專業(yè)自動化基于PLC的液位模糊控制系統(tǒng)設(shè)計摘要：常規(guī)PID由于控制器算法簡單、魯棒性強、穩(wěn)態(tài)無靜差、可靠性較高等顯著特點，一般應(yīng)用于工業(yè)控制領(lǐng)域，特別是在建立精確數(shù)學模型的控制系統(tǒng)中常常被應(yīng)用。但是常規(guī)PID在工作環(huán)境發(fā)生變化和系統(tǒng)參數(shù)中常常不能獲得良好的控制效果。同時因為液位控制一般具有大慣性、純滯后的顯著特點，所以液位變化比較緩慢，且大多數(shù)系統(tǒng)呈非線性狀態(tài)，因此一般比較難找到適合系統(tǒng)所需要的的PID參數(shù)?；谥R，模糊控制系統(tǒng)給我們帶來了新的思路。在本課題中，首先通過了實驗的方法來建立用水箱來完成液位系統(tǒng)控制的數(shù)學模型，根據(jù)具體的控制要求，利用西門子PLC設(shè)計出了液位控制系統(tǒng)，在系統(tǒng)中使模擬控制應(yīng)用于主調(diào)節(jié)器，比例控制應(yīng)用于副調(diào)節(jié)器。除此之外，根據(jù)液位控制系統(tǒng)，選擇合適的隸屬度函數(shù)，設(shè)計出模糊控制器，之后再根據(jù)函數(shù)計算出模糊控制表，然后使系統(tǒng)設(shè)計能夠在MATLAB中實現(xiàn)仿真。最后在本課題中，將設(shè)計好的控制系統(tǒng)在具體的控制裝置中進行實驗。在西門子博圖軟件中，設(shè)計出了基于S7-1200PLC的模糊控制算法；并且在WinCC組態(tài)軟件中實時監(jiān)控。在最后得出和實際相差無幾的數(shù)據(jù)，得出的結(jié)果表明，模糊控制具有很好的控制效果和動態(tài)性能。關(guān)鍵詞：PLC,PID控制,模糊控制

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ManagementSystemAbstract:Duetotheadvantagesofsimplealgorithm,strongrobustness,nostaticerrorinsteadystateandhighreliability,conventionalPIDisgenerallyusedinthefieldofindustrialcontrol,especiallyinthecontrolsystemwithaccuratemathematicalmodel.However,conventionalPIDcannotgetgoodcontroleffectinthechangeofworkingenvironmentandsystemparameters.Atthesametime,becausetheliquidlevelcontrolisgenerallycharacterizedbylargeinertiaandpurelag,theliquidlevelchangesslowly,andmostofthesystemsarenonlinear,soitisgenerallydifficulttofindthePIDparameterssuitableforthesystem.Basedonknowledge,fuzzycontrolsystembringsusnewideas.Inthisproject,firstly,themathematicalmodelofliquidlevelsystemcontrolbywatertankisestablishedbyexperiment.Accordingtothespecificcontrolrequirements,theliquidlevelcontrolsystemisdesignedbySiemensPLC,inwhichtheanalogcontrolisappliedtothemainregulatorandtheproportionalcontrolisappliedtothesecondaryregulator.Inaddition,