基于PLC的混合型模糊PID在胶温控制系统中的应用

基金项目：厦门市科技计划项目(3502Z2006008)资助作者简介：彭彦卿（1966-），女，博士研究生。*通讯作者：[e-mail]基于PLC的混合型模糊PID在胶温控制系统中的应用彭彦卿1,2，罗键1*，陈李清3（1.厦门大学自动化系福建厦门3610052.厦门理工学院电子与电子工程系福建厦门361005３.厦门鱼肝油厂福建厦门361005）摘要：从一类工业过程控制对象出发，针对传统PID控制存在的设定值跟随特性不佳的问题，设计出一种基于变设定值权重思想的新型混合模糊PID控制器，该方法通过模糊系统的输出在线修正PID控制器比例作用部分设定值的加权系数，使系统的目标值跟随特性得到改善，并通过MATLAB仿真和PLC编程两种方式加以实现，结果表明本文所设计的控制器不仅响应速度快，而且超调量小，具有很好的设定值跟随特性，在模拟运行中亦取得了优于传统PID的效果。关键词：Fuzzy-PID；MATLAB仿真；PLC；胶温控制中图分类号：见中图分类号（图书馆）文献标识码：A在鱼肝油生产行业，软胶囊是一类重要的产品，其基本原理是以脉动的形式将药液打入液体明胶，然后进入石蜡油循环系统进行冷却，同时在胶液表面张力的作用下，形成球形胶丸。因此，明胶的温度控制是一个非常关键的工艺条件。温度太低，明胶流动性差，胶丸成形不好，温度太高，又会破坏明胶的粘度，在后续的工序中易发生胶丸破损现象。而且控制对象特性比较复杂，滞后时间特性相当明显，具有大惯性和时变不确定性等特征，难以建立精确的数学模型。PID调节器虽然控制简单，可靠性高，但参数一旦整定好后即固定不变，所以存在启动过程超调大，过渡时间长；外扰抑制特性和目标值跟随性能难以兼顾的问题。针对以上问题的研究，目前已经出现了许多方法，如二自由度PID控制[1]、模糊控制[２][３]等等。模糊控制与传统控制不同，传统控制是从过程的数学建模开始的，控制器是为数学模型设计的。因此当被控对象参数发生变化时，系统的控制效果就会受到影响，模糊是从收集整理启发式规则和人类经验（即模糊IF-THEN规则）开始的，通过分析这些规则来设计控制器[2]，因此并不依赖于精确的数学模型，对被控对象参数变化有较好的鲁棒性。基于以上分析，本文将传统PID控制和模糊控制结合起来，设计出一种新的混合型模糊PID控制器，并将其应用于厦门鱼肝油厂新型全自动软胶囊机的研制项目上。对温度控制系统进行改进，并给出系统的MATLAB仿真和基于PLC的软硬件设计和实现。1系统数学模型描述明胶温度的控制采用PLC的PT模组控制电加热器通过石蜡油域隔层对明胶进行间接加热。石蜡油的热导率介于不锈钢和明胶之间，因为是间接加热，控制效果要经过一定的延迟才能作用到胶液，呈现纯滞后环节特征，胶箱采用不锈钢材质，热导率较高，具有小惯性环节特征；明胶自身的热导率则较低，具有大惯性环节特征，基于以上分析，系统的数学模型可记为式（1），并可进一步简化为式（2）的最简式[４]。sTsTeKSGs2101)1()(（1）sTeKSGs201)(（2）式中1T，K0为对象静态增益，τ为滞后时间常数。T1为不锈钢壁传热小惯性时间常数，T2为时变的明胶传热的大惯性环节时间常数。2控制方案设计2.1控制器的设计文献[5]提出了一种变设定值权重的方法，其基本思路是首先根据Ziegler-Nichols法则整定出抗干扰能力最优的PID控制器的参数，然后对设定值权重进行调整，使系统能够同时获得目标函数值跟踪特性最优．数学表达式为)()()()()()()()(0tfwtbdeKdttdeKtytytbKtutidspP（3）式中10w，)(),()(teteftf．Kp、Kd、Ki参数为按Ziegler-Nichols法则整定出的PID比例、积分、微分系数，w为一大于等于零而小于等于1的常数．