自适应模糊pid控制的plc设计
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1基于PLC的自适应模糊-PID压力控制系统
杨云飞
（常熟理工学院 信息与控制工程系，江苏 常熟 215500）
摘要： 本文在传统PID控制技术和模糊控制技术的基础上，吸收两者长处，设计了自适应
模糊-PID控制器，并将其应用于压力控制中。基于S7-200 PLC的自适应模糊-PID压力控制
系统，以偏差和偏差变化率作为输入，根据被控系统不同工况变化的要求，通过修改PID
控制器的参数来获得满意的动态和静态控制性能。
关键词： 模糊控制 自适应 PID PLC
中图分类法： TP273 文献标识码： A
Self-adaptive Fuzzy-PID pressure control system based on PLC
YANG Yun-fei
(
Dept. of Information and Control Engineering，Chang Shu Institute of Technology，Chang Shu 215500，china)
Abstract： The self-adaptive Fuzzy-PID controller is designed based on traditional PID control
technology and fuzzy control technology and it is applied to pressure control system. A
self-adaptive Fuzzy-PID control system based on S7-200 PLC is carried out. It takes the deviation
and the deviation change as input, according to varying performance state varying the parameters
of PID controller to get good dynamic and static control quality.
Keywords： Fuzzy control；adaptive；PID；PLC
1. 引言
常规PID控制器以其技术成熟在工业控制中
得到了广泛的应用，其特点是控制精度高，但鲁
棒性差，对非线性、时变参数等系统难以获得满
意的控制效果。模糊控制是以模糊语言集、模糊
变量和模糊推理为基础的新型智能控制算法，其
特点是无需知道被控系统的精确数学模型，控制
性能鲁棒性强，但单一的模糊控制，往往难以满
足系统对控制精度的要求。本文将PID控制和模
糊控制技术相结合，设计了自适应模糊-PID控制
器，运行结果表明具有良好的控制性能。
2. 自适应模糊-PID控制器的设计
2.1. 自适应模糊-PID控制系统结构
自适应模糊-PID控制系统结构如图1所示。
系统主要由模糊控制器和PID控制器两部分构成。
其中模糊控制器由SFC1、SFC2和SFC3三个子模
糊控制器组成复合模糊控制器[1]
。模糊推理系统以
系统的误差E
和误差变化率EC
作为输入，根据
设计好的模糊推理规则进行模糊推理运算，分别
控制PID控制器的三个参数
piKK、
和
dK
，从而调整系统的控制量，使系统具有良好的动、静态
性能。子模糊控制器的输出为：
(,)
(,)jiji
i
j
ji
ieecK
K
eecµ
µ∆
∆=∑
∑ （1）
式中：
jK∆
分别代表
pK∆
、
iK∆
和
dK∆
。
图1 自适应模糊-PID控制系统结构
模糊控制器的最终输出
pK∆
、
iK∆
和
dK∆
分
别经修正系数修正后，与常规PID控制器的'
pK
、
'
iK
和'
dK
分别相加，其和作为PID控制器的实际
参数。即：
'
ppppKKKq
=+∆×
（2）
'
iiiiKKKq
=+∆×
（3）
2'
ddddKKKq
=+∆×
（4）
式中：
pq
、
iq
和
dq
分别为
pK∆
、
iK∆
和
dK∆
的修正系数。
pK
、
iK
和
dK
为PID控制器的实际
控制参数。
2.2. PID参数调整规则[2]
通常，数字PID控制算法可用下式表示：
()()()
pi
iukKekKei=+∑
[()(1)]
dKekek+−−
（5）
根据
piKK、
和
dK
对系统输出的影响和已有
的PID控制器设计经验，可得出
pK
、
iK
和
dK
的
调整规则：
(1)
当e
较大时，为加快系统的响应速度，
应取较大的
pK
和较小的
dK
，同时为防止积分饱
和，应去掉积分作用，取0
iK=
。
(2)
当e
和ec
中等大时，为使系统避免产
生过大的超调量，应取较小的
iK
值，
pK
和
dK
的
取值要适中，以保证系统的响应速度。
(3)
当e
较小时，应适当地选取
dK值。若
ec
较小，则
dK
可取大些；
当ec
较大时
dK
取小
些，以使系统响应具有良好的稳态性能。
根据上述PID参数的作用以及在不同的偏差
和偏差变化率时对PID参数的要求，即可制定出
pK∆
、
iK∆
和
dK∆
的模糊控制规则。
2.3. 论域与隶属度函数
系统将采样得到的压力信号与给定值加以比
较，得到系统的误差和误差变化率，经过量化，
得到系统的输入语言变量E
和EC
。输出变量为
pK∆
、
iK∆
和
dK∆
。
误差E
和误差变化率EC
的模糊子集为
{}
,,,,,,PBPMPSZONSNMNB
，对应的论域为
{}
3,2,1,0,1,2,3−−−
。
输出变量
pK∆
、
iK∆
和
dK∆
的模糊子集为
{
,,,,,,,,,PBPMBPMPMSPSZONSNMSNM
}
,NMBNB
，对应的模糊论域为{
1,0.8,0.6,0.4,
}
0.2,0,0.2,0.4,0.6,0.8,1−−−−−
。
输入语言变量E
和EC
，输出
pK∆
、
iK∆
和
dK∆
均采用三角型隶属函数。三角型隶属函数具有较高的灵敏度。
2.4. 模糊控制表的制定
模糊推理过程必须执行复杂的矩阵运算，计
算量非常大，在线实施推理很难满足控制系统实
时性的要求，本文采用查表法进行模糊推理运算。
根据制定的模糊控制规则即推理语句，求出控制
量，从而制定模糊控制表。图1模糊系统的推理
语句形式可以表示为：
IfE
is
iA
andEC
is
iB
then
jK∆
is
iC
其中
iA
、
iB
和
iC
分别为E
、EC
和输出量
jK∆
（,,jpid=
）的模糊子集。
则有合成关系为：
iiiiABCR
=××
（6）
对于特定的输入量
iA∗
和
iB∗
，可计算得对应的
输出量
iC∗
为：
()
i
iiiCABR∗∗∗
=×o
（7）
将求得的模糊控制输出量
iC∗求并，则可得到
模糊输出C*
：
1k
i
iCC∗∗
==U （8）
模糊控制输出C*
为模糊量，运用反模糊加权
平均法求得输出控制量
jK∆
的精确值。同时经
Matlab仿真加以修正，得表1所示模糊控制表。
ePBPMPSZONSNMNB
PB
1.00.90.70.50.300
PM
0.80.70.50.30.10-0.1
PS
0.60.50.30.10-0.1-0.3
ZO
0.40.30.10-0.1-0.3-0.5
NS
0.20.10-0.1-0.3-0.5-0.7
NM
00-0.1-0.3-0.5-0.7-0.9
NP
00-0.3-0.5-0.7-0.9-1.0表 1
ΔKiec
3. 应用系统设计
整个系统由PLC、输入/输出模块、变频器和
EM235模块、接触器等组成。PLC采用西门子
S7-200系列CPU224。由PLC根据不同的输入指
令进行各数字量的逻辑控制和模拟量的处理和数
据运算，最后通过变频器控制电机的运转速度来
控制系统的压力，使系统压力稳定在设定值。
(1) 采用TP-560触摸屏作为人机界面，系统
的各项操作指令通过TP-560触摸屏及通讯电缆传