accordingtotheliquidlevelcontrolsystem,selecttheappropriatemembershipfunction,designthefuzzycontroller,thencalculatethefuzzycontroltableaccordingtothefunction,andthenmakethesystemdesigncanbesimulatedinMATLAB.Finally,inthisproject,thedesignedcontrolsystemwillbetestedinaspecificcontroldevice.InSiemensbodusoftware,afuzzycontrolalgorithmbasedons7-1200PLCisdesigned,anditismonitoredinWinCCconfigurationsoftwareinrealtime.Atlast,wegetthedatawhichisalmostthesameastheactualdata.Theresultshowsthatthefuzzycontrolhasgoodcontroleffectanddynamicperformance.KeyWords:PLC,PIDcontrol,fuzzycontrol基于PLC的液位模糊控制系統(tǒng)設(shè)計鹽城工學院本科生畢業(yè)設(shè)計說明書(2020)目錄TOC\o"1-3"\h\u12031.概述 12631.1課題背景 1121491.2課題來源及價值 183501.3課題主要內(nèi)容 2255312.系統(tǒng)分析與建立水箱模型 2293842.1液位控制系統(tǒng)的組成 2102142.2建立水箱模型 3244323.常規(guī)PID控制和模糊控制 4315053.1PID控制 4196113.1.1比例環(huán)節(jié) 5269203.1.2積分環(huán)節(jié) 593973.1.3微分環(huán)節(jié) 5123873.2模糊控制 5155003.3液位模糊控制器 630523.3.1模糊控制器結(jié)構(gòu) 6322343.3.2隸屬度函數(shù) 652523.3.3建立控制規(guī)則 792564.控制系統(tǒng)的硬件組態(tài)和軟件調(diào)試 8285014.1液位控制系統(tǒng)硬件組成 85634.1.1計算機 811134.1.2PLC 8178794.2模糊PID的各項程序塊 92554.3模糊控制軟件設(shè)計 926404.3.1設(shè)備組態(tài) 9207254.3.2IP地址定義 9236604.3.3變量定義 10179844.3.4編程界面 1094204.4控制算法流程 11130594.5WinCC監(jiān)控系統(tǒng)組態(tài) 12207314.6試驗調(diào)試和分析 1327335.雙閉環(huán)液位串級系統(tǒng)仿真 1367755.1液位串級系統(tǒng)在Simulink中的仿真 1334285.1.1常規(guī)PID控制系統(tǒng)的仿真 147465.1.2模糊控制系統(tǒng)的仿真 14224965.2兩種控制器性能的比較 1659116.結(jié)束語 1817178參考文獻 1922091致謝 206777附錄 2119035附錄1程序清單 21PAGE22PAGE21基于PLC的液位模糊控制系統(tǒng)設(shè)計概述1.1課題背景工業(yè)部門的大部分行業(yè)都會有液體檢測，但液位變量存在不穩(wěn)定、延遲、復雜性、可變性等問題。因此，本課題應(yīng)采用更準確的控制方案來檢測液體，傳統(tǒng)的液位控制存在速度緩慢、精密度低、誤差大等問題，一個穩(wěn)定的檢測系統(tǒng)可以解決這些問題。為了確保工業(yè)生產(chǎn)安全，提高生產(chǎn)效率，充分利用能源，提高工業(yè)生產(chǎn)的經(jīng)濟價值，去進行這樣的一個實驗是很有必要的。市場競爭越來越激烈?？