，其作用是消除余差。但積分作用使最大動偏差增大，延長了調(diào)節(jié)時間。它用積分時間 t 來表示其作用的強弱，t 越小，積分作用越強，但積分作用太強時，也會引起震蕩。積分調(diào)節(jié)作用是使系統(tǒng)消除穩(wěn)態(tài)誤差，提高無差度。因為有誤差，

23、積分調(diào)節(jié)就進(jìn)行，直至無差，積分調(diào)節(jié)停止，積分調(diào)節(jié)輸出一常值。積分作用的強弱取決與積分時間常數(shù) ti，ti 越小，積分作用就越強。反之 ti 大則積分作用弱，加入積分調(diào)節(jié)可使系統(tǒng)穩(wěn)定性下降，動態(tài)響應(yīng)變慢。積分作用常與另兩種調(diào)節(jié)規(guī)律結(jié)合，組成 pi 調(diào)節(jié)器或 pid 調(diào)節(jié)器。微分（d）調(diào)節(jié)作用：微分調(diào)節(jié)依據(jù)“偏差變化的速度”來動作。它的輸出與輸入偏差變化的速度成比例，其效果是阻止被調(diào)參數(shù)的一切變化，有超前調(diào)節(jié)的作用，對滯后大的對象(溫度)有很好的效果。它使調(diào)節(jié)過程偏差減小，時間縮短，余差也減小(但不能消除)。它用微分時間 t d來表示其作用的強弱，t d大，作用強，但 t d太大，也會引起振蕩。微

24、分作用反映系統(tǒng)偏差信號的變化率，具有預(yù)見性，能預(yù)見偏差變化的趨勢，因此能產(chǎn)生超前的控制作用，在偏差還沒有形成之前，已被微分調(diào)節(jié)作用消除。因此，可以改善系統(tǒng)的動態(tài)性能。在微分時間選擇合適情況下，可以減少超調(diào)，減少調(diào)節(jié)時間。微分作用對噪聲干擾有放大作用，因此過強的加微分調(diào)節(jié)，對系統(tǒng)抗干擾不利。此外，微分反應(yīng)的是變化率，而當(dāng)輸入沒有變化時，微分作用輸出為零。微分作用不能單獨使用，需要與另外兩種調(diào)節(jié)規(guī)律相結(jié)合，組成 pd 或 pid 控制器。2.3 pid 參數(shù)整定算法的溫度控制系統(tǒng)研究pid 控制中一個至關(guān)重要的問題，就是控制器三參數(shù)（比例系數(shù)、積分時間、微分時間）的整定。整定的好壞不但會影響到控制

25、質(zhì)量，而且還會影響到控制器的魯棒性。此外，現(xiàn)代工業(yè)控制系統(tǒng)中存在著名目繁多的不確定性，這些不確定性能造成模型參數(shù)變化甚至模型結(jié)構(gòu)突變，使得原整定參數(shù)無法保證系統(tǒng)繼續(xù)良好的工作，這時就要求 pid 控制器具有在線修正參數(shù)的功能，這是自從使用 pid 控制以來人們始終關(guān)注的重要問題之一。本章在介紹 pid 參數(shù)整定概念的基礎(chǔ)上，介紹了 pid 參數(shù)整定的幾種方法。2.3.1 pid 參數(shù)整定的概念pid 參數(shù)整定概念中包括參數(shù)自動整定(auto-tuning)和參數(shù)在線自校正(self tuning on-line)兩個概念。具有自動整定功能的控制器，能通過一按鍵就由控制器自身來完成控制參數(shù)的整定

26、，不需要人工干預(yù)，它既可用于簡單系統(tǒng)投運，也可用于復(fù)雜系統(tǒng)預(yù)整定。運用自動整定的方法與人工整定法相比，無論是在時間節(jié)省方面還是在整定精度上都得以大幅度提高，這同時也就增進(jìn)了經(jīng)濟(jì)效益。自校正控制則為解決控制器參數(shù)的在線實時校正提供了很有吸引力的技術(shù)方案。自校正的基本觀點是力爭在系統(tǒng)全部運行期間保持優(yōu)良的控制性能，使控制器能夠根據(jù)運行環(huán)境的變化，適時地改變其自身的參數(shù)整定值，以求達(dá)到預(yù)期的正常閉環(huán)運行，并有效地提高系統(tǒng)的魯棒性。具有自動整定功能和具有在線自校正功能的控制器被統(tǒng)稱為自整定控制器。一般而言，如果過程的動態(tài)特性是固定的，則可以選用固定參數(shù)的控制器，控制器參數(shù)的整定由自動整定完成。對動態(tài)特

