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基于PLC的模糊PID水箱液位控制系统设计

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基于PLC的模糊PID水箱液位控制系统设计

摘 要

常规PID控制器结构简单、稳定性好、工作可靠，被广泛应用于过程控制中，但常规的PID在系统参数、工作环境发生变化时往往不能获得较好的控制效果。采用基于PLC知识和不依赖精确数学模型的模糊控制来解决这类问题。

本文首先通过机理法建立液位控制系统水箱的数学模型，为了改善调节过程的动态特性，采用串级控制，主调节器用模糊控制，副调节器采用PID控制。根据液位系统的特征，选取合适的模糊控制规则和隶属度函数，建立模糊控制规则查询表，设计PID控制器和模糊控制器，将设计好的串级系统在Simulink软件上进行仿真，比较常规PID控制器和模糊PID控制器的控制性能。

通过西门子SIMATIC S7-300 PLC 编程系统和力控组态软件6.0设计了西门子PLC的常规PID系统和模糊PID控制算法。通过组态软件力控6.0实时监控液位变化，将设计好的液位控制系统进行仿真。实验表明模糊控制器具有良好的动、静态控制效果。

关键词：过程控制，PID控制，模糊控制，PLC，力控组态软件

Based on PLC fuzzy PID water level control system design

Abstract

The conventional PID controller simple structure, good stability, reliable working, are

widely used in process control, but the conventional PID parameters in the system, working

environment change often cannot obtain the good control effect. Based on PLC knowledge and

not rely on the accurate mathematical model of fuzzy control to solve the problem.

This paper first through the mechanism of water level control system method to establish

the mathematical model, in order to improve the dynamic characteristics of the regulatory

process, the cascade control, regulation is the fuzzy control, vice regulator PID control.

According to the characteristics of liquid level system, to select the suitable fuzzy control rules

and membership functions, establish the fuzzy control rules lookup, PID controller and fuzzy

controller design, the design good ship machine system in Simulink software, and simulation is

the conventional PID controller and fuzzy PID controller control performance.

Through the Siemens SIMATIC S7-300 PLC programming system and the force control

configuration software design of the 6.0 Siemens PLC conventional PID systems and fuzzy PID

control algorithm. Through the configuration software force charged with 6.0 real-time

monitoring level changes, Will design good level control system was simulated. Experiments

show that the fuzzy controller has good dynamic and static control effect.

Key Words: Process control, PID control, Fuzzy control, PLC, Force contro

目 录

1 绪论 ...................................................................................................................................... 1

1.1 过程控制概述 ............................................................................................................... 1

1.2 模糊控制理论的产生和发展状况 ............................................................................... 2

1.3 PLC的特点及发展状况 ............................................................................................... 3

1.3.1 PLC的特点 .......................................................................................................... 3

1.3.2 PLC技术发展动向 .............................................................................................. 5

1.3.3 可编程控制器的硬件组成 .................................................................................. 6

1.4 课题研究的主要内容与论文结构 ............................................................................... 6

1.4.1 课题研究内容 ...................................................................................................... 6

1.4.2 论文结构 .............................................................................................................. 7

2 水箱液位控制系统设计及模型分析 .................................................................................. 7

2.1 水箱液位串级控制系统设计 ....................................................................................... 8

2.2 水箱液位控制系统组成及工作原理 ........................................................................... 9

2.3 双容水箱数学模型建立与分析 ................................................................................. 10

3 PID控制和模糊控制 ......................................................................................................... 14

3.1 PID控制 ...................................................................................................................... 14

3.1.1 PID简述 ............................................................................................................. 14

3.1.2 数字式PID控制算法 ........................................................................................ 16

3.2 模糊控制 ..................................................................................................................... 18

3.2.1 模糊控制器的基本结构 .................................................................................... 18

3.2.2 模糊集合 ............................................................................................................ 20

3.2.3 隶属度函数及其确定 ........................................................................................ 22

3.2.4 模糊推理 ............................................................................................................ 24

3.3 液位模糊控制器的设计 ............................................................................................. 25

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基于PLC的温度PID-模糊控制系统设计与仿真

基于PLC的温度PID-模糊控制系统设计与仿真

２０ｌ　１年６月　农机化研究　第６期　

基于ＰｋＣ的温度ＰＩ　Ｄ一模糊控制系统设计与仿真　

陈水生　，孟庆髫　

（１．浙江康恩贝制药股份有限公司，浙江兰溪　３２１　１０９；２石河子大学机械电气工程学院，新疆石河子８３２０００）　

摘要：温度控制在工业控制中占有非常重要的地位，是工业控制四大参数之一。在ＰＬＣ（可编程控制器）基础　上，采用了传统的ＰＩＤ控制和现今比较流行的智能控制中的模糊控制相结合的控制方案，来实现控制算法的整　体设计，并实现了在大范围内采用模糊控制，以提高系统的阻尼性能，减少超调；在小范围内，采用ＰＩＤ控制，以　提高系统的响应速度，加快响应过程，并且给出参考模型，在Ｍａｔｌａｂ中实现了系统的仿真。　关键词：ＰＬＣ；温度；ＰＩＤ控制；模糊控制　中图分类号：ＴＰ２７３　．４；Ｓ１２６　文献标识码：Ａ　文章编号ｉ　１００３—１８８Ｘ（２０１１）０６—００４９—０５　