刂萍夹g(shù)必須進一步發(fā)展。上世紀的控制技術(shù)已落后，已經(jīng)不能滿足現(xiàn)在的工業(yè)控制了。這個時候PLC的出現(xiàn)將滿足人們對先進的技術(shù)的需求。PLC系統(tǒng)更加高效、集中。近幾年來，控制系統(tǒng)在各個領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，研究開發(fā)也越來越成熟。生活中的各個地方都可以見到控制的身影。液位控制系統(tǒng)是工業(yè)生產(chǎn)中最為普遍的，常見的水庫，化工廠，污水處理廠中都有用到液位控制。因此先進的液位控制可以帶給人們很大便利。目前最先進的液位控制可以實現(xiàn)機器自動控制，而工作人員就只需要查看監(jiān)視畫面，并調(diào)節(jié)閥門就可以精確的控制液位，再也不需要去接觸那些潛在的安全隱患，這就大大的改善了工作效益，并使得工作變得簡單效率也就提高了。近幾年來，自動化理論的發(fā)展和國外先進的設(shè)計方法的出現(xiàn)給國內(nèi)液體控制系統(tǒng)的發(fā)展帶來了巨大的鼓勵。有了日本、德國、美國等國家的先行實例，因此開發(fā)于出了一些性能優(yōu)良、執(zhí)行性強的液體調(diào)節(jié)裝置。隨著模塊的擴展，新型液位控制器容納了現(xiàn)代控制、自動調(diào)整、自適應(yīng)控制、模糊控制、計算機控制、人工智能等復雜的控制技術(shù)。這大大擴展了液位控制的應(yīng)用范疇。雖然外國的液位控制系統(tǒng)已經(jīng)成熟，并被廣泛應(yīng)用于國外生產(chǎn)生活的各個領(lǐng)域。但中國液位控制的發(fā)展仍然不樂觀。我國大部分液體調(diào)節(jié)器依舊采用一般的PID控制，這種控制已經(jīng)落后，并帶有缺陷，不能適應(yīng)復雜，有多種干擾的情況。最為致命的是常規(guī)PID控制的調(diào)節(jié)耗時特別長。目前，一些先進的控制系統(tǒng)，例如智能和自適應(yīng)控制系統(tǒng)，在國內(nèi)還不成熟，這導致需要從國外進口大量這樣的控制器。因此，優(yōu)先開發(fā)先進的控制器已成為國民生產(chǎn)中最重要的任務(wù)。1.2課題來源及價值于工業(yè)生產(chǎn)內(nèi)，液位操控為一個特別寬泛及普遍的控制參數(shù)。但，傳統(tǒng)的純正機器電路操控或者人力手動操控凸出出眾多缺陷，像精密度低，靈敏度低及速度慢，這個遠早已未能符合當今工業(yè)前進的需要。于這種狀況下，引入一種新式的控制元件PLC可編程推理控制器，可以廣泛應(yīng)用在自動化操控裝置的各個領(lǐng)域。其整合傳統(tǒng)繼電控制技術(shù)、通訊科技及計算機技術(shù)。其擁有運轉(zhuǎn)可靠性強、靈敏便捷、控制能力高、適當長久持續(xù)運轉(zhuǎn)、非常適合操控液位變量等特征。于工業(yè)流程操控內(nèi)，有著很多非線性、時滯之繁雜控制系統(tǒng)，這些系統(tǒng)很難創(chuàng)建準確的數(shù)學模型，或無法創(chuàng)建準確之數(shù)學模型。傳統(tǒng)的操控原理及操控方式遭到挑戰(zhàn)。近些年，對這個類型繁雜操控提出過很多優(yōu)秀的操控方式。此中某個就是模糊控制。及常規(guī)的PID操控方式對比，模糊比PID操控，它沒有數(shù)學模型，響應(yīng)速度迅速，超調(diào)微小，動態(tài)反應(yīng)品質(zhì)容易，魯棒性高之特征。采用這種控制算法采用在S7-1200，穿過應(yīng)用言語編程及梯形圖，達到做到給雙容水箱液位操控。液位操控可處理工業(yè)生產(chǎn)內(nèi)碰到之某些疑難，像食物加工、飲料罐、醫(yī)藥研發(fā)、都市供水、污水處理、原油運送等第產(chǎn)業(yè)于生流程內(nèi)要求操控之某些工業(yè)介質(zhì)的液位。液位操控亦為液位操控的主要方式。液位操控于化工、醫(yī)藥、煉油、發(fā)電、造紙、輕工、冶煉等第工業(yè)部門表述著主要功能，給推動國民經(jīng)濟的如日中天亦有著主要功能。