雙容水箱模糊Smith時滯補償控制系統混合實驗平臺設計

蔣建波， 苗愛敏， 李 鵬， 梁竹關， 鄒 勛, 檀 磊

(云南大學 信息學院，云南 昆明 650091)

雙容水箱模糊Smith時滯補償控制系統混合實驗平臺設計

蔣建波， 苗愛敏， 李 鵬， 梁竹關， 鄒 勛, 檀 磊

(云南大學 信息學院，云南 昆明 650091)

設計了一個基于西門子S7-300PLC控制系統和雙容水箱實驗裝置的混合實驗平臺，其涵蓋了控制策略的仿真以及對實際對象的控制。該平臺利用以太網和OPC通信，實現了控制器、被控對象及監測系統之間的數據互聯傳輸，并以模糊Smith時滯補償控制策略的應用驗證為例，使得虛擬仿真和實際驗證有機地融合在一起并能夠靈活、快速地轉換，提高了雙容液位系統控制策略設計的可移植性，解決了系統設計和工程應用之間的脫節問題。

實驗平臺； 雙容水箱； 液位控制； 模糊Smith控制器； OPC

多容液位系統是食品、藥物、飲料、化工等過程工業中最常見的控制對象之一[1],其控制策略大多圍繞水箱的液位進行控制[2-3]。由于多容液位系統是一個多變量、強耦合、非線性的復雜系統,且時滯現象特別嚴重,使得常規PID控制難以達到理想的控制效果,因此多容液位系統成為工業過程控制領域研究和設計的技術難點[4]。

目前,研究多容液位控制系統的實驗方法主要有兩類:一類是基于Matlab等各種仿真軟件對多容液位系統的控制算法進行虛擬仿真驗證[5]；另一類則是采購或自主研發多容水箱實驗裝置,對其順序邏輯及控制策略進行系統驗證。借助多容水箱實驗裝置的方法雖然能夠較好地模擬工業現場的實際情況,但研發周期較長,也不易于靈活、快速地集成先進的控制算法,容錯率低,操作失誤等原因會導致設備使用壽命縮短。基于仿真軟件的方法則不存在操作失誤的風險,可以大膽地對控制策略進行反復驗證,直至達到滿意效果,但模型過于理想化,不利于工程實踐。此外,目前的工業控制過程都是工程設計人員根據控制對象的運行過程和控制需求進行設計和編程,然后再到設備現場進行調試改進,這使得系統設計和工程應用之間仍然存在脫節問題[6]。

因此,本文基于雙容水箱控制系統提出一種包含控制策略仿真和實際對象控制的混合實驗平臺,并以模糊Smith時滯補償控制策略的實現為例,分別對控制策略進行虛擬仿真驗證以及實物現場的調試驗證。通過以太網和OPC通信,實現了將虛擬仿真和實際驗證有機地融合在一起,提高了控制系統設計的可移植性,解決了系統設計和工程應用之間的脫節問題,對工程設計人員進行現場調試和控制策略的驗證具有重要借鑒意義。

1 混合實驗平臺簡介

本文設計的混合實驗平臺組成見圖1。該平臺包含上位監控計算機和操作面板(監測系統)、虛擬仿真計算機(虛擬對象)、以太網交換機、西門子S7-300 PLC(控制器)和水箱系統(被控對象)。

圖1 混合實驗平臺

上位監控計算機基于西門子綜合平臺軟件Simatic Manager、編程軟件STEP7和人機界面組態軟件WinCC flexible搭建而成,主要作用是控制系統的硬件組態、人機界面組態、控制程序編制和動態監控水箱控制系統的控制過程,獲取必要的過程數據與參數,也可以對控制系統中的一些過程參數或設定值進行人工設定。

虛擬仿真計算機基于Matlab軟件和WinCC軟件搭建,主要作用是對控制系統進行建模與仿真,模擬實際控制系統的各種過程參數,同時也可以對所提出的控制策略進行調試與驗證。西門子S7-300PLC支持OPC通信,通過專用OPC服務軟件WinCC實現虛擬對象系統與PLC之間的數據交互[6],在不接外設等情況下即可完成對控制策略的調試與驗證。

操作面板為西門子TP177B彩色觸摸屏,提供了人機交互的功能,可監測系統運行狀態,也可以實現控制參數的設定、系統的啟動停止、緊急制動等。

雙容水箱控制系統主要由上水箱、下水箱、儲水箱、抽水泵、三相電動機、水壓表PS、壓力傳感器PT、電動調節閥EA、流量計FG,以及上下液位傳感器LS1和LS2組成,整個水箱控制系統如圖2所示。可分別選擇水壓、上、下水箱的液位作為被控對象,當選擇上、下水箱的液位作為被控對象時只需保持水壓恒定即可。