27、性時變的過程，控制器的參數(shù)應(yīng)具有在線自校正的能力，以補償過程時變。2.3.2 pid控制器參數(shù)對控制性能的影響(1)比例作用對控制性能的影響比例增益的引入是為了及時地反映控制系統(tǒng)的偏差信號，一旦系統(tǒng)出現(xiàn)了偏差，比例調(diào)節(jié)作用立即產(chǎn)生調(diào)節(jié)作用，使系統(tǒng)偏差快速向減小的趨勢變化。當(dāng)比例增益凡大的時候，pid控制器可以加快調(diào)節(jié)，但是過大的比例增益會使調(diào)節(jié)過程出現(xiàn)較大的超調(diào)量，從而降低系統(tǒng)的穩(wěn)定性，在某些嚴(yán)重的情況下，甚至可能造成系統(tǒng)不穩(wěn)定。(2)積分作用對控制性能的影響積分作用的引入是為了使系統(tǒng)消除穩(wěn)態(tài)誤差，提高系統(tǒng)的無差度，以保證實現(xiàn)對設(shè)定值的無靜差跟蹤。從原理上看，只要控制系統(tǒng)存在動態(tài)誤差，積分調(diào)節(jié)

28、就產(chǎn)生作用，直至無pid控制器參數(shù)自整定方法的研究與實現(xiàn)差，積分作用就停止，此時積分調(diào)節(jié)輸出為一常值。積分作用的強弱取決于積分時間常數(shù)ti的大小，ti越小，積分作用越強，反之則積分作用弱。積分作用的引入會使系統(tǒng)穩(wěn)定性下降，動態(tài)響應(yīng)變慢。實際中，積分作用常與另外兩種調(diào)節(jié)規(guī)律結(jié)合，組成pi控制器或者pd控制器。(3)微分作用對控制性能的影響微分作用的引入，主要是為了改善控制系統(tǒng)的響應(yīng)速度和穩(wěn)定性。微分作用能反映系統(tǒng)偏差的變化律，預(yù)見偏差變化的趨勢，因此能產(chǎn)生超前的控制作用。直觀而言，微分作用能在偏差還沒有形成之前，就己經(jīng)消除偏差。因此，微分作用可以改善系統(tǒng)的動態(tài)性能。微分作用的強弱取決于微分時間幾

29、的大小，幾越大，微分作用越強，反之則越弱。在微分作用合適的情況下，系統(tǒng)的超調(diào)量和調(diào)節(jié)時間可以被有效的減小。從濾波器的角度看，微分作用相當(dāng)于一個高通濾波器，因此它對噪聲干擾有放大作用，而這是我們在設(shè)計控制系統(tǒng)時不希望看到的。所以我們不能過強地增加微分調(diào)節(jié)，否則會對控制系統(tǒng)抗千擾產(chǎn)生不利的影響。此外，微分作用反映的是變化率，當(dāng)偏差沒有變化時，微分作用的輸出為零。2.3.3 pid 參數(shù)整定的方法要實現(xiàn) pid 參數(shù)的整定，首先要對被控制的對象有一個了解，然后選擇相應(yīng)的參數(shù)計算方法完成控制器參數(shù)的設(shè)計。據(jù)此，可將 pid 參數(shù)自整定分成兩大類：辨識法和規(guī)則法。基于辨識法的 pid 參數(shù)自整定，被控對

30、象的特性通過對被控對象數(shù)學(xué)模型的分析來得到，在對象數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上用基于模型的一類整定法計算 pid 參數(shù)。基于規(guī)則的 pid 參數(shù)自整定，則是運用系統(tǒng)臨界點信息或系統(tǒng)響應(yīng)曲線上的一些特征值來表征對象特性，控制器參數(shù)由基于規(guī)則的整定法得到。(1） 辨識法此方法的本質(zhì)是自適應(yīng)控制理論與系統(tǒng)辨識的結(jié)合。辨識法適用于模型結(jié)構(gòu)已知，模型參數(shù)未知的對象，采用系統(tǒng)辨識的方法得到過程模型參數(shù)，并和依據(jù)參數(shù)估計值進(jìn)行參數(shù)調(diào)整的確定性等價控制規(guī)律結(jié)合起來，綜合出所需的控制器參數(shù)；如果被控過程特性發(fā)生了變化，可以通過最優(yōu)化某一性能指標(biāo)或期望的閉環(huán)特性，周期性地更新控制器參數(shù)。主要有以下幾種方法：1. 極點配置法；