液位的操控關(guān)涉流程繁雜，高安全性，巨大軟件及給自動控制的更加強需求的目標。給液位操控的深入研究可輔導工業(yè)液位操控的原理分析及現(xiàn)實采用。于已往的工業(yè)生產(chǎn)流程內(nèi)，人民平常穿過不變液位電門達到操控液位。當液位抵達必定高時候，電門把自行關(guān)或者斷開用操控液位。隨之自動化的連續(xù)前進，于工業(yè)內(nèi)的很多狀況下面，存在必不可少持續(xù)地操控液位并且時時觀測液位的高度。為著補救現(xiàn)有液位操控方式的欠缺，分析完根據(jù)模糊控制原理的PID控制算法于PLC控制系統(tǒng)內(nèi)采用。這個系統(tǒng)全部符合產(chǎn)業(yè)液位控制系統(tǒng)的需要。其算法能夠帶給工業(yè)生產(chǎn)帶給準確的操控，在如此一個高效的社會擁有很大的應(yīng)用價值。1.3課題主要內(nèi)容1）本課題以水箱作為分析目標，水箱的液位為探究量。選取串級控制是因為可以提高調(diào)節(jié)過程的動態(tài)性能。被控對象的模型是根據(jù)液位控制的特點通過實驗法來建立。2）分別設(shè)計了常規(guī)PID和模糊控制的系統(tǒng)來進行比較。依據(jù)液位控制的特征，規(guī)劃了控制規(guī)則并選擇了隸屬度函數(shù)來完善系統(tǒng)。3）常規(guī)PID和模糊控制通過西門子S7-1200來進行編程實現(xiàn)，然后利用WinCC組態(tài)來對系統(tǒng)進行監(jiān)視，做到液位的實時控制。4）通過Simulink來對兩個系統(tǒng)進行仿真并對比，以此來得到可靠結(jié)果。2.系統(tǒng)分析與建立水箱模型2.1液位控制系統(tǒng)的組成本課題研究了雙容水箱的液位控制即串級液位控制，此控制系統(tǒng)由上水箱，下水箱，控制器，液位變送器，電動調(diào)節(jié)閥，手動閥，水泵等組成。電動調(diào)節(jié)閥的功能是控制進入上水箱的入水量，液位變送器的功能是檢測水箱顯示的液位?？刂破魇怯脕砜刂齐妱诱{(diào)節(jié)閥的?？刂葡到y(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)圖如圖2-1所示。圖2-1液位串級系統(tǒng)控制圖一個從最少兩個控制器串聯(lián)構(gòu)成的繁雜控制系統(tǒng)是一個串級控制系統(tǒng)。串級控制系統(tǒng)為由主回路及副回路構(gòu)成的，主回路為定值控制系統(tǒng)。主參數(shù)的選定要求擁有充足的靈敏度，而且要求正確的合乎工藝的流程。二次回路應(yīng)當涵蓋流程內(nèi)的較大頻率及大面積的攪擾?？梢钥闯?，串級控制系統(tǒng)存在遏制擾動實力高，調(diào)整速率迅速的特征。此結(jié)構(gòu)圖提高了系統(tǒng)的自適應(yīng)能力，使系統(tǒng)的魯棒性有了更好的改善，抗干擾能力也有了提升。2.2建立水箱模型本文的控制要求是設(shè)計合理的控制器使水箱的液位變化為0到100mm，令被控目標的水位平穩(wěn)、精確、高速地穩(wěn)定于設(shè)定的水位值上，穩(wěn)態(tài)誤差沒有超出2.5mm。每當系統(tǒng)遭到影響的時候，被影響的液位可以還原到設(shè)定的液位。因而于現(xiàn)規(guī)劃中我采用實驗建模的方法，意在測定被控目標的上水箱和下水箱的液位有關(guān)參數(shù)及反應(yīng)曲線。用磁力驅(qū)動泵達到供水的目的，之后手動調(diào)整電動調(diào)節(jié)閥，故而達到改變水箱的液位值。于檢測內(nèi)，可應(yīng)用智能調(diào)整儀來更改調(diào)整的開度，以此增減水箱的進入水量大小，達到更改水箱液位實現(xiàn)被控目標的信號輸入改變。我們以一階水箱模型來推導系統(tǒng)中水箱的傳遞函數(shù)。如圖2-2所示。圖2-2一階水箱特性測試圖我們把這一階模型即但融水縣作為上水箱來處理。