《工业控制计算机》2006年19卷第7期 I D控制器及在高浓啤酒稀释系统中的应用 PLC实现的模糊P Beer BasedOnPLCand inDiIutiOnOfCOncentrated PI【)COntrOler System Fuzzy Usjng 李敬兆 汤文兵(安徽理工大学计算机系，安徽淮南232001) 摘要 介绍了采用S7—200PLc实现的高浓度啤酒稀释混合配比智能控制系统，对系统的结构、组成、设计思想进行了分析， PLC实现的模糊PlD控制器的程序设计。该系统具有成本低、配比精度高、可靠性高等特点。 并给出了由S7—200 关键词：高浓啤酒，稀释，可编程控制器，模糊PID Abslract 0f 0nS7—200 that contrOI ford№tiOnandmiXtureratiOcOncentratedbeerbased ThispaperintrOducesInte¨igent system on the and ideaaredesc Of PIDcontro¨erbasedS7—200 PLC．The Of rIbed，andprogramfuzzy configuratiOnsystemdesign PLCis has suchas mixtureralio and re¨able． given．Thissystemspecialty economic，high precIsionhighly PID Keywords：cOncentratedbeer，diutiOn，PLC，fuzzy 近年来，我国已有一些厂家从国外引进了高浓度啤酒稀释 2模糊PID控制系统结构与设计思想 监控系统，每套系统投资多在百万元人民币以上，投资较高，为 高浓啤酒稀释配比系统具有严重的滞后性，若采用常规 此安徽理工大学应古井雪地啤酒厂之邀采用两级计算机开发研 PID控制，由于其参数一经选定，不能随情况变化而改变，因此 制高浓啤酒稀释监控系统，使其设备投资大大减少，不仅使高浓 影响控制质量；而模糊控制由于档级有限，单纯使用使得控制精 度啤酒稀释配比系统的性能得到很大提高，还实现人机对话的 度难以保证。为此作者采用了在动态过程中改变PID参数即模 中文化、智能化、图形化等操作。下面主要对该系统的核心部 糊PID控制思想。由于模糊PID控制系统能在控制过程中对不 确定的条件、参数、延迟和干扰等因素进行检测分析，采用模糊 分——基于S7—200PLC实现的高浓啤酒稀释模糊PlD控制 配比系统进行介绍。 推理实现PID参数Ko、■和Td的在线自整定，不仅保持了常规 1 高浓啤酒稀释监控系统的结构 PID控制原理简单、使用方便、鲁棒性较强等优点，而且具有更 高浓啤酒稀释计算机监控系统由两级计算机组成，上位机 大的灵活性、适应性。再加上对原酒和水流量进行累计，且对积 完成智能化的后台管理、系统参数设定、控制及监视等功能；下 累偏差进行补偿控制，从而使配比系统的控制性能显著提高。 位机主要完成系统中各种参数的检测、信息处理和控制功能。 2．1模糊PlD控制系统结构 上位机采用了研华公司PC总线工业控制计算机IPC一 模糊PID控制系统结构主要由参数可调整PID和模糊控 610H，实时显示系统运行信息、故障信息和参数设定；下位机采制系统两部分组成，其结构如图2所示。 用了西门子S7—200可编程控制器，配备了一个CPU模块 CPU226和一个模人／模出模块EM235。系统结构如图1所示。 两台计算机之间采用PC／PPI电缆连接，该电缆实现了IPC和 S7—200间的信息传送，并兼有IPC作编程器对可编程控制器 进行编程的功能。 