PLC的反应釜模糊PID温度控制系统研.docx
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PLC的反应釜模糊PID温度控制系统研
河北工业大学城市学院
毕业设计说明书
作者：
栗勇朋学号：
126741
系：
电气工程系
专业：
电气工程及自动化
题目：
基于PLC的反应釜模糊
PID温度控制系统研究
指导者：
李华副教授
（姓名）（专业技术职务）
评阅者：
张惠娟教授
（姓名）（专业技术职务）
2016年6月7日
基于PLC的反应釜模糊PID温度控制系统研究
摘要：
在很多生产过程中，温度的测量和控制都直接和安全生产、提高生产效率、保证产品质量、节约能源等重大技术经济指标相联系。
工业过程离不开温度控制。
而且温度控制广泛应用于社会生活的各个领域，温度控制的精度以及不同控制对象的控制方法选择都起着至关重要的作用。
温度是反应釜内生产质量的重要指标之一，也是保证其设备安全的重要参数。
运用现在控制理论和方法对反应釜进行温度控制，既能满足工业生产的需求，又提高了生产力。
PLC是一种通用的工业控制器，具有可靠性高、使用方便灵活、控制功能完善、控制精度较高等优点。
根据反应釜内温度变化特点设计出一个智能温度控制系统。
使用S7—200型PLC采用模糊控制与PID控制相结合的控制策略。
该温度控制系统能使温度应对外界干扰条件的变化，实时地调节控制规律，具有良好的温度跟踪性能和抗干扰性能。
关键词:
温度PLC反应釜模糊控制PID控制
毕业设计（论文）中文摘要
毕业设计（论文）外文摘要
TitleResearchonfuzzyPIDtemperaturecontrolsystemofreactionkettlebasedonPLC
Abstract
Inalotofproductionprocess,themeasurementandcontrolofthetemperatureisbeenlinkedtothesafeproduction.Itcanimproveproductionefficiency,ensureproductquality,energyconservationothermajortechnicalandeconomicindicators.Theindustrialprocessisinseparablefromthetemperaturecontrol.Andthetemperaturecontroliswidelyusedineveryfieldofsociallife,suchashomeappliances,material,automobile,powerelectronics-temperaturecontrolprecisionandcontrolmethodfordifferentcontrolobjectsforselectionplaysacrucialrole.Temperatureisnotonlyanimportantindicatorofthereactorproductionquality.butalsoanimportantparameterforthesafetyoftheirequipment.Basedonthis,usingthenowcontroltheoryandmethodtocontrolthetemperatureofthereactionkettle.Thiscanonlycontrolmeetstheneedsofindustrialproduction,butalsocanimprovetheproductivity.
PLCisageneralindustrialcontrollerandhastheadvantagesofhighreliability,convenientandflexibletouse,perfectcontrolfunction,higherprecisioncontrol.Inthispaper,thedesignofanintelligenttemperaturecontrolsystemanintelligenttemperaturecontrolsystemisdesigned.UsingtheS7-200PLCwiththecontrolstrategycombiningfuzzycontrolandPIDcontrol.Thistemperaturecontrolsystemcanmakethetemperaturerespondtoexternalinterferenceconditionschange,underthereal-timecontrolrules,withgoodtemperaturetrackingperformanceandanti-jammingperformance.