一階模型的傳遞函數(shù)是：（2.1）由圖可得，水箱的液位H是被控量，水箱的輸入量是Q1，手動閥的兩個調(diào)整數(shù)值V1，V2是相同的固定的值，在平衡的情況下:(2.2)在動態(tài)的情況下（2.3）是水貯存量變化率，它與液位H的變化關(guān)系是（2.4）A是水箱的底面積，將公式（2.3）帶入公式（2.4）中（2.5）基于，Rs是閥V2的液阻，可以將上面的式子改為（2.6）式子中T=ARs，它與A和V2的Rs有關(guān)：K=Rs。式子（2.6）是一階水箱的傳遞函數(shù)。令然后對（2.6）取拉氏變換得（2.7）當t＞時，h（）=K，當t=T時，有=0.632=0.632h（）式子（2.7）是一直單調(diào)上升的指數(shù)函數(shù)。根據(jù)計算就可得出上水箱的傳遞函數(shù)：用同樣的方法可得到下水箱模型，并可求出下水箱的傳遞函數(shù)：3.常規(guī)PID控制和模糊控制3.1PID控制PID控制算法是最早發(fā)展起來的一種控制策略。PID控制的基本原理可以用圖3-1描述。有圖上可見，它是線性組合控制中的一種，由比例（P），積分（I），微分（D）三部分（通常稱為環(huán)節(jié)）控制作用。其擁有做到簡易、理論簡易、適用范圍廣、魯棒性高等第長處。于采用電腦達到操控前，應(yīng)用的液動，氣動及電動的PID調(diào)節(jié)器長期占獨攬位置。隨之電腦的前進令PID獨攬的這種狀況發(fā)生更改。近些年，發(fā)生過很多只好從電腦做到的繁雜控制算法。但是，利用計算機做到PID算法并且偏向簡易地把它數(shù)字化，而把它和電腦推理斷定性能相結(jié)合，令PID操控越加靈活多樣，可以更好地符合生產(chǎn)流程內(nèi)的各種狀況及需求。圖3-1模擬PID基本原理框圖模擬PID控制的數(shù)學表達式為：（3.1）3.1.1比例環(huán)節(jié)比例環(huán)節(jié)是對偏差起及時反應(yīng)的功能。為當即有操控功能達到為差錯往縮小的方向的功能。系統(tǒng)控制功能是不是強力便有賴于比值系數(shù)，一般來說，想要控制作用越強，那比例系數(shù)就要高，然后系統(tǒng)響應(yīng)速度就會變快，系統(tǒng)的過渡調(diào)節(jié)時間就會變短。但是比例系數(shù)的值受到系統(tǒng)穩(wěn)定的約束，不能過于大，不然系統(tǒng)的動態(tài)品質(zhì)會變壞，從而引起系統(tǒng)振蕩甚至系統(tǒng)的不穩(wěn)定。3.1.2積分環(huán)節(jié)積分環(huán)節(jié)的主要功能在于清除靜差。積分因變量事實上為一種積累因變量。一旦存在差錯之有，便可穿過積分環(huán)達到連續(xù)累積達到令操控計量發(fā)生變化，最后差錯為0。時間常數(shù)為取決積分功能強弱之重點。時間常數(shù)越大，積分功能便可以對立削弱，相反便可以變強。增加時間常數(shù)便可以令清除靜差的流程減慢。但可降低超調(diào)來增強軟件的平穩(wěn)性。3.1.3微分環(huán)節(jié)微分環(huán)節(jié)是用來反映偏差信號的變化趨勢。其能夠于體會至軟件的差錯信號發(fā)生變化往后，于軟件內(nèi)參加一個修改信號，達到加速軟件之姿勢，故而降低調(diào)整時段，并且消除震蕩，令軟件趨向于平穩(wěn)，因而改進軟件的動態(tài)特性。微分環(huán)節(jié)的強弱為從微分時間常數(shù)達到?jīng)Q議，時間常數(shù)越大，其遏制e（t）變動功能的實力越強。相反，遏制實力變?nèi)酢?.2模糊控制模糊控制是以模糊語言變量，模糊邏輯推理和模糊集合論為基礎(chǔ)的一種計算機控制技術(shù)。模糊控制屬智能操控的范圍，為一種非線性操控。模糊控制為于操控流程內(nèi)之一種采用，其沒有依賴于數(shù)學模型，僅要求熟悉人民之閱歷、操作參數(shù)及學識便可應(yīng)用。模糊控制于操控圈子具有寬闊之采用前途。其擁有很多民俗操控無法比擬之長處：易學、流程短欠、適應(yīng)性高、研發(fā)便捷、可靠性強、特性優(yōu)秀、表達簡易等。