图2高浓啤酒稀释配EE系统模糊PlD控制器结构 DI／DUAl AU 参数可调整PlD完成对系统的控制，模糊控制系统实现对 图1 高浓啤酒猛然稀释配比控制系统结构图 CPU226为S7—200系列可编程控制器中性能最好的CPU 位置形式为： 模块，其布尔指令执行速度为0．37仙s／指令，具有24路开关量 『 丁上 丁 ] t11 输入、16路开关量输出和2个RS485通讯口，通过PC／PPI电 【 ，J f=0 ’s J 缆很容易将CPU226的RS485通讯口与IPC机的RS232串行 式中：K。为比例系数；一为积分时间常数；Td为微分时间常 口进行通讯。CPU226可外扩7个模块，根据系统要求，在此扩 数；u(k)为调节器的输出；e(k)为偏差值；T。为采样周期。 展了一个EM235模块。EM235为模拟量输入／模拟量输出组合 2．2模糊PlD控制器设计 模块，具有4路12位模拟量输入和一路12位模拟量输出功 根据PID参数自整定原则，用于校正PID参数的模糊控制 能。模拟量输入可选择为单极性或双极性、电压输入或电流输 器采用2输入3输出的模糊控制器，以系统误差绝对值Ief和误 入，其中：双极性电压输入从一25mV～+25mV到一10V～+10V共 PLC有 差变化率绝对值l△eI为输入语言变量。由于S7—200 9级，且可设定模拟量的滤波常数，使用很方便。 万方数据 8 PLc实现的模糊PID控制器及其在高浓啤酒稀释系统中的应用 人指令表的适当地址即可调用PlD指令执行PlD控制，因此取3．1．1输入量的模糊量化及其程序设计 KD、I和Td为模糊控制器的输出语言变量。 根据IeI和I△el论域所分的等级，将实际变化范围平均分为 输入IeI和I△eI的模糊集均取为{ZS M B} 13档，并用量化因子k。、k△e对实测的精确量e和△e进行量化 S M B 输出KD：一和Td的模糊集均取为{Z V} 变换为相应论域的元素。在此使表3 leI及其模糊化论域元素x． 各量含义分别为： 用的A／D转换模块为EM235。 … Ⅸ 经A／D转换后的r和y的取值 Z—Zero(零)；S—Sma¨(／J、)；M—Medium(中)；B—Big(大)； 0～200 0 V—Very 均为0～32000。由于e=卜y，因 Big(很大)。 IeI、I△el的论域取为{0，1，2，3，4，5，6} 此理论上，经A／D转换后的e 200—600 1 K。、■和Td的论域取为{O，1，2，3，4，5，6，7，8} 取值将有可能为一32000～+ 600—1000 2 IeI、I△eI和KD、■和Td的隶属函数均取三角形，IeI、I△eI的32000，然而，实际上仅刚开始 1000～1400 3 隶属函数如图3a)所示，KD、I和Td的隶属函数如图3b)所示。起动时e可能达32000外，一 I叫、l出1 岛、嚣和如 般e的取值要比上述范围小得 1400一1800 4 多。在此，将e的取值为一 1800—2200 5 2400～+2400，贝0IeI为0一+ ≥2200 6 2400，量化因子 论域 论域 — 7 厶，一6一a一6—0 (4) “9一B吨一24D0—0—4万 图3 IeI、l△el和K。、一、Td的隶属函数 对e具体量化时，我们采取如下办法： 按照上述PID参数的整定原则以及对高浓度啤酒稀释配比 1)kee)(0+d／2时，将kee量化为)(05 控制系统的控制过程和操作经验分析可得模糊控制规则如表1 所示。 3)kee×n-1+d／2时，将kee量化为X。； 表1模糊控制规则 上述d=(×h+1一×h)／2。 Z S M B leI及其模糊化论域元素X；如表3所示。 X Z zfz亿 S／M／S M／B／M B，V／B 幅输入量l△eI的模糊量化程序略。 S NszB，M，S M，V／M B，、侣 M Y『sfz B／s肺 M倍I／B 啪／V ／／子程序：SBR一1 LD SMO．