Keywords：
temperaturePLCreactionkettlefuzzycontrolPIDcontrol
目录
1引言-1-
1.1研究背景-1-
1.2控制策略的选择-1-
2课题研究方法和理论-2-
2.1模糊PID反应釜系统控制流程图-2-
2.2模糊控制器设计-3-
2.3PID控制器设计-7-
3硬件组成-10-
3.1CPU模块-10-
3.2S7-200的通信方式与通信参数的设置-11-
3.3I/O分配表-12-
4程序执行流程-13-
5效果展示-14-
结论-18-
参考文献-20-
致谢-22-
附录-23-
主程序-23-
模糊控制程序（部分）-25-
PID控制程序-27-
1引言
1.1研究背景
温度是生活及生产中最基本的物理量，它表征的是物体的冷热程度。
自然界中任何物理、化学过程都紧密地与温度相联系。
在很多生产过程中，温度的测量和控制都直接和安全生产、提高生产效率、保证产品质量、节约能源等重大技术经济指标相联系。
自18世纪工业革命以来，工业过程离不开温度控制。
温度控制广泛应用于社会生活的各个领域，如汽车、家电、材料、电力电子等。
温度控制的精度以及不同控制对象的控制方法选择都起着至关重要的作用，温度是反应釜生产质量的重要指标之一，也是保证其设备安全的重要参数。
同时，温度是影响反应釜内过程和设备效率的主要因素。
基于此，运用现在反馈控制理论对反应釜进行温度控制，满足了工业生产的需求，又可以提高生产力。
目前，在很多国家中温度控制正朝着更小、更智能、更高精度的方向发展。
但我国的温度控制系统的控制性能还不是特别好，控制精度和可靠性均不是特别高。
“点位”控制及常规的PID控制器是现在应用比较广泛，技术比较成熟的控制器，然而它们不能适应对控制性能要求比较苛刻的控制场合，而只能适用于一般常见场合的温度控制，很难控制那些随时间变化明显、控制条件复杂、滞后时间长的控制系统。
总之，国内这方面的技术仍然比较落后。
随着目前工业控制技术的不断进步，人们对现代的工业温度控制系统提出了愈来愈严格的要求，比如，更为智能、更为人性及更高的精度控制，对智能温度控制系统的更深层次的开发研究将会成为必然趋势。
1.2控制策略的选择
在我国HEDP研发和生产已有近四十年历史，制造工艺经历多次研发，为了减小人为操作因素带来的质量、安全等方面的弊端，应利用计算机实现生产过程的智能控制。
本文针对HEDP生产工艺的特点提出采用自适应模糊控制算法和PID控制方法，进行生产过程的智能控制[1]。
（1）对于温度控制:
温度是整个生产过程中最重要的控制指标之一，只要保证每一时刻的温度都在工艺要求的适合值,便可得到合格的产品和较高的收率，温度控制精度越高，产品的质量和收率也就越高，如何保证温度控制的精度?
显然，这是实现生产过程自动控制的关键[1]。
（2）对于真空度控制:
在整个生产控制过程中，在系统中真空度是主要的控制指标之一。
真空度的大小不仅直接影响生产过程的安全性，而且当真空度太大时，乙酰氯溢出速度快，影响反应进程和产品质量。
所以对真空度的控制不容忽视。
如1.1是HEDP工艺流程图。
图1.1HEDP工艺流程图
PID控制可以有效地克服稳态误差，但在控制对象时存在大滞后以及参数发生较大变化无法保证控制系统稳定性。
模糊控制鲁棒性较强，但存在稳态误差[4]。
模糊PID控制将模糊控制和PID控制的优点结合起来，克服了时滞对控制性能的影响，能够较好地控制反应釜内温度。
利用PLC实现模糊-PID控制，保留了PLC控制系统控制灵活、抗干扰能力强等特点。
只须填写缺省参数即可调用PLC内部的PID集成软件，编程快捷方便，充分利用了新型PLC指令丰富、编程灵活的优点[4]。
2课题研究方法和理论
2.1模糊PID反应釜系统控制流程图
根据反应釜工作原理和HEDP生产过程分析反应釜温度控制方法。
采用模糊控制与PID控制相结合的策略通过对真空阀开度和滴加速度的调节来实现反应釜温度控制。
在第一次升温阶段，初期要缓慢升温，否则因温度升高快，反应釜中化学反应突然加速，反应中生成大量的氯化氢气体，使得系统中压力大增，不仅会因泄漏造成空气污染，而且还极易引起玻璃管线（生产所必需）发生爆炸，所以在此阶段采用模糊控制策略，在以后的温度变化过程中当温度变化慢时由控制策略选择程序切换为PID控制减少响应时间，提高控制精度[4]。