模糊控制系統(tǒng)作為一個自動控制系統(tǒng)，操作者可借助眼，耳等第器官，從光，聲，出現(xiàn)等第方向獲得軟件之導出及變動等第方向的訊息，之后借助熟悉的閱歷，達到獲得操控。模糊控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖3-2所示。圖3-2模糊控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖模糊化：為把輸入量轉(zhuǎn)換成為了模糊計量。模糊控制器的輸入量為意在將確立之計量經(jīng)由模糊化處置，轉(zhuǎn)換成模糊矢量，可以適合在模糊控制。知識庫：其存在模糊控制法則及數(shù)據(jù)庫兩組成部分構(gòu)成。數(shù)據(jù)庫重要涵蓋言語變量之從屬因變量及模糊空間之歸類。法則庫涵蓋完一連串體現(xiàn)學識的操控法則及調(diào)控專家的閱歷。清晰化：其為把變換獲得的模糊計量轉(zhuǎn)換成用來現(xiàn)實操控的清楚計量。3.3液位模糊控制器3.3.1模糊控制器結(jié)構(gòu)模糊控制的基礎(chǔ)方式是“查閱報表”控制器，其把操控法則變換為了操控報表，并且把他們儲存于可以在線應(yīng)用之計算機內(nèi)。這種控制器構(gòu)架簡易而且使用方便。這種規(guī)劃為用仿真控制器為根基的。如圖3-3所示。圖3-3液位模糊控制方框圖3.3.2隸屬度函數(shù)函數(shù)描述的隸屬度函數(shù)如圖3-4。圖3-4函數(shù)描述的隸屬度函數(shù)依據(jù)人民生存中給事情的斷定習性應(yīng)用正態(tài)分布思想的特征，除去利用正在態(tài)函數(shù)達到確立從屬因變量以外，再有可應(yīng)用三角函數(shù)及梯形因變量等第別的從屬值因變量。正應(yīng)用內(nèi)。三角函數(shù)的算計工作量微小，外形簡易。而且于每當入口價值變動之時段，三角函數(shù)對比別的之從屬值因變量存在更加巨大的靈敏度。每當碰到偏差的時段，它就能快速的發(fā)出相應(yīng)的控制信號。這一點就對控制系統(tǒng)來說特別的重要。總之，隸屬度函數(shù)總體位置分布對模糊控制器的非線性的性能有著密切的聯(lián)系。并且每個規(guī)則的影響范疇是由隸屬度函數(shù)的方位和寬窄決定的。一個模糊控制器的非線性能的好壞與隸屬度函數(shù)的大體方位密切相關(guān)。而且每個隸屬度函數(shù)的方位及寬窄確立法則的影響范疇，它們需要意在重合。因而，于規(guī)劃中要著想考慮的要素：從屬因變量的方位、外形、重合值及個數(shù)。依據(jù)從屬值因變量確立誤差E，操控計量U及誤差變動EC之各個模糊子集賦值報表如圖3-5所示。圖3-5數(shù)值方法描述的隸屬度3.3.3建立控制規(guī)則模糊控制法則應(yīng)當遵從的準則為：每當誤差較大時候，模糊控制計量的選取重要要素為清除誤差；每當誤差較小且變化率較大時候，模糊控制計主要工作是平穩(wěn)系統(tǒng)，避免系統(tǒng)超調(diào)。模糊控制的法則一般而言是現(xiàn)實閱歷作為依靠，存在很大的主觀性。于此處選取的模糊控制法則是依據(jù)學者操作閱歷以及知識獲得的，可表達成為下列表格，如圖3-6所示。圖3-6模糊規(guī)則表控制系統(tǒng)的硬件組態(tài)和軟件調(diào)試4.1液位控制系統(tǒng)的硬件組成4.1.1計算機在本課題中，計算機使用的是TIAPortalV15來編寫程序。4.1.2PLC我采用的是德國西門子開發(fā)的SIMATICS7-1200。作為S7-200的提升，S7-1200擁有更加好之性能，它不只擁有S7-200的固有功能，并且可以符合更加普遍的領(lǐng)域去應(yīng)用。它利用結(jié)構(gòu)緊湊，模塊化規(guī)劃。它也整合了很多強有力的功能。像高速化的輸入輸出，還有PID控制等。S7-1200擁有靈敏強有力的通信功能，本體存在一個PROFINET接口，能用以編程，PLC通信及HMI之間的通信,而且可穿過以太網(wǎng)協(xié)議支撐與第三方裝置之通訊。