31、2. 零極點相消原理；3. 幅相裕度法。(2）規(guī)則法基于規(guī)則的整定方法，可分成采用臨界比例度原則的方法、采用階躍響應(yīng)曲線的模式識別方法和基于模糊控制原理的方法等。1. 臨界比例度原則的方法； 2. 采用階躍響應(yīng)曲線的模式識別方法；3. 基于模糊控制原理的方法。3 基于模糊控制的pid參數(shù)整定3.1模糊控制3.1.1模糊控制系統(tǒng)的組成 模糊控制系統(tǒng)是一種自動控制系統(tǒng)，它是以模糊數(shù)學(xué)、模糊語言形式的知識表示和模糊邏輯為理論基礎(chǔ)，采用計算機(jī)控制技術(shù)構(gòu)成的一種具有閉環(huán)結(jié)構(gòu)的數(shù)字控制系統(tǒng)。它的組成核心是具有智能性的模糊控制器。模糊邏輯控制系統(tǒng)是一種典型的智能控制系統(tǒng)，在控制原理上它應(yīng)用模糊集合論、模糊語

32、言變量和模糊推理知識，模擬人的思維方法，對復(fù)雜系統(tǒng)進(jìn)行控制。模糊邏輯控制的基礎(chǔ)是模糊邏輯，模糊邏輯從含義上比其它傳統(tǒng)邏輯更接近人類的思想和自然語言。它能夠?qū)φ鎸嵤澜缃频?、不確切的特征進(jìn)行刻畫。實際上，模糊邏輯控制是利用模糊邏輯建立一種“自由模型”的非線性控制算法，特別是在那些采用傳統(tǒng)定量技術(shù)分析過于復(fù)雜的過程，或者提供的信息是非定性、非精確的、非確定的系統(tǒng)中，模糊控制的效果相當(dāng)明顯。模糊控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)如圖3-1所示:a/d模糊控制器d/a執(zhí)行機(jī)構(gòu)被控對象測量裝置給定值被控制量圖3-1 模糊控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)3.1.2模糊控制器的設(shè)計方法由于模糊控制器采用數(shù)字計算機(jī)來實現(xiàn)的，它可以將系統(tǒng)的

33、偏差從數(shù)字量化為模糊量，對模糊量按給定的規(guī)則進(jìn)行模糊推理，最后把模糊推理結(jié)構(gòu)的模糊輸出量轉(zhuǎn)化為實際系統(tǒng)能夠接受的精確數(shù)字量或模擬量。模糊控制器結(jié)構(gòu)如圖3-2所示：模糊化模糊推理非模糊化模糊決策圖3-2 模糊控制器結(jié)構(gòu)模糊控制器的算法設(shè)計主要包括以下內(nèi)容：（1) 選擇模糊輸入、輸出變量的論域范圍及模糊變量子集類型；（2) 確定各模糊變量的隸屬度函數(shù)類型；（3) 精確輸入、輸出的變量的模糊化；（4) 制定模糊控制規(guī)則；（5) 確定模糊推理算法；（6) 模糊輸出變量的去模糊化；（7) 生成查詢表。3.2模糊pid參數(shù)自整定原理 基于模糊控制的pid參數(shù)整定是將模糊理論應(yīng)用到pid三個參數(shù)的整定中去，