同时在整个过程反应中以真空度的变化作为安全预警。
模糊PID反应釜系统控制流程图如图1.2所示。
图1.2模糊PID反应釜系统控制流程图
2.2模糊控制器设计
2.2.1模糊控制器的控制规则
（1）模糊语言变量的确定。
根据语法规则，选择输入输出模糊语言变量的词集对于描述误差和误差变化量等语言变量的语言值一般是“NB，NM，NS，O，PS，PM，PB”各元素的词集[6]。
（2）确定语言值的隶属度函数。
把精确量离散化，并将其由基本论域变换到模糊论域，根据语义规则定义各模糊变量的模糊子集，即形成隶属度函数或模糊变量赋值表。
这里要注意隶属度函数曲线形状对控制性能的影响另外，还要注意使模糊子集分布合理，覆盖整个论域[6]。
隶属度函数可以是连续的隶属度函数曲线，也可以由离散的量化等级形式表示。
三角形函数。
其形状和分布由三个参数表示
（1）
（3）据手动控制经验建立模糊控制规则表。
这里采用的是经验归纳法，遵循的设计原则是误差较大时，控制量变化应尽力使误差迅速减少误差较小时，主要考虑系统的稳定性，防止系统产生不必要的超调，甚至震荡。
（4）模糊推理，对于二维模糊控制器一般有如下条件形式
Ifx=a1andy=b1thenu=c
Ifx=a2andy=b2thenu=d。
其输入量一般为孤立精确点，以此为基础进行模糊推理，它不同于模糊集似然推理方法。
对三角分布隶属度函数，同时考虑工程运算的简便与快速性，拟采用madmin推理法[6]。
根据模糊集合运算理论，在模糊控制问题中，由于得到的输入变量，即误差e和误差变化率ec往往不是一个模糊子集，而是一些孤立的点（如e=x，ec=y）madmin推理法的原理可描述如下:
任取两条推理规则
ife=PBandec=PSthenu=NB。
Ife=NSandec=PSthenU=0
应用madmin极小运算法：
已知e=x，ec=y
（2）
（3）
（4）
根据以上总结出的模糊控制规则，确定并计算模糊控制关系。
（5）
（6）
............................................................
（7）
（5）解模糊。
以上模糊推理的结果一般都是模糊值，需要先转化为执行机构可接受的精确量。
用于被控对象，此过程即为模糊，或模糊判决，即根据模糊推理的结果，求得最能反映控制量的真实分布。
二维型模糊控制器的结构示意图如图2.1所示。
图2.1二维模糊控制器结构示意图
就反应釜温度变化特点而言，考虑到模糊控制器实现的简易性和快速性，通常采用二维模糊控制器结构形式。
此类控制器都以系统误差和误差变化为输入，具有类似控制器的作用，与传统控制相比，在动态响应与抑制系统内部参数变化对系统输出的影响等方面都能取得更好的效果，但有时其稳态性能并不如和控制，系统可能会产生稳态误差和稳态颤振现象，随着被控系统的复杂化，以及控制系统性能要求的提高，同时考虑到模糊控制规则的可调整性及控制性能的优化等问题。
此模糊控制器的功能即是由通过PLC编程实现，具体包括输入量的模糊化，模糊推理和解模糊三个部分。
其中E和EC分别为过程精确偏差值和偏差变化率。
e和ec模糊化后的模糊输入，U为模糊输出量，而为解模糊后的精确输出量。
2.2.2模糊控制表的建立
模糊控制器控制规则设计原则是误差较大时，控制量变化应尽力使误差迅速减少。
误差较小时，主要考虑系统的稳定性，防止系统产生不必要的超调，甚至震荡。
本文采用的是经验归纳法建立模糊控制规则，即根据人的控制经验和直觉推理，经整理、加工和提炼后构成模糊规则系统的方法。
实现上述功能的具有二维模糊控制器的温度控制系统。
e为温差，ec为温差变化率。
选用语言变量为:
{NB，NM，NS，O，PS，PM，PB}，将输入变量量化为7档{-3，3}，隶属函数均取为三角隶属函数，采用49条控制规则。
根据输入语言变量赋值表和控制规则求得控制规则表。
便可得到形如ife=PBandec=PSthenu=NB。