S7-1200亦可安設(shè)通訊模塊來達到支撐別的通信協(xié)議。S7-1200的PID存在這些特征：參數(shù)自整定性能及圖像調(diào)節(jié)工具。利用圖像形式組態(tài)參數(shù)?？刂破黝悇e可選取的操控存在20多樣物理量。PID輸入輸出都可以是程序中的變量或者是模擬量。存在自行及手動切換性能。和S7-200對比，S7-1200可采用的PID回路數(shù)從8個變到16個。S7-1200可下載被控目標的模擬功能塊，達到構(gòu)成仿真PID閉環(huán)，用戶可采用仿真閉環(huán)達到學習PID目標的參數(shù)整定方式及應(yīng)用方式。SIMATICSTEP7Basic為西門子公司研發(fā)的強整合作業(yè)組態(tài)軟件，整合完SIMATICWinCCBasic,用來送S7-1200及根據(jù)PROFINET的SIMATIC精簡一系列面板開展快捷組態(tài)。除去支持編程外，它還提供通用的項目組態(tài)框架為了硬件和網(wǎng)絡(luò)配置的診斷。4.2模糊PID的各項程序塊組織塊（OB）為用戶程序及操作系統(tǒng)的接口，決議完用戶程序的構(gòu)架。它們可調(diào)用操作系統(tǒng)達到操控循環(huán)往復，可中止驅(qū)動程序的實施及可編程控制器的開啟。它們處置給差錯的反應(yīng)，可以特定CPU的反映。OB1為用于執(zhí)行程序循環(huán)往復掃視之。對單主軟件之PLC流程的話，需要只好存在一個OB1，可于OB1內(nèi)調(diào)用命令別的功能塊，演算流程，編寫推理等。當有故障產(chǎn)生之時段，PLC操作系統(tǒng)調(diào)用呼應(yīng)的存在故障的OB，穿過這些形成故障的OB的信息碼能看到故障類別，假若這些組織塊還是沒編程，那PLC自發(fā)性上終止組態(tài)。功能（FC）是用在“儲存區(qū)域”的模塊。FC之暫時變量將會儲存于局域之參數(shù)堆棧內(nèi)，每當FC終止以后，這些參數(shù)便可以遺失，假若意在把參數(shù)恒久儲存，那可應(yīng)用共享參數(shù)塊。一個FC涵蓋完一個流程組成部分，每當FC受到調(diào)用時候，其之流程將會受到實施。每當為著調(diào)用塊歸來一個意在受到實施之性能時候應(yīng)用FC。于FC內(nèi)，應(yīng)用輸入輸出參數(shù)做為指針，達到指向調(diào)用FC推理塊現(xiàn)實參數(shù)。數(shù)據(jù)塊（DB）的作用是存放用戶的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)塊中是不存在指令，這和邏輯塊有顯著不同。數(shù)據(jù)塊涵蓋用戶在工作時將要用到的數(shù)據(jù)。對用戶程序內(nèi)的DB，假若有任一個邏輯塊受到調(diào)用，那么它可暫時的占據(jù)局域數(shù)據(jù)區(qū)的參數(shù)。除去局域參數(shù)區(qū)，邏輯塊可使用一個DB形式的儲存區(qū)。我們可以在數(shù)據(jù)塊中記錄下啟動值，系統(tǒng)的輸出值，液位1和液位2的值，并且可以記錄下它們的偏移量。4.3模糊控制軟件設(shè)計4.3.1設(shè)備組態(tài)加入CPU模塊，如圖4-1所示：圖4-1CPU組態(tài)4.3.2IP地址定義在常規(guī)項目下的以太網(wǎng)地址中設(shè)置IP地址和子網(wǎng)掩碼，如圖4-2所示：圖4-2IP地址定義圖4.3.3變量定義在PLC變量中進行默認變量，如圖4-3所示：圖4-3默認變量表4.3.4編程界面在程序塊中添加新程序塊來進行編輯，編程界面如圖4-4所示：圖4-4編程界面圖4.4控制算法流程PID的控制算法流程圖如圖4-5所示。圖4-5PID控制流程圖模糊控制算法流程圖如圖4-6所示。圖4-6模糊控制算法流程圖4.5WinCC監(jiān)控系統(tǒng)組態(tài)WinCC為一個集人機界面于一體之軟件系統(tǒng)，平常用來生流程自動化內(nèi)完結(jié)圖像。WinCC供給報表產(chǎn)生、信息處理及圖像出現(xiàn)等模塊。