當選擇水壓作為被控對象時,由PLC、壓力傳感器、變頻器和三相電動機共同組成一階的閉環控制系統,以壓力傳感器的輸出信號為反饋信號,PLC通過控制變頻器的輸出來調節三相電動機的轉速,從而實現水壓的平衡控制；當選擇上水箱液位作為被控對象時,保持水壓恒定,由PLC、上水箱液位傳感器和電動調節閥共同組成一階的閉環控制系統,以上水箱液位傳感器的輸出信號為反饋信號,PLC通過控制電動調節閥來調節水流量的大小,從而實現上水箱的液位平衡；當選擇下水箱液位作為被控對象時,保持水壓恒定,由PLC、下水箱液位傳感器和電動調節閥共同組成二階的閉環控制系統,以下水箱液位傳感器的輸出信號為反饋信號,PLC通過控制電動調節閥來調節水流量的大小,從而實現下水箱的液位平衡。

圖2 水箱控制系統

液位傳感器、壓力傳感器和電動調節閥直接與PLC的IO口連接,操作面板通過DP總線的方式與PLC相連,上位監控計算機、虛擬仿真計算機和變頻器通過以太網的方式與PLC連接在一起,形成了一個完整的混合實驗平臺。該平臺工作過程如下:

首先,進行控制策略的仿真驗證。使用Matlab的Simulink仿真工具通過OPC通信實現虛擬仿真計算機與PLC的數據互聯,以S7-300PLC為控制器,以虛擬仿真計算機中的系統傳遞函數模型為控制對象,利用所設計的控制策略進行仿真驗證,通過不斷的調試與參數調整,直至達到滿意效果為止。

其次,將上述控制策略運用于水箱系統。該過程即為將虛擬的系統傳遞函數模型轉換為真實的水箱模型的過程。以S7-300PLC為控制器,以雙容水箱系統為控制對象,通過上述的控制策略對其進行控制,并通過上位監控計算機進行實時監控。

通過上述步驟即可實現從控制策略的調試與驗證到將其應用于實際控制系統的無縫對接,解決了系統設計與工程應用之間的脫節問題。

2 控制算法設計

Smith算法由于其計算與控制的簡便性,被廣泛運用于解決滯后對象的控制問題[7]。但常規的Smith預估器需要基于精確的系統數學模型[8-10],在實際運用中系統參數時常會因干擾而變得不穩定[11],很難達到理想控制效果。模糊控制器無需被控對象的精確數學模型,因此考慮將模糊控制和常規Smith預估控制結合在一起構成模糊Smith控制器[12]。

本文選擇下水箱液位作為被控對象,根據上述可知,該系統為一個二階系統。在普通的Smith預估器的基礎上加上模糊控制環節,可使得控制系統達到理想的控制效果。該控制系統的結構見圖3。

圖3 模糊Smith控制系統結構

模糊Smith控制器的結構見圖4(圖中T為延遲時間)。采用目前運用比較廣泛的二維模糊控制器,設定：輸入綜合偏差e的語言變量為E,相應的模糊子集定義為(NB,NM,NS,ZO,PS,PM,PB),論域為(-30,30)；偏差變化率ec的語言變量為Ec,相應的模糊子集定義為(NB,NS,ZO, PS,PB),論域為(-4,4)；輸出量u的語言變量為U,相應的模糊子集定義為(NB,NM,NS,ZO, PS,PM,PB),論域為(-3000,3000),選擇上述變量的隸屬度函數均為三角函數。

圖4 模糊Smith控制器結構

根據現場實際控制情況對模糊規則進行調整,直至達到滿意效果為止,最終達到如表1所示的模糊控制規則。

表1 模糊控制規則表

3 實驗設計及仿真結果

3.1 基于仿真控制策略的實驗設計

由于本文選擇的控制對象是下水箱液位,該系統是一個二階的帶時滯的控制系統,需要利用設計的模糊Smith時滯補償控制策略來對其進行控制。在將該控制策略運用到實際系統之前,需要使用Matlab的Simulink仿真工具對其進行仿真驗證。

第一步,仿真過程需要對控制系統建立模型,運用系統辨識的方式,以階躍信號為激勵,采集被控系統的響應信號。通過Matlab的系統辨識工具箱對采集數據進行處理,得到被控對象的數學模型為

第二步,在Matlab的命令窗口中輸入“fuzzy”,打開模糊工具箱,先分別定義輸入綜合偏差、偏差變化率和輸出的論域和模糊子集,然后根據表1定義模糊控制規則如圖5所示,定義完成后保存為.fis格式,最后使用readfis函數將其讀入Matlab工作空間。