因此，在一定程度上削弱了Kp的作用，这样虽然可减少超调量，但会使响应速度变慢，这部分的影响将通过f(t)进行适当的补偿，当y(t)正在趋向ysp(t)时，则加大b(t),而当y(t)正在偏离ysp(t)时，则减少b(t)．当f(t)=0,w=1时，则b(t)=1,系统则为常规的PID控制器．从该方案出发，将公式（3）做进一步变形如下：tidspPdeKdttdeKtytytbKtu0)()()()()()(tidPspPdeKdttdeKteKtytbK0)()()()(1)(tidPspPdeKdttdeKteKtytfwK0)()()()(1)(tidPspPdeKdttdeKteKtytfwK0)()()()()()()(*tutu（4）；其中，)()()(tytfwKtuspP01w；)(),()(teteftftidPdeKdttdeKteKtu0*)()()()(式（4）中u*(t)为普通PID控制器输出，Δu(t)为基于模糊逻辑的控制器输出．由此形成一种传统PID和模糊控制相结合的混合控制策略．混合型模糊PID控制器的系统框图如图1所示：d/dtFuzzyControlPID加热装置温度检测装置设定温度（ysp）+_u*(t)+f(t)u(t)e△e()()()PsputKwftytΔu(t)实际温度（y）+图1温度控制系统框图Fig.1Blockdiagramoftemperaturecontrolsystem2.2模糊控制算法基于Z-N规则进行PID控制器参数整定时，主要是为保证系统的抗干扰能力，根据本系统在加热过程中间要不断补充胶液的特点，良好的抗干扰能力和抗参数摄动性能是必要的，但是也带来了设定值跟随能力不佳，超调大等问题。为此，本文提出一种模糊补偿控制策略，通过制定合适的模糊控制规则，在不同阶段给出不同的补偿量，例如在加热初期按常规PID控制，给出较小的负的补偿，温度以较快的速度上升，然后随着温度逐渐接近设定值，给出较大的负补偿量，使温度缓慢上升，所以可以减小超调量。当温度超过设定值时，且继续上升时，则给出更大的负补偿，使输出尽快向相反方向变化，从而使系统具有较好的目标值跟随性能，即既具有较快的响应速度，又减小了超调量，同时因为u*(t)部分是按Z-N规则进行的参数整定，所以u*(t)的存在，也保证了PID控制具有良好的抗干扰性能。2.2.1语言变量的模糊集e=[NB、NS、Z、PS、PB]e=[N、Z、P]f=[NVB、NB、NS、Z、PS、PB、PVB]其中NVB、NB、NS、Z、PS、PB、PVB分别表示变量为负很大、负大、负小、零、正小、正大、正很大．N、Z、P表示变量为负、零、正．2.2.2模糊变量论域、隶属函数类型及解模糊化方法e(t)、)(te、f(t)的论域均为[-1，1]．隶属度函数分别如图2所示．解模糊化方法采用加权平均法．(a)(b)(c)图2e(t)(a)、Δe(b)、f(t)(c)的隶属度函数Fig.2Membershipdegreeofe(t)(a)、)(te(b)、f(t)(c)该模糊器的模糊控制规则具有如下形式：if{e=AiandΔe=Bj}thenf=Ck,i=1,2，…5；j=1,2,3;k=1,2,…7．其中Ai、Bj、Ck为各自论域上的模糊语言值（如NB、NS等），其控制规则表如表1．表1模糊控制规则表Tab.1FuzzycontrolruletableeΔeNBNSZPSPBNNVBNBNMNSZZNMNSZPSPMPZPSPMPBPVB2.3仿真分析为了初步验证以上控制器对系统控制对象的控制效果，并为现场调试提供更可靠的依据，首先利用MATLAB仿真软件和模糊工具箱对式2的控制对象进行仿真研究．取K0=2,τ*=3,T=10．仿真实现的系统模型如图3所示．在参数调试过程中，对于式2的控制对象，根据Z-N法则的第一法[6]，确定出PID控制器的参数分别为Kp=2，Kd=3，Ki=1/3．