０　引言　

温度控制在工业自动化控制中占有非常重要的地　

位。例如，在钢铁冶炼过程中，要对出炉的钢铁进行　

热处理才能达到性能指标；塑料的定型过程中也要保　持一定的温度。但是温度控制系统是具有大惯性、纯　

滞后、多变量和时变参数的复杂过程对象，目前主要　采用ＰＩＤ（比例积分微分）控制方式　Ｊ。这种方式对　

不同的控制对象要选择不同的ＰＩＤ参数，需要有一定　

的实践经验；而模糊（ＦＵＺＺＹ）控制　是一种语言控　

制器，是模仿人的思维方式和人的控制经验来实现的　

一种控制，能更为近似地反映最佳控制者的控制行　

为，具有很强的鲁棒性和控制稳定性，能适用于不同　

的对象控制。将模糊控制与工业控制中应用比较广　

泛的ＰＬＣ（可编程控制器）结合使用，是现阶段研究的　

一个重点和热点。因此，本文采用传统的ＰＩＤ控制技　

术和目前比较流行的智能控制中的模糊控制技术来　

实现对温度的控制，并且使其算法在ＰＬＣ中通过软件　

来实现。　

１　控制器的设计　

１．１　总体设计方案　．　对于温度控制系统，由于受控系统对控制量的作　

基于PLC的PID-模糊控制算法在水箱液位控制系统中的应用

基于PLC的PID-模糊控制算法在水箱液位控制系统中的应用

第ｌＯ卷第２期　２　０１　４年４月　沈阳工程学院学报（自然科学版）　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｓｈｅｎｙａｎｇ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ　ｏｆ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ（Ｎａｔｕｒａｌ　Ｓｃｉｅｎｃｅ）　Ｖ０１．１ＯＮｏ．２　Ａｐｒ．２０１４　

基于ＰＬＣ的ＰＩＤ一模糊控制算法在水箱　

液位控制系统中的应用　

张娜　

（沈阳工程学院自动化学院，辽宁沈阳１１０１３６）　

摘要：介绍了将模糊控制与ＰＩＤ控制相结合，进行双容水箱液位控制，并用西门子￥７－２００ＰＬＣ加以实现的方法．采用　该方法。系统能根据偏差的大小自动改变控制量的大小，既可以解决系统非线性的问题，又可以快速、准确地达到控制目　的．用ＰＬＣ进行程序设计有实现方便，修改容易，可靠性高的优点．从运行曲线可以看出系统采用ＰＩＤ一模糊控制器后响　应速度加快，调节时间缩短，调节过程更平稳，同时能消除稳态偏差．　关键词：ＰＩＤ一模糊控制液位控制ＰＬＣ　中图分类号：ＴＰ２７３．５　文献标识码：Ａ　文章编号：１６７３—１６０３（２０１４）０２—０１８５—０４　