34、將模糊理論與pid控制結(jié)合起來，構(gòu)成一個模糊pid控制器。模糊pid自整定控制就是運用模糊數(shù)學(xué)的基本理論和方法，把規(guī)則的條件、操作用模糊集表示，并把這些模糊控制規(guī)則及有關(guān)信息作為知識存入計算機(jī)知識庫中，然后計算機(jī)根據(jù)控制系統(tǒng)的實際響應(yīng)情況，運用模糊推理，既可自動實現(xiàn)對 pid 參數(shù)的最佳調(diào)整。模糊pid 控制器的結(jié)構(gòu)如圖 3-3所示：模糊推理pid控制器被控對象de/dtecrekp ki kdy圖 3-3 模糊pid 控制器的結(jié)構(gòu)圖 3-3模糊 pid 控制器的結(jié)構(gòu)，r 為系統(tǒng)的輸入，y 為系統(tǒng)的輸出，e為系統(tǒng)輸入與輸出的差，ec 為誤差的變化率。說白了，模糊自適應(yīng)參數(shù)整定就是尋求 pid

35、的三個參數(shù)與 e、ec 之間的關(guān)系。整個系統(tǒng)在運行中不斷檢測 e 和 ec，然后根據(jù)一定的原理對 pid 的三個參數(shù)進(jìn)行修改，以滿足不同 e 和 ec 對控制參數(shù)的不同要求，從而使被控對象有良好的性能。3.3 模糊pid參數(shù)自整定設(shè)計 簡要說明模糊pid控制器的設(shè)計步驟。 (1)確定模糊控制器的輸入、輸出變量，從而也就確定了模糊控制器的維數(shù)。一般輸入變量取為系統(tǒng)的偏差和偏差變化率，輸出變量為pid參數(shù)kp, ki, kd或者pid參數(shù)的增量kp, ki, kd 。 (2)根據(jù)實際需要確定各個輸入、輸出變量的變化范圍，然后確定它們的量化等級，量化因子和比例因子。 (3)在每個變量的量化論域內(nèi)定義

36、模糊子集。首先確定模糊子集個數(shù)，確定t個模糊子集的語言變量，然后為各語言變量選擇隸屬度函數(shù)。 (4)確定模糊控制規(guī)則。這實質(zhì)上是將操作人員的控制經(jīng)驗加以結(jié)得出的一條條模糊條件語句的集合。確定模糊控制規(guī)則要遵守的原則是保證控制器的輸出能夠使系統(tǒng)輸出響應(yīng)的動靜態(tài)性能達(dá)到最佳。 (5)求出模糊控制表。根據(jù)(4)的模糊控制規(guī)則和(2),(3)中確定的輸入、輸出變量求出模糊控制器的輸出。這些輸出值是pid參數(shù)的調(diào)整量，把它們與輸入量在一個表中按一定關(guān)系列出就構(gòu)成了模糊控制表。pid三個參數(shù)一般是獨立調(diào)整，所以有三個模糊控制表。 考慮在不同時刻三個參數(shù)的作用及相互之間的關(guān)系，給出pid參數(shù)自整定原則如下:

37、 (1)當(dāng)e較大時，為加快系統(tǒng)響應(yīng)速度并防止起始偏差e瞬間變大，應(yīng)取較大的kp和較小的kd，同時為避免系統(tǒng)出現(xiàn)較大的超調(diào)，應(yīng)對積分作用加以限制，通常取ki=0。 (2)當(dāng)e和ec為中等大小時，為使系統(tǒng)響應(yīng)的超調(diào)減小，并保證系統(tǒng)的響應(yīng)速度，kp, ki、kd的值要大小適中。 (3)當(dāng)e較小時，為使系統(tǒng)具有良好的穩(wěn)態(tài)性能，應(yīng)增加kp和ki的值，同時為了避免系統(tǒng)在設(shè)定值附近振蕩，應(yīng)調(diào)節(jié)kd的值，使之大小適中。 由于在對pid控制器參數(shù)的模糊自整定中，模糊推理系統(tǒng)己經(jīng)把偏差的微分作為它的一個輸人，如果對參數(shù)kp進(jìn)行模糊整定，則系統(tǒng)對微分作用會太敏感，所以系統(tǒng)僅僅對kp, ki進(jìn)行了整定。 根據(jù)以上對k

