基于PLC的中央空調模糊自適應PID監控系統

周靖靖，徐 健，張能偉，聶銀燕

（西安工程大學 電子信息學院，陜西 西安710048）

常規PID控制是過程控制中應用最為廣泛的一種控制規律，具有原理簡單、使用方便和穩定等特點。但常規PID在控制過程中的參數都是固定不變的，若用于調節中央空調這樣具有非線性、不確定性、滯后性和干擾性等問題的系統[1]，常規PID控制很難達到控制精度。

因此，本文針對中央空調系統將PID和模糊控制相結合，提出了模糊自適應PID控制。模糊控制是用語言歸納操作人員的控制策略，運用語言變量和模糊集合理論形成控制算法的一種控制。模糊控制不需要建立對象的精確數學模型，只要求把現場操作人員的經驗和數據總結成比較完善的語言控制規則，因此它能繞過對象的不確定性、不精確性、噪聲、非線性、時變性以及時滯等影響。模糊控制系統的魯棒性強，尤其適用于非線性、時變、滯后的系統的控制[2]。但是傳統的模糊自適應PID控制初始參數是人為給定的，不能從系統中自動得到[3]，因此本文的創新點在于在傳統模糊自適應PID控制基礎之上增加辨識結構和Bang-Bang控制，對傳統的模糊自適應PID控制初始值進行優化。

然而模糊自適應PID算法不能與現場設備進行直接連接和控制，因此，將模糊自適應PID控制和PLC進行結合，利用兩者的優勢進行智能控制，使系統達到較為理想的控制效果。

1 系統的控制策略

利用MATLAB實現模糊自適應PID控制，Step 7進行PLC編程，組態軟件WinCC監控，對系統實現智能控制。系統的控制策略為：PLC采集到的實時數據通過數據交換傳給MATLAB進行計算處理，再將運算處理的結果傳給下位機PLC，由PLC輸出模塊輸出控制信號，實現過程控制，利用WinCC監控實現遠距離自動、手動控制。充分發揮3種控制規律的優點，達到較為理想的控制效果。

2 中央空調的組成及原理

中央空調系統由冷凍水循環系統、冷卻水循環系統和制冷劑回路組成，其工作原理如圖1所示[4]。

圖1 中央空調的工作原理圖

（1）冷凍水循環系統

冷凍水泵將冷凍水送到各風機風口的冷卻盤管中，由風機吹送冷風，達到的冷卻空氣的目的。

（2）冷卻水循環系統

冷卻水泵將吸收熱量后的冷卻水送到冷卻塔上，由冷卻塔風機對其進行噴淋冷卻，與大氣進行熱交換。冷卻后的冷卻水被送到冷凝器去吸收制冷劑釋放出的熱量。

（3）制冷劑回路

制冷劑回路是中央空調系統的心臟。在蒸發器中，制冷劑和冷凍水發生熱量交換，將冷凍水制冷，制冷劑吸收熱量后蒸發；在冷凝器中，蒸發后的制冷劑和冷卻水發生熱量交換，制冷劑釋放熱量，被冷卻循環水帶走。

3 模糊自適應PID控制器的設計

3.1 模糊自適應PID控制系統的設計

本文提出的模糊自適應PID控制是在傳統模糊自適應PID控制基礎之上添加Bang-Bang控制和辨識結構。通過對中央空調系統的分析，設計的模糊控制自適應PID控制器的結構圖如圖2所示。

圖2 模糊自適應PID控制結構圖

在系統控制的初始階段，Bang-Bang控制作為引導控制，辨識結構在該階段得到的信息對被控對象進行辨識，在此階段結束時，辨識出系統模型參數整定出PID控制參數的初始值，然后切換控制開關（開關切換的規則是：如果|e（t）|>=α×γ，則由 Bang-Bang 控制，否則由Fuzzy PID 控制，其中 γ 為系統設定值，α（0＜α＜1）的選取保證Bang-Bang控制能為辨識結構提供足夠的信息[5-6]），轉換到模糊自適應PID控制。以當前系統誤差e（t）和誤差變化率 ec（t）作為模糊控制器的 2個輸入，利用模糊控制器 （包括模糊化、模糊規則、模糊推理和反模糊）對PID參數 kp、kd、ki進行在線調整，滿足不同 e和 ec對控制器參數的要求，從而使被控制對象具有良好的動態性能和靜態性能。

模糊自適應PID控制的算法為：

其中，u（t）為控制器的輸出量；e（t）為誤差；ec（t）為誤差變化率；kp為比例系數，其作用是減小偏差；ki為積分系數，其作用是消除靜差，提高系統的無差度；kd為微分系數，其作用是加快系統的動作速度，減少調節時間。

3.2 模糊化

將輸入變量數值用模糊語言變量的語言模糊化處理，以實現調節和控制作用。將語言變量e和ec的論域為（-3 3），溫差 e和 ec定義 7個模糊子集{負大（NB），負中（NM），負小（NS），零（0），正小（PS），正中（PM），正大（PB）}，即劃分 7 個等級。

設 e、ec、kp、ki、kd均服從正態分布，因此可得出各模糊子集的隸屬度，根據各模糊子集的隸屬度復制表和各參數模糊控制模型，應用模糊合成推理設計PID參數的模糊矩陣表，查出修正參數代入下式計算。