第三步,通過OPC工具建立Matlab與PLC之間的連接。由于WinCC本身就可以作為OPC通信方式的服務器,所以不需要做相應設置,由Matlab完成相應的設置即可,只需在WinCC中設置相應的過程變量和添加實時監測圖即可。首先,在Matlab的命令窗口中輸入“opcregister”完成對OPC服務的注冊,注冊之前需要將計算機中的opcEnum服務停用,否則會注冊失敗,注冊成功后再重新啟用opcEnum服務。其次,從OPC工具箱中拉出仿真需要的3個模塊，即OPC Config、OPC Read和OPC Write。OPC Config的主要功能是設置Matlab與WinCC的OPC服務器之間的連接。OPC Read的主要功能是讀取WinCC傳送過來的設定值。OPC Write的主要功能是將仿真結果傳送到WinCC中進行實時曲線的顯示。最后,需要將WinCC的實時監控畫面激活,通過OPC Config設置Matlab與WinCC的OPC服務器之間的連接,將OPC Read和WinCC中的設定值變量關聯起來，將OPC Write和WinCC中的輸出值變量關聯起來。如果不激活WinCC,Matlab將無法與OPC服務器連接。

圖5 模糊規則定義

第四步,將被控對象的數學模型、模糊Smith控制器、OPC Read和OPC Write連接起來(OPC Config不參與連接),即可形成最后的仿真模型,進而對控制策略進行仿真與驗證。仿真框圖見圖6。通過WinCC對系統的設定值進行設定,同時對仿真過程進行監控。

圖6 Simulink仿真框圖

該仿真的液位設定值為10 cm。圖7為未加任何控制策略的仿真結果(圖中h為液位),出現了較大的超調量和較大的穩態誤差,穩定速度也較慢。圖8加入模糊Smith控制策略后的仿真結果,系統的超調量極小、無穩態誤差,而且能很快達到穩定狀態。因此可以看出本文所設計的控制策略效果顯著,性能優越。

3.2 基于控制實際對象的實驗設計

在經過仿真控制策略的設計與調試驗證之后,就可以將該控制策略應用于實際控制系統中。首先,使用上位監控計算機對整個PLC硬件系統進行組態,對使用的控制策略進行編程,對HMI操作面板進行組態并編輯人機交互界面,該界面包括實時過程值的顯示框、設定值框、實時過程值曲線顯示框、開始和停止按鈕；其次,虛擬仿真計算機使用WinCC建立與PLC的連接,并進行實時過程值監控；最后,啟動整個系統,對控制策略進行現場實物驗證。

圖7 未加控制策略的仿真結果

圖8 模糊Smith控制仿真結果

由于編程軟件STEP7中沒有集成模糊控制模塊和Smith預估器模塊,因此需要對這2個控制模塊進行自行編制。本文使用西門子S7-SCL語言進行編程,它是一種類似于PASCAL的高級語言,由于具有高級命令,將簡化諸如循環和條件分支的編程,因此,ST-SCL 適合于方程、復雜優化算法，或大規模數據管理等的計算。由于STEP7默認支持梯形圖和指令表編程方法,因此需要安裝S7-SCL軟件包方可進行程序編制。編譯完成后,程序會被封裝成功能(FC, Function)或功能塊(FB, Function Block)的形式,在梯形圖編程時可供調用。

Smith預估器的編程實現:由圖4可看出，Smith預估器的核心就是將無時滯的響應信號和有時滯的響應信號進行相減,將相減后的結果作為模糊控制器的反饋信號。由于循環程序處理組織塊是可以固定掃描周期的,因此可根據系統延遲與掃描周期的比例建立一個先進先出(FIFO)的變量隊列,該隊列用于存儲延遲數據。由于本系統的延遲為40 s,因此在開始運行的前40 s內,該隊列存儲的數據都為0,從40 s開始以后該隊列開始存儲數據。S7-300 PLC默認掃描周期為100 ms,因此隊列長度為400。由此就可以利用當前數據減掉隊列里40 s以前的數據從而實現Smith預估器。核心代碼如下:

…… TEMP_40S := DELAY_TEMP[1]; FORi := 1 TO 399 DO DELAY_TEMP[i] := DELAY_TEMP[i+1]; END_FOR DELAY_TEMP[400] := LIQUID_LEVEL; ……

其中,TEMP_40S為40 s以前水箱的液位測量值；DELAY_TEMP為長度為400的數組,用于存儲FIFO隊列中的數據；LIQUID_LEVEL為當前水箱的液位測量值。每經過一個掃描周期,就將數組的第一個元素DELAY_TEMP[1]的值賦給TEMP_40S變量,數組中的其余變量數值均往前移動1位,再將當前測得的液位值LIQUID_LEVEL放入數組的最后一個變量DELAY_TEMP[400]中,這樣就實現了先入先出的隊列。