38、p, ki, kd的作用和調(diào)整方法，得到kp, ki, kd的模糊控制規(guī)則，通過模糊化處理。根據(jù)各模糊子集的隸屬函數(shù)和各參數(shù)模糊控制模型，應(yīng)用模糊合成推理設(shè)計pid參數(shù)的模糊矩陣表，在線運行過程中，控制系統(tǒng)通過對模糊邏輯規(guī)則的結(jié)果處理，查表和運算，完成對pid參數(shù)的自整定。本文控制系統(tǒng)采用“雙入三出”的模糊控制器。輸入量為溫度值給定值與測量值的偏差e 以及偏差變化率e c ,輸出量為比例系數(shù)kp、積分時間ti、微分時間td?？刂七^程為控制器定時采樣溫度值和溫度值變化率與給定值比較, 得溫度值偏差e 以及偏差變化率e c ,并以此作為plc 控制器的輸入變量,經(jīng)模糊控制器輸出比例系數(shù)kp、積分時

39、間ti、微分時間td 給pid控制器進(jìn)行調(diào)節(jié),然后經(jīng)d/a 轉(zhuǎn)換送溫控對象。模糊控制器包括輸入量模糊化、模糊推理( 模糊決策和模糊控制規(guī)則) 和反模糊3個部分。1) 輸入模糊化e 和ec 分別為e 和ec 模糊化后的模糊量,kp、ki、kd 分別為kp、ti、td 模糊化后的模糊量。e、ec 論域等級為e=ec=-3,-2,-1,0,1,2,3,模糊化子集為e=ec=nb,nm,ns,ze,ps,pm,pb。kp、ti、td 論域等級為kp=ti=td=-3,-2,-1,0,1,2,3,模糊化子集為kp=ti=tdnb,nm,ns,ze,ps,pm,pb。nb, nm,ns,ze,ps,pm,

40、pb表示負(fù)大,負(fù)中,負(fù)小, 零, 正小, 正中, 正大 。2） 模糊決策和模糊控制規(guī)則總結(jié)加熱絲溫度的控制過程中經(jīng)驗, 得出控制規(guī)則,如表3-1、表3-2、表3-3 所示。選取控制量變化的原則是:當(dāng)誤差大或較大時, 選擇控制量以消除誤差為主。而當(dāng)誤差較小時, 選擇控制量要注意防止超調(diào)。表3-1 kp的模糊規(guī)則kpecenbnmnszepspmpbnbpbpbpmpmpszezenmpbpbpmpspszensnspmpmpmpszensnszepmpmpszensnmnmpspspszensnsnmnmpmpszensnmnmnmnbpbzezenmnmnmnbnb表3-2 ti的模糊規(guī)則ti

41、ecenbnmnszepspmpbnbnbnbnmnmnszezenmnbnbnmnmnszezensnbnmnsnszepspszenmnmnszepspmpbpsnmnszepspspmpbpmzezepspspmpbpbpbzezepspmpmpbpb表3-3 td的模糊規(guī)則tdecenbnmnszepspmpbnbpsnsnbnbnbnmpsnmpsnsnbnmnmnszenszensnmnmnsnszezezensnsnsnsnszepszezezezezezezepmpbnbpspspspspbpbpbpmpmpmpspspb 由表表3-1、表3-2、表3-3 的模糊規(guī)則可寫成條件

42、語句,共有4 9 條規(guī)則, 全部系統(tǒng)模糊集為:r=r11 r12 r13 r14 r449（表示“并”）；當(dāng)e、ec 分別取模糊集x、y 時,輸出(kp、ti、td)的模糊子集為:zij=(x y)*r根,據(jù)輸入e、ec 模糊量化后得到的x、y 可計算出kp 對應(yīng)的zij,如表6 所示。表3-4 kp 的模糊控制表kpece-3-2-10123-33322100-2332110-1-122210-1-102210-1-2-21110-1-1-2-2210-1-2-2-2-3300-2-2-2-3-3表3-5 ki 的模糊控制表ti ece-3-2-10123-3-3-3-2-2-100-2-3

43、-3-2-3-100-1-3-2-1-10110-2-2-101231-2-1011232001123330012233表3-6 kd 的模糊控制表tdece-3-2-10123-31-1-3-3-3-21-21-1-3-2-2-10-10-1-2-2-1-1000-1-1-1-1-101000000023-31111333222113 以系統(tǒng)的穩(wěn)定性為主。例如, 當(dāng)溫度值低很多( 低于目標(biāo)值) , 且溫度值有進(jìn)一步快速降低的趨勢時, 比例系數(shù)kp 增大, 應(yīng)加大加熱器電壓。可用模糊語句實現(xiàn)這條規(guī)則(if e=nb and ec=nb then kp=pb)。當(dāng)誤差為負(fù)大且誤差變化為正大或正中