Ife=NSandec=PSthenU=0的一系列模糊控制规则语句，其控制思想非常清晰，如当误差为正大，误差变化率为正小，即误差还在不断增大时，为迅速减小误差，应使控制量迅速减小。
模糊控制表如表2.1所示。
表2.1模糊控制表
e
ec
PB
PM
PS
0
NS
NM
NB
PB
NB
NB
NB
NM
0
0
0
PM
NB
NB
NM
NS
0
0
0
PS
NB
NM
NS
0
0
PS
0
0
NB
NS
NS
0
PS
PM
PB
NS
0
NS
0
0
PS
PM
PB
NM
0
0
0
PS
PM
PB
PB
NB
0
0
0
PM
PB
PB
PB
取“偏差”{e（nT）=[S-y（nT）]}，“偏差变化”{ec（nT）=[y（nT）-y（nT-T）]/t}为两个参数，用以衡量输入特性与希望特性的偏离情况。
其中，S是系统的设定值，y（nT）是过程第n个采样时刻的输出值。
根据输入语言变量赋值表和控制规则求得控制规则表，将其转为具体数值如图表2.2所示。
表2.2控制规则表
e
ec
—3
—2
—1
0
1
2
3
-3
3
3
3
2
0
0
0
-2
3
3
2
1
0
0
0
-1
3
2
1
0
0
-1
0
0
3
1
1
0
-1
-2
-3
1
0
1
0
0
-1
-2
-3
2
0
0
0
-1
-2
-3
-3
3
0
0
0
-2
-3
-3
-3
2.2.3输入量等级量化
根据温度偏差e和温度偏差变化率ec论域所分的等级，将实际温度变化范围分为7档，S7-200的A/D转换模块，误差E（nt）=S-y（nt），S为设定温度，y为实际温度。
而设定值一般是不改变，将反应釜期望温度值设定在30℃。
本文中最高温度50℃。
最低10℃所以温度偏差e的基本论域-20~20℃。
表2.3e对应的模糊等级量化表
e
-20~-15
-15~-10
-10~-5
-5~5
5~10
10~15
15~20
X
-3
-2
-1
0
1
2
3
而故变化率EC为过程变量y（n）与上一次过程变量y（n-1）之差，即:
Ec=（y（n）-y（n-1））/t。
偏差e的绝大部分值处于此区间，高于-20或低于-20的只包括很少几个点，工程上把这些超越界限的值进行边界化处理及高于20的按+20℃运算。
同理，得到偏差ec的基本区域为-7℃/min～+7℃/min。
表2.4ec对应的模糊等级量化表
ec
-7~-5
-5~-3
-3~-1
-1~1
1~3
3~5
5~7
X
-3
-2
-1
0
1
2
3
2.3PID控制器设计
在工业生产过程控制中，常需要用闭环控制方式来实现温度、液位、压力、流量等模拟量控制[15]。
因为PID（比例、积分、微分）调节不需要精确的控制系统数学模型而且易于实现，所以模拟量的PID调节是常见的一种闭环控制方式，工程上易于实现。
积分作用可以消除系统的静差，微分作用有助于减小超调，克服震荡。
比例、积分、微分三者有效地结合可以满足不同的控制要求。
PLC作为一种新型的工业控制装置，在工业控制、生产生活的诸多领域得到了越来越广泛的应用。
利用PLC实现对模拟量PID的闭环控制，具有用户使用方便、可靠性高、抗干扰能力强等优点。
PID是Proportional（比例）、Integral（积分）、Differential（微分）三者的缩写。
PID控制器是将给定值与反馈值之间的偏差的比例（P）、积分（I）和微分（D）通过线性组合成控制量对被控对象进行控制。
2.3.1PID的控制方程如公式
（8）
计算机控制是一种采样控制，常通过中断方式反复调用控制算法，根据测得的反馈值计算输出量.而这一过程是一个离散的过程，所以必须对连续系统进行离散化处理[4].离散化处理的方法是以T为采样周期，K为采样序号，用矩形积分近似代替连续积分，用一阶后向差分近似代替连续微分，离散化后如下：
（9）
（10）
e是给定值和过程变量之差。
Kc为比例系数，Ti为积分时间常数，Td为微分时间常数,Ts为采样时间，Pv过程变量，MX积分前值，SP给定值。
2.3.2PID控制参数
根据离散化公式，系统包含9个用来控制和监视PID运算的参数，在PID指令使用时要构成控制参数表，如表4所示。