其中 kp、ki、kd是 PID 3 個控 制器參數的當前取值，kp′、ki′、kd′是 PID 控 制 器 的 初 始 值 ，Δkp、Δki、Δkd是 PID 控 制器的修正值。

3.3 模糊規則的設計

模糊控制設計的核心是建立合適的控制規則表，得到 kp、ki、kd3個參數的控制規則表，如表1所示。

表1 模糊控制規則表（Δkp/Δki/Δkd）

模糊控制規則表建立之后，根據模糊控制器的原理，對PID參數在線自校正。

在線運行過程中，系統通過對模糊邏輯規則的結果處理、查表和運算，完成對PID參數的在線調整，其工作流程圖如圖3所示。

圖3 在線自校正工作流程圖

4 系統仿真

4.1 系統函數

在中央空調的控制過程中，通過泵和風機調節室內的溫度和濕度，而對溫度和濕度的控制又受到很多因素的影響，存在著非線性、不確定性、滯后性和干擾性等問題。

因此設系統的傳遞函數為：

根據建立的數學模型，運用MATLAB中的S函數編制仿真程序。采樣時間為1 ms，輸入信號為階躍信號，在第500個采樣時間時控制器輸出1.0的干擾，運用MATLAB7.0工具對系統進行仿真。

4.2 仿真結果分析

模糊自適應PID控制仿真圖如圖4所示，常規PID控制仿真圖如圖5所示，kp的自適應調整如圖6所示，ki的自適應調整如圖7所示，kd的自適應調整如圖8所示。

圖4 模糊自適應PID控制仿真圖

圖5 常規PID控制仿真圖

圖6 kp的自適應調整

圖7 ki的自適應調整

圖8 kd的自適應調整

從圖4可以看出，在第500個采樣時間時控制器輸出有一定的波動，但是很快地使系統恢復到穩定狀態，說明模糊自適應PID控制具有較強的抗干擾能力和很強的魯棒性，使系統的調速性能大大提高，在一定程度上克服了常規PID控制的弊端，從而提高了系統的控制效果。

從圖4、圖5的仿真結果可以得出，模糊自適應PID控制的優點比較明顯，系統的上升時間較短，超調量較小，調整的時間相對縮短，震蕩次數較少。

從圖 6、圖 7、圖 8完成了對 PID參數在線調整，滿足要求，將本方法用于中央空調這個滯后、不確定、多干擾系統的控制是可行的。

5 軟件的設計

5.1 下位機的設計

下位機的程序系統包括冷/熱水系統控制程序、新風機組控制程序、空調機組控制程序和風機盤管控制程序4大部分。利用Step 7 5.4進行編程，由于有很多算法在功能和結構上是非常相似的，因此編程時盡量使用結構化編程思想，把各種功能相同的程序封裝成標準的功能模塊（FC/FB）后共用，從而優化程序。

5.2 上位機的設計

根據系統的要求，本文選用組態軟件WinCC，它支持 TCP/IP協議和 OPC（OLE for Process Control）標準。利用WinCC的變量管理器、圖形編輯器和報警記錄等各種功能組態監控系統的人機界面，界面主要包括登錄界面、主控系統和水泵界面等。

從系統首頁界面可以進入其他監控畫面，各個界面之間也可以相互切換。從上位機的監控畫面可直觀觀察現場設備的運行狀態，直觀地觀看到數據的變化。

6 MATLAB和PLC之間的通信

MATLAB 7.0以上的軟件含有OPC工具箱，OPC是一種用于過程控制的對象鏈接與嵌入OLE（Object Linking and Embedding）接口，OPC以其獨有的開放性、互聯性、高效性在產業控制中占有主導地位。OPC采用客戶/服務器體系 （C/S），在客戶和服務器之間建立通信，實現動態數據的交換。

針對中央空調系統，選用MATLAB作為OPC的客戶端，組態軟件WinCC作為OPC的服務器，由于現場設備的分散性，控制室和現場設備距離較遠，上位機和下位機之間選用過程現場總線（Profibus）。MATLAB與PLC的過程控制結構如圖9所示[7]。

圖9 MATLAB與Wincc過程控制結構圖

本系統以西門子PLC S7-300作為下位機對現場數據進行采集，以組態軟件WinCC為下位機數據總控平臺，通過OPC接口和Profibus總線把現場信號和MATLAB方便地連接起來，實現PLC采集到的實時數據通過數據交換傳給MATLAB進行計算處理，再將運算處理的結果傳給下位機PLC，由PLC輸出模塊控制信號，實現過程控制，利用WinCC監控實現遠距離自動和手動控制。

針對中央空調系統存在非線性、不確定性和干擾性等問題，本文提出了模糊自適應PID控制，克服了常規PID的缺點，并通過MATLAB進行了仿真。仿真結果表明，模糊自適應PID控制具有響應速度快、該超調量比較小、抗干擾能力較強和魯棒性較好的優點，將該方法用于中央空調系統是可行的。但是MATLAB不能與現場設備直接連接，因此將MATLAB和PLC控制相結合，利用OPC技術實現MATLAB和PLC之間的動態數據交換，達到智能控制的目的。其為實踐奠定了堅定的基礎，對中央空調的舒適和節能運行具有指導意義。

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