ＪＢＳ—ＧＫ０４型过程控制实验装置包括液位、压　力、流量、温度４个典型控制参数，可进行单回路、串　

级、前馈、解耦等控制实验．控制器采用西门子ｓ７—　

２００ＰＬＣ，上位机采用组态王６．５１和ｓ７—２００编程软　

件开发的人机操作界面．液位控制是该控制装置的一　部分，系统设计时液位控制采用的是ＰＩＤ控制方式，　

通过改变变频器的输出改变水泵的转速来实现液位的　

控制．工艺流程如图１所示．　

图１液位控制系统工艺流程　

模糊控制属于智能控制的范畴，是在总结人类自　然语言概念、操作经验的基础上，模拟人类智能的一种　

收稿日期：２０１４—０３—１０　作者简介：张娜（１９８０一），女，辽宁沈阳人，工程师，硕士　控制方法，是一种非线性控制器，对过程参数的变化和　

外界扰动适应性强．　

模糊控制不能完全消除稳态偏差，而ＰＩＤ控制器　

能解决这一问题，如果在控制偏差很大的时候采用模　糊控制，而偏差小于一定控制值时切换到ＰＩＤ控制，　

基于模糊算法的双容水箱液位控制系统设计

基于模糊算法的双容水箱液位控制系统设计

文章编号：１００９—９４４１（２０１１）０８—００２８—０２　基于模糊算法的双容水箱液位控制系统设计　口口段宏伟（山西职业技术学院，山西太原０３０００６）　摘要：对双容水箱液位控制系统进行了数学建模。推导出　相应的传递函数。通过模糊控制器的使用，完成了对双容水　斯　箱液位控制系统的设计。　关键词：模糊控制系统；双容水箱；液位；模糊控制器；模糊算　法；模糊决策　中图分类号：ＴＰ　２７３．４　文献标识码：Ａ　引言　液位控制在不同的应用环境中所要求的稳定　性、快速性、鲁棒性是不同的，这就需要设计合理的控　制器以自动调节液体流量，使被控液位保持在设定水　平，从而保证生产过程的安全性、稳定性、可控性。　传统的液位控制一般使用指针式仪器、仪表显　示液位值，在控制过程中多采用单回路反馈形式，这　就使液位的控制精度与显示的直观性受到了限制。　因此，本文探索将二级模糊控制系统应用于双容水　箱的液位控制中，就如何提高液位的控制精度与显　示的直观性进行阐述。　１　双容水箱液位控制系统数学模型的　建立　将双容水箱系统抽象理解为２个一阶惯性系统　的串联，整个系统由上水箱、下水箱、蓄水箱、管道以　及阀门组成，每个数据采集点安装专用的传感器采　集数据。双容水箱的控制过程见图１。　

图ｌ　双容水箱的控制原理　由双容水箱的控制过程推导出相应的传递函　Ｇ㈤＝　＝　备丽㈩　Ｔ１＝ＡｌＲ１　（２）　Ｔ２＝Ａ２Ｒ２　（３）　式中：　——阀门的流量系数；　Ａ　，Ａ：——分别为上、下水箱的横截面积；　Ｒ　，Ｒ　——液体的阻尼系数。　２双容水箱的模糊控制系统设计　２．１　模糊控制系统的工作原理　模糊控制系统的工作原理是：计算机通过数据　采样，获取被控制量的精确值并将其模糊化，将此模　糊量与给定值进行比较，得到偏差信号ｅ与偏差变　化量ｃ。将偏差信号ｅ与偏差变化量ｃ作为模糊控　制器的输入量，并用相应的模糊语言表示，从而得到　偏差信号ｅ与偏差变化量ｃ的模糊子集。最后，依　据模糊推理的合成规则进行模糊决策，得到模糊控　制量。　Ｕ＝（ｅ×ｃ）・Ｒ　（４）　式中：ｅ——偏差信号；　ｃ——偏差变化量；　——模糊控制量。　２．２模糊控制器　模糊控制器是模糊控制系统的核心，其工作原　理见图２。　２．３模糊控制算法表　根据专家的经验与知识制定出模糊控制规则，　并进行模糊逻辑推理，得到模糊控制算法（见表１）。　

基于PLC的污泥消化池温度模糊PID控制系统设计与仿真

基于PLC的污泥消化池温度模糊PID控制系统设计与仿真

羹堡　量坌　！ｓｎｅｊｉ　Ｙｕ　Ｆｅｎ×　

基于ＰＬＣ的污泥消化池温度模糊ＰＩＤ控制系统设计与仿真　

冯谋　

（石家庄市桥东污水治理工程筹建处，河北石家庄０５００２６）　

摘要：为了提高污泥消化池温度控制的稳定性和精度，在常规ＰＩＤ控制的基础上采用ＰＬＣ设计了温度模糊ＰＩＤ控制系统，利用模　

糊控制算法求得ＰＩＤ控制参数的调整量，实现了ＰＩＤ参数的在线自动调整。性能仿真测试表明：污泥消化池温度模糊ＰＩＤ控制系统控制　

性能优于常规ＰＩＤ控制系统，控制精度达到了±１℃，满足了污泥消化温度控制的要求。　

关键词：ＰＬＣ；污泥消化池；温度；模糊ＰＩＤ控制；性能仿真　

０引言　

污泥厌氧消化是目前国际上最为常用的污泥稳定方法，其　

中以中温消化最为常用。相对于污泥好氧稳定过程，污泥厌氧　

消化可以达到很好的稳定效果，能最大限度地降解污泥中的有　

机物。这种工艺能耗低，污泥体积一般可减少１／３～１／２，而且　

在工艺过程中还可以产生高能量的沼气。甲烷菌对温度波动　

非常敏感，一般应将消化污泥的温度波动控制在±１℃范围内。　

试验结果表明：厌氧消化系统稳定运行期间温度控制在（３５±　

１）℃，初沉污泥的消化效果较好＿１］。　

温度对污泥厌氧消化非常重要。然而消化池一般体积较　

大，温度控制滞后比较严重，应用常规ＰＩＤ温度控制系统，控制　

精度和鲁棒性都不太理想。因此，本文将ＰＩＤ控制与模糊控制　

的简便性、灵活性、鲁棒性融为一体，来实现污泥温度自动非线　

性自适应调节的控制要求。　

１　污泥中温厌氧消化温度控制方案　

在污泥中温厌氧消化生产过程中，温度起着至关重要的作　用，直接影响着菌落的生长、沼气的产量、污泥体积的减少量和　

污泥性质的稳定性。本系统采用消化池外热交换器预热方式　加热，温度波动即加热的效果与热交换器温度以及进泥温度、　

进泥次数、进泥历时和每次的进泥量有关。进泥次数、进泥历　时和每次的进泥量由实验给定，所以消化池温度就与进泥温度　

和热交换器温度有关，热交换器温度通过控制热水循环泵频率