O／／系统得电．SMO．0=ON B BfzfzM／S，z S／B／M S，V／S MOVR 1．0．VD300／／设定值存人VD300 ITDA1w0．AC0∥采集实际值 表1中的模糊控制器的规则可写成下列条件语句形式，即 DTRAC0，VD304 ／／转换为实数存入VD304 if Ie andI△e or or I=Ai I_B}thenTi Kp Td=CII MOVR VD300，VD308∥e=设定值一实际值 (．-1，2，…，n；j_1，2，…m) 一R VD304．VD308／／存入VD308 其中A、B。和Ci是定义在IeI、I△eI和Kp、I、Td的论域×、Y、LDD= VD308，一200／／若200e=一200． Z上的模糊集。 ADVD308．+200／／则Wv360=0 R=u At×Bl×cH t2、 MOVW+O．VW360 U 当I虬I△e1分别取模糊集A、B时，根据模糊推理合成规则 LDD= VD308，一2200／／若一1800e=一2200 可得K。一、Td为 ADVD308，一1800／／或Kaiyun研究所2200e=1800， 性似x剀只 (3) AD= VD308，+1800／／则VW360=5 根据输入量J虬J△eJ模糊量化后得到的xi、Yj，可计算出Kp ADVD308．+2200 相应的Zm对×、Y中元素所有组合全部计算出相应KD的输出MOVW+5．VW360 值，可得模糊输出K。的模糊控制表如表2所示。 LDD VD308，一2200／／若e一2200 表2 KD的模糊控制表 AD= VD308，+2200／／或e=2200， 0 1 2 3 4 5 6 MO＼^～+6，VW360／／则悯60=6 必 3．1-2模糊控制表查询的程序设计 0 O l 3 4 5 6 7 1 6 6 5 3 3 5 7 为O～8。可用数据传送指令在初始化时将Z，，逐行地依次存储在 2 6 5 5 4 4 6 7 3 7 6 4 5 6 7 8 4 8 7 6 5 6 7 8 差和误差变化的论域元素X和Y，查得Z．、元素的相对位置为： 5 6 5 4 4 5 6 7 6 4 4 3 3 2 2 1 3模糊PID控制器PLC程序设计 控制表的程序设计见子程序SBR一2。 3．1模糊控制器的程序设计 ／／子程序：SBR一2 模糊控制器的程序设计主要分输入量的模糊量化、模糊控 LDNSMO．0 制表查询和模糊控制器输出去模糊化三步。 MOVWVW360，AC0／／VW360(Xi)。7 万方数据 《工业控制计算机》2∞6年19卷第7期 9 ’l +7，ACO／／+VW460(Yi)存入VW470 表4 PID阐路表的格式 Ⅺ0VW蝴∞。V褥470 僚移逡缝 变鬃名 描述 +I ACO．VW470 0 实际值(y) 必须在O0～lO之间 期0VW VW470，芦￡鼯“／／、捌燃70存入Aco 4 绘定蕊国 必缎在O．O～l+O之闻 +I +600。ACO／／(AC0)+6。o 8 输出值(u) 必颡在O．O～1．O之间 ITD AC0，Ac0／／转换为实数存人ACl 12 比例系数(‰) 可破负 DTR+ACO．ACl 16 采襻时淘(T；) 擎镪秀移，凳正 20 积分时间(T0 单位为分钟。为正 MOVR ’ACl．VD500／／查表存人VD500(Z11) 24 微分时闯(Td)单锻为分铮，为正 MOVWVVV470．ACO 定时中断服务程序执行PID指令。中断程序通过调厢子程序1— +l +700，AeO／／(盎C0)+7∞ 3装入比侧系数、积分时耀霸微分时闯，然嚣执行P10指令，彳昙 lTDACO，ACO／／转换为实数存人ACl DTRAco．