打开各对话框，输入相应参数即可进行仿真．为了实现模糊控制变量的论域和实际值参数的匹配，参数K1、K2、K3均可修改．w´的值也可以经整定得出控制效果最佳时的值．为了便于对比，只要令w´=0，f(t)=0，则可得到传统PID控制的仿真模型．图4和图5分别是采用不同的控制方式时，系统阶跃响应过渡过程曲线和在t=50s时刻加入0.2*（t-50）扰动及参数摄动10%时的控制曲线。二者对比，可以发现按Z-N法则整定的传统PID控制的超调量高达50%，参数摄动10%时更高达70%，而模糊PID控制的超调量明显减小，可见模糊PID控制效果明显优于传统PID控制。(a)(b)图4(a)和(b)分别为采用常规PID和fuzzy-PID控制时阶跃响应过渡过程曲线Fig4.StepresponseofconventionalPID(a)andfuzzy-PID(b)Control图3系统仿真模型Fig3.Systemsimulationmodel(a)(b)图5(a)和(b)分别为采用常规PID和fuzzy-PID控制，参数摄动10%，并加入扰动0.2*(t-50)时阶跃响应过渡过程曲线Fig.5ConventionalPID(a)andfuzzy-PID(b),with10%parametervariationandperturbation0.2*(t-50),thestepresponsecurve2．4基于PLC的控制器的实现在仿真实现的基础上，设计基于PLC的控制器实现，新型全自动软胶囊机采用DELTADVP-14SS11T2PLC和HITECHPWS3260DTN可编程触摸终端作为实现平台。胶温控制系统是其中一个重要部分，明胶温度通过温度传感器输入DVP04AD-S,实现A/D转换，由DVP04PT-SPT模组实现温度控制[7]。因为PLC软件WPLsoft-2.09中有PID运算指令，只要将按常规方法整定出的PID参数输入相应的单元，并用PID指令直接计算出u*(t)即可，再对Δu(t)部分利用模糊规则进行计算，最后把两部分合在一起作为控制器的输出。输出PWM信号控制加热管接通时间的占空比，从而对温度进行控制。在计算Δu(t)时，因为已经对模糊规则进行了合理的简化，所以，减小了在线计算的工作量。程序流程图如图6所示：3结果分析因为新的滴丸机正在设计和组装中，所以采取模拟实验的方式，图7(a)显示的是采用常规PID控制的温度历史曲线，图7(b)是采用本文提出的混合型模糊PID控制的温度曲线．两者对比不难发现，采用传统PID，虽然在整定时已经尽量兼顾设定值跟随性能，减小超调量，但历史数据显示超调最大时胶温达到89.0℃，超过设定值达11%．而混合型模糊PID控制则较好地解决了目标值跟随能力欠佳的问题，超调量明显减小，而且响应速度变快．4结语为了在保证系统温度控制精度和良好的抗干扰能开始温度比较及A/D采集计算e及ΔePWM输出u(t)=△u(t)+u*(t)精确量模糊化查模糊表进行模糊判决并确定f(t)计算△u(t)计算u*(t)返回图6混合型模糊PID控制程序流程图Fig.6HybridfuzzyPIDControlprocedureflowchart力的基础上，获得良好的目标值跟随性能，减小过渡过程的超调量，获得较快的响应速度。本文将传统PID控制器和模糊控制有机地结合起来，设计出一种新型混合模糊PID控制器。仿真实验和PLC编程实现的结果，均表明了该方法的有效性。参考文献[1]Jing-GangZhang,Zhi-yuanLiu,RunPei.Ｔwo–degree–of-freedomPIDcontrolwithfuzzylogiccompensation.ProceedingsoftheFirstInternationalConferenceonMachineLearningandCybernetics