模糊控制器的編程實現:模糊控制的原理就是根據誤差和誤差的微分的大小來決定模糊控制器輸出值的大小。由于S7-SCL中沒有微分運算,因此需要定義一個變量來記錄上一個周期的誤差,然后用本周期的誤差減掉上一周期誤差，再除以周期即可得到微分。根據表1中的模糊控制規則,使用IF語句來決定模糊控制器輸出的大小,從而實現模糊控制器。核心代碼如下所示:

…… E := SET_POINT-(LIQUID_LEVEL-TEMP_40S); EC := (E-TEMP_BEFORE)*10; TEMP_BEFORE := E; IF E <= -30 AND EC <= -4 THEN FS_OUTPUT := -3000; END_IF …… IF E>= 30 AND EC >= 4 THEN FS_OUTPUT := 3000; END_IF ……

其中,E為模糊控制器輸入誤差；EC為模糊控制器輸入誤差的變化率；TEMP_BEFORE為上一時刻的誤差；FS_OUTPUT為模糊Smith控制器的輸出。

將該程序編譯封裝成一個功能塊(FB)。最后,在循環程序處理組織塊OB1中用梯形圖編程的方法調用模糊Smith控制器功能塊,再加上啟動和停止的程序段,整個程序就編寫完成。

啟動運行整個系統以后,通過上位監控計算機或者HMI操作面板給系統一個設定值(本次設定值為10 cm),然后觀察水箱液位的變化,也可通過上位監控計算機、HMI人機交互界面或者虛擬仿真計算機的WinCC軟件的監控畫面對水箱液位的實時過程進行觀測。通過WinCC觀測的液位變化過程見圖9。可以看出,該控制策略在現場實物控制過程中超調量極小,穩定時間較短,無穩態誤差,穩定后雖然由于傳感器誤差及外交干擾等因素有小幅波動,但幅度不超過5 mm,達到了理想的控制效果。

圖9 實物控制過程中水箱液位實時曲線

4 結論

本文設計的半實物、半仿真的混合實驗平臺,涵蓋了從控制策略的仿真與驗證到該控制策略在實物平臺上的應用,通過OPC和以太網通信,該平臺實現了控制器、被控系統、虛擬對象和監測系統之間的數據互聯,針對雙容水箱液位控制系統多變量、強耦合、非線性、大時滯的不確定性,采用了模糊Smith時滯補償控制策略對其進行控制,既解決了時滯問題,又解決了普通Smith預估器需要精確數學模型的問題。使用表明，該平臺具有準確、實用、方便、可靠等特性,解決了系統設計和工程應用之間的脫節問題,有助于設計人員對控制策略的調試驗證與現場應用。

References)

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[3] 王志剛,虎恩典,王寧. 基于PLC的雙容水箱液位串級PID控制的實現[J]. 電子設計工程,2014,22(22):131-133,137.

[4] 田峰,王宏華. 大時滯系統的一種模糊-Smith控制[J].工業儀表與自動化裝置,2004(1):36-38.

[5] 雷振伍,吳秀冰,孫德輝,等. 基于PCS7和Simulink的過程控制虛擬仿真實驗平臺開發[J].實驗技術與管理,2016,33(1):135-139.

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[12] 王飛,石紅瑞. 模糊Smith控制在PLC的實現及應用[J].控制工程, 2012(19):94-96.

Design of mixed experimental platform for fuzzy Smith time-delay compensation control system of double-capacity water tank

Jiang Jianbo，Miao Aimin，Li Peng，Liang Zhuguan，Zou Xun，Tan Lei

(School of Information, Yunnan University, Kunming 650091, China)

A mixed experimental platform based on Siemens S7-300PLC control system and the experimental device for the double-capacity water tank is designed, which includes the simulation of the control strategy and the control of the actual object. By using the Ethernet and OPC communication, this platform realizes the data interconnection transmission between the controller, controlled object and monitoring system. Taking the application verification of fuzzy Smith time-delay compensation control strategy as an example, the virtual simulation and the practical verification can merge together organically and convert into each other flexibly and quickly, which improves the transportability of strategic designing for the double-capacity liquid level system control, and solves the disjointed problem between the system designing and engineering application.

experimental platform; double-capacity water tank; liquid level control; fuzzy Smith controller; OPC

10.16791/j.cnki.sjg.2017.01.020

2016-07-20

國家自然科學基金項目(61364024)；云南省科技計劃應用基礎研究項目(2014FB112)；云南大學“中青骨干教師”培養計劃項目

蔣建波(1992—)，男，云南保山，碩士研究生，主要研究方向為工業過程控制系統建模及仿真，電力信息物理融合系統

E-mail：1169025982@qq.com

李鵬(1976—)，男，云南玉溪，博士，副教授，主要研究方向為電力系統可靠性分析與維護決策、工業過程控制與優化等.

E-mail：lipeng@ynu.edu.cn

TP273; TP391.9

A

1002-4956(2017)1-0084-06