44、時, 控制量不宜再增加, 應(yīng)取控制量的變化為0 , 以免出現(xiàn)超調(diào)。一共有49 條規(guī)則。3) 輸出反模糊化具體實現(xiàn)上述控制算法的關(guān)鍵在于解決輸入量等級量化程序梯形圖設(shè)計和查表獲取模糊控制量的查表程序梯形圖設(shè)計。4模糊pid參數(shù)自整定控制的plc 實現(xiàn)4.1可編程控制器及實驗配置4.1.1可編程控制器的概述 可編程控制器是一種工業(yè)控制計算機(jī)，英文全稱：programmable controller，為了和個人計算機(jī)(pc)區(qū)分，一般稱其為plc?？删幊炭刂破?plc)是繼承計算機(jī)、自動控制技術(shù)和通信技術(shù)為一體的新型自動裝置。其性能優(yōu)越，已被廣泛地應(yīng)用于工業(yè)控制的各個領(lǐng)域。20世紀(jì)60年代，計算機(jī)技

45、術(shù)開始應(yīng)用于工業(yè)控制領(lǐng)域，但由于價格高、輸入輸出電路不匹配、編程難度大，未能在工業(yè)領(lǐng)域中獲得推廣。1968年，美國的汽車制造公司通用汽車公司(gm)提出了研制一種新型控制器的要求，并從用戶角度提出新一代控制器應(yīng)具備十大條件，立即引起了開發(fā)熱潮。1969年，美國數(shù)字設(shè)備公司(dec)研制出了世界上第一臺可編程序控制器，并應(yīng)用于通用汽車公司的生產(chǎn)線上?？删幊炭刂破髯詥柺酪詠恚l(fā)展極為迅速。1971年日本開始生產(chǎn)可編程控制器，而歐洲是1973開始的。如今，世界各國的一些著名的電氣工廠幾乎都在生產(chǎn)可編程控制器。4.1.2可編程控制器的基本組成plc從組成形式上一般分為整體式和模塊式兩種。整體式plc一

46、般由cpu板、i/o板、顯示面板、內(nèi)存和電源組成。模塊式plc一般由cpu模塊、i/o模塊、內(nèi)存模塊、電源模塊、底版或機(jī)架組成。本論文實物采用的是西門子的s7-200系列plc。4.1.3實驗配置和軟件環(huán)境（1） 西門子s7-200s7-200系列plc可提供4種不同的基本單元和6種型號的擴(kuò)展單元。其系統(tǒng)構(gòu)成包括基本單元、擴(kuò)展單元、編程器、存儲卡、寫入器、文本顯示器等。本論文采用的是cup226。它具有24個輸入點和16個輸出點。（2）電熱絲電熱絲主要有鎳鉻電熱絲，鐵鉻鋁電熱絲，鎳鉻合金扁帶，鎳鉻、鎳鉻鐵電阻電熱合金，自控溫伴熱帶，并聯(lián)恒功率伴熱帶等，本文采用的是彈簧狀電熱絲。（3）傳感器熱電

47、偶是一種感溫元件，它直接測量溫度，并把溫度信號轉(zhuǎn)換成熱電動勢信號。常用熱電偶可分為標(biāo)準(zhǔn)熱電偶和非標(biāo)準(zhǔn)熱電偶兩大類。所調(diào)用標(biāo)準(zhǔn)熱電偶是指國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了其熱電勢與溫度的關(guān)系、允許誤差、并有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)分度表的熱電偶，它有與其配套的顯示儀表可供選用本論文才用的是k型熱電阻。（4）模擬量輸入模塊 傳感器檢測到溫度轉(zhuǎn)換成電壓信號，系統(tǒng)需要配置模擬量輸入模塊把電壓信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號再送入plc中進(jìn)行處理。本文選用了西門子em231模擬量輸入模塊。（5）模擬量輸出模塊plc模擬量輸出模塊主要系數(shù)包括模塊通道、輸出范圍、溫度精度、外部電源、i/o點要求等等，本文選用了西門子em232模擬量輸入模塊。（6） st