西门子S7-200系列PLC中的PID回路指令，如表2.5所示。
表2.5PID回路指令
名称
指令格式
指令表格式
梯形图
PID运算
PID
PIDTBL，LOOP
PID回路指令运用回路表中输入信息和组态信息，进行PID运算，编程及其简单。
该指令有两个操作数：
TBL和LOOP，如图所示。
其中TBL是回路表的起始地址，操作数限用VB区域（BYTE型）；LOOP是回路号，可以是0到7的整数（BYTE型）。
进行PID运算的前提条件是逻辑堆栈栈顶值必须为1.在程序中最多可以用8条PID指令。
PID回路指令不可重复使用同一个回路号（即这些指令的回路表不同），否则会产生不可预料的结果。
回路表包含9个参数，用来控制和监视PID的运算。
这些参数分别是过程变量当前值PVn，过程变量前值PVn-1，给定值SPn，输出值Mn，增益Kc，采样时间Ts，积分时间Ti，微分时间Td和积分前项Mx。
36个字节的回路表格式如图所示。
若要以一定的采样频率进行PID运算，采样时间必须输入到回路表中。
且PID指令必须编入定时发生的中断程序中，或者在主程序中由定时器控制PID指令的执行频率。
使用方法：
当PID指令的端口EN满足执行条件时，PLC就可以进行PID运算。
TBL和LOOP是该指令的两个操作数，前者TBL是回路表的起始地址，这里采用的是VD100，由于共有32个字节会被一个PID回路占用，所以该指令占用了内存地址VD100到VD132。
PID回路在PLC中的地址分配情况如表2.6所示。
表2.6PID控制参数表
地址
变量名
格式
说 明
VD100
PVn
32位实数
过程变量0.0～1.0
VD104
SPn
32位实数
设定值0.0～1.0
VD108
Mn
32位实数
输出值0.0～1.0
VD112
Kc
32位实数
增益，可正可负
VD116
Ts
32位实数
采样时间，单位为s，正数
VD120
Ti
32位实数
积分时间常数，单位为min，正数
VD124
Td
32位实数
微分时间常数，单位为min，正数
VD128
Mx
32位实数
累计偏移量（积分项前值）
VD132
PVn-1
32位实数
上一次的过程变量
2.3.3控制方式
S7-200PLC执行PID指令时为“自动”运行方式。
不执行PID指令时为“手动”方式。
PID指令有一个允许输入端（EN）当该输入端检测到一个正跳变（从0到1）信号，PID回路就从手动方式无扰动地切换到自动方式。
无扰动切换时，系统把手动方式的当前输出值填入回路表中的Mn栏，用来初始化输出值Mn，且进行一系列的操作。
对回路表中的值进行组态：
设定给定值SPn=过程变量PVn
置过程变量前值PVn-1=过程变量当前值PVn
置积分项前值MX=输出值Mn
梯形图中，若PID指令的允许值（EN）直接接至左母线，在启动CPU，或CPU从STOP方式转为RUN方式时，PID使能位默认值是1，可以执行PID指令，但无正跳变信号，因而不能实现无扰动的切换。
3硬件组成
3.1CPU模块
可编程控制器主要由CPU模块、输入模块、输出模块和编程器组成，如图3.1所示。
图3.1可编程控制器基本结构
本论文采用的是CUP224。
它具有24输入/10输出共40个数字量I/O点。
可连接7个扩展模块，最大扩展至248路数字量I/O点或35路模拟量I/O点。
26K字节程序和数据存储空间。
6个独立的30kHz高速计数器，2路独立的20kHz高速脉冲输出，具有PID控制器。
2个RS485通讯/编程口，具有PPI通讯协议、MPI通讯协议和自由方式通讯能力。
I/O端子排可很容易地整体拆卸。
用于较高要求的控制系统，具有更多的输入/输出点，更强的模块扩展能力，更快的运行速度和功能更强的内部集成特殊功能。
可完全适应于一些复杂的中小型控制系统。
S7-200系列PLC中CPU22X的基本单元如表3.1所示。
表3.1S7-200系列PLC中CPU22X的基本单元
型号
输入点
输出点
可带扩展模块数
S7-200CPU221
6
4
0
S7-200CPU222
8
6
2个扩展模块
S7-200CPU224
24
升级会员 