Ael 别见主程序main定时中断O服务程序IN丁二．0。 MOVR 。ACl。VD508∥查寝存入VD508(Z13) ／／主程序：main 3．1．3模糨控制器输出去模糊化稷序设计 LD SMO．1 ／／上电第一扫描周期SMO．1=ON MOVR 控制量的去模糊化较为方便，把由裘2查潞的控制量模襁 1．O。VDl04／／装入设定值{oo％ MOV只0．1，VDll6∥装入采样时间O．1秒 集论域中的zl，乘以比例系数的比例因子k1，即K+。=k，五，，便可 得蓟实际的院铡系数K‘。，根据高浓啤酒稀释配鲍系统的特点襁 MOVB约0，SⅪ鹳4∥定辩孛凝0阕蕊秀1∞m$。 A1℃H INL0，10／／允许中断 经验，比例系数一般取0—100，因此，比例因子k产100／8=12．5， ／／定对孛凝O骚势程痔：lN下二叠 所阪}’o-12．5Zfl栩应地，积分时间常数T}一觳瑕0～∞m{n，徽 LD SM0．O 分时间常数Td一般取0—4min，从而得秘分时间常数Ti的比例 CALL ／／调子程序1 S8R一1 因子如=6∥8=7．5，所浚P_7．5Z睫；镞努时阕常数Td鹣笼啻l嚣 CALL SBFl-2∥调子程序2 子k3=4／8=O．5，所以T。a=0．5 ZB。模糊控制器输出‰、Ti和Td CALLSBR--3∥调子程序3 去攘赣纯程痔冤子耩序S8疑-3。 MOVR、，D3潞．VDl00 ／／子程序：SBR_3 ／R 32000．0，VDloO／／实际值标准化存入Table表 L0S酗0。O／／系统支邀，SⅪ0。O一壹势0N 列转 V转{∞，0 ／／撬餐翻0 MOVRVD500．V0112／／VD500。12．5 MOVR V0108，AC0／／把输出值送入累加器ACO ’R 12 12。5，VDl ／／嚣入VDl12《Kp) 。靛 32。∞。O，Ae8／／AeO为赛l度壤O一32000 MOVRVD504．VDl20删D504’7．5 ROUND ACO．ACO／／把实数转换为32位熬数 。R 7．5，VDl20／／存入VKaiyun研究所Dl20(丁i) D11 A{。o，ACO／／撼32位熬数转为16位整数 酣0V张 VD508。VDl24／／VD508毽．5 MOVW ACO．A10V姻／／送黧D，，A转换器输穗 ‘R O．5．VDl24∥存入VDl24(Td) 4结束语 3．2参数霉清整Pl转程痔设诗 高浓啤酒稀释配磁系统采用了横糊PlD控制，经检测，配跑 S7—200PLC的PID网路指令(包含比例、积分、微分回路) 是瀑来遂符嗣0运算懿，该撸令有琵个操佟数：弘8巨秘 稀释磊瓣啤潘浓度优予莺家标准。 LOOP。其中TAB惟是回路表的起始地址，由此地址开始依次 存款PlD控麓器豹务拿参数。∞0P是露嫠号，蕊拨是0爨7戆 参考文藏 整数，即一个程序最多可以有8条PlD指令。回路表中的参数用 [1]李士鹦．模糊控制、神缀控制和智能控制论[M]．2版．哈尔滨：哈尔滨 来控键穰婺褫PD运算。这些参数均失实数，翔裘4掰示。 工韭大学出羧睾圭，1998 系统上电执行主程序，首先进行初始化，在第一个搠描周期 [2]王风勤．高浓度啤酒稀释工艺嶷践[J]．酿酒科技，1997．3 装入绘定镶、采榉时阕(这爨PlD瓣路表的霆鲶地址为 VDl00)，并评中断。为了诚PID逡算以预想的采样频率工作，厢 万方数据 PLC实现的模糊PID控制器及在高浓啤酒稀释系统中的应用 作者： 李敬兆， 汤文兵 作者单位： 安徽理工大学计算机系,安徽,淮南,232001 刊名： 工业控制计算机 英文刊名： INDUSTRIAL

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