48、ep 7 microwin sp3軟件介紹step 7 microwin sp3編程軟件是基于windows的應(yīng)用軟件，是西門子公司專門為simtic s7-200系列plc設(shè)計開發(fā)的。該軟件功能強大，界面友好，并有方便的聯(lián)機(jī)功能。用戶可以利用該軟件開發(fā)程序，也可以實現(xiàn)監(jiān)控用戶程序的執(zhí)行狀態(tài)，該軟件是s7-200擁護(hù)不可缺少的開發(fā)工具。4.2 模糊pid 控制的plc 實現(xiàn)4.2.1 程序設(shè)計流程plc 程序設(shè)計流程圖如圖4-1 所示。開始將模糊控制查詢表逐行置入plc的vd500-vd548(kp論域)、vd600-vd648（ti論域）、vd700-vd748(td論域)中將a/d采樣的設(shè)

49、定值喝反饋值分別置入vd250和vd260中計算e和ec分別置入vd270和vd370中將輸入量分別量化到輸入模糊量化的論域-3,-2,-1,0,1,2,3中的對應(yīng)元素，置入vw200和vw300中查模糊控制查詢表得到輸出量kp、ti、td置入vd800、vd804、vd808中查模糊控制查詢表得到輸出量kp、ti、td置入vd800、vd804、vd8反模糊化得kp*、ti*、td*pid運算輸出經(jīng)d/a輸出控制量經(jīng)d/a輸出控制量經(jīng)d/a輸出控制量結(jié)束圖4-1 plc 程序設(shè)計流程圖4.2.2 輸入量等級量化的梯形圖設(shè)計根據(jù)e 和ec 論域所分的等級,將實際溫度變化范圍分為7 檔, 依據(jù)式

50、下式將基本論域區(qū)間 的精確量按四舍五入原則量化為論域區(qū)間a,b的論域元素(模糊量) ,n=3,e 為溫度變化值。s7-200 的a/d 轉(zhuǎn)換模塊,理論上模糊控制器的輸入的取值范圍可能為032000。然而,實際上僅剛開始起動等很少時候可能達(dá)到32000。在正常運行過程中,的基本論域取值比上述范圍要小得多,模糊量化的論域取為-3,+3,e 對應(yīng)的模糊化論域如表4-1 所示。表4-1 e 對應(yīng)的模糊化論域x 元素表e1.0x-3-2-10123表4-2 ec 對應(yīng)的模糊化論域y 元素表ec1.0y-3-2-10123圖4-2 子程序sbr-1輸入量的變化量e 模糊化程序見子程序sbr-1 如圖4-2

51、所示,量化值存入vw200,ec 量化值存入vw300。4.2.3 模糊控制表程序 模糊控制查詢表是經(jīng)模糊推理與逆模糊化運算獲得的一個 7*7(基于上述對語言變量論域范圍的設(shè)定)的二維矩陣。表4-1 給出了一個模糊控制查詢表kp 的實例,表中矩陣元素kp 是由輸入量e 和ec 的論域元素確定的輸出控制量的量化值。將查詢表元素逐行依次存儲在plc 的vd500vd548 中。查表程序設(shè)計利用變址寄存器, 通過采取“基址+ 偏移地址”尋址的設(shè)計方法來實現(xiàn)。設(shè)e 和ec的論域元素分別為x、y,則輸出量比例kp 的位置為:表首地址+7(x+3)+(y+3),表首地址為vd500。同理將ti、td論域元

52、素分別存放在vd600vd648、vd700vd748 中,程序見附錄。kp 的查詢表程序為sbr-2,如圖4-3 所示圖4-3 子程序sbr-24.2.4 反模糊化程序 把由表4-1 查出的控制量模糊論域中的值z p i j ( 即vd500vd548 中的值)乘以比例因子k1 便可以得到實際的比例系數(shù)kp*=k1 zpij,實際的積分時間ti*= k2 ziij,實際的微分時間td*=k3 zdij。在本實驗裝置的溫度控制系統(tǒng)中取比例系數(shù)范圍圖4-4 子程序sbr-3是0 5, 積分時間范圍是05 分鐘,微分時間范圍是05 分鐘,故k1=5/3=1.6667,k2=5/3=1.6667,k3=5/3=1.6667。程序如圖4-4所示。4.2.5 參數(shù)可調(diào)的pid 運算程序 plc 在執(zhí)行pid 調(diào)節(jié)指令時,須對算法中的7 個參數(shù)進(jìn)行運算,