其擁有強有力的接口性能、安保存檔性能及高速圖片升級性能，保障完WinCC擁有頗強的可靠性。WINCC還是支撐分布式系統(tǒng)構(gòu)架，其存在普遍的采用，可連結(jié)至現(xiàn)有之自動化條件。除去軟件自身，WinCC還是可為了用戶供給解決問題之接口。這些接口令WinCC可以做到繁雜之操控。WinCC為一個于生流程內(nèi)處理操控職責及可視化的軟件。其供給完樣本達到用來工業(yè)圖像出現(xiàn)，存檔，報表及信息之性能樣本。可信的參數(shù)、高速的圖像升級及高性能的流程耦合令它擁有很強的實用性。除去這些軟件性能以外，WinCC還是為了用戶供給完一個綻放的界面達到解決問題。這些令WinCC令普遍還繁雜的自動控制疑難的處理變成可能。在本實驗中，上位機我使用WinCC來進行監(jiān)視，而使用西門子S7-1200PLC組成的自動化控制系統(tǒng)作為下位機。做到了給定過程參數(shù)，實現(xiàn)參數(shù)收集，實時曲線記錄的功能。4.6控制系統(tǒng)的調(diào)試與分析控制系統(tǒng)被建立之后，這就意味著被控對象的動態(tài)特性已被確立。調(diào)節(jié)器各個參數(shù)設(shè)置的是否合理決定了系統(tǒng)能否在最佳的狀態(tài)下工作。通過采用試湊法，即為通過觀察軟件的反應(yīng)曲線，之后依據(jù)逐一參數(shù)對系統(tǒng)的影響，不斷去試湊，憑此來獲得正確參數(shù)。我選擇了階躍信號來作為系統(tǒng)的輸入信號，因為階躍響應(yīng)可以反映系統(tǒng)動態(tài)和穩(wěn)態(tài)的行為信息，其一階躍信號的輸入比較容易，其二階躍輸入也可看作一種擾動。將已經(jīng)組態(tài)的所有硬件下載到S7-1200的CPU內(nèi)，運轉(zhuǎn)。STEP7Basic可被用于在線調(diào)試程序，然后通過設(shè)置變量表的方式來改動變量及參數(shù)。然后依據(jù)詳細的流程操控任務(wù)，采用WinCC來達到各種畫面和數(shù)據(jù)組態(tài)的畫面，以此做到對液位的監(jiān)測。如圖4-7為模糊控制的響應(yīng)曲線。圖4-7模糊控制實驗響應(yīng)曲線由圖可知，在設(shè)定的合適液位情況下，被控對象在模糊控制下，能快速，穩(wěn)定的達到設(shè)定的液位之上。在系統(tǒng)發(fā)生了擾動的情況下，被控液位也能很快的恢復到原先給定的液位。5.雙閉環(huán)液位串級系統(tǒng)仿真5.1液位串級系統(tǒng)在Simulink中的仿真Simulink為于MATLAB內(nèi)開展動態(tài)軟件建模、研究及模擬之軟件工具。其為一種優(yōu)秀合用之控制系統(tǒng)算計和模擬用具。其為MATLAB之深刻之擴充，不只可做到可視之動態(tài)模擬，亦能夠做到和C,Fortran乃至及硬件之參數(shù)相互傳送，大大的擴充模擬性能。并且其除去模擬，還能進行控制系統(tǒng)分析和模型分析。5.1.1常規(guī)PID控制系統(tǒng)的仿真首先，我使用的是MATLAB2018a次軟件，先打開軟件中的simulink模塊，如圖5-1所示。圖5-1MATLAB初始界面圖常規(guī)的PID是由比例（P），積分（I），微分（D）三部分組成的。因此我們可在simulink中先繪制常規(guī)PID的結(jié)構(gòu)圖。如圖5-2所示。圖5-2常規(guī)PID結(jié)構(gòu)圖5.1.2模糊控制系統(tǒng)的仿真把外環(huán)控制器換成模糊控制，將控制規(guī)則和隸屬度函數(shù)的程序分裝成模塊來達到開展調(diào)用。在simulink中做出模糊控制的結(jié)構(gòu)圖，如圖5-3所示。圖5-3模糊控制結(jié)構(gòu)圖將主控制器換成模糊控制器，仿真圖形將如圖5-4所示。圖5-4模糊PID控制仿真圖形在模糊控制器中的模糊推理系統(tǒng)有兩個輸入和三個輸出，其中e，ec為輸入，kp，ki，kd為輸出。如圖5-5所示。圖5-5模糊推理系統(tǒng)我們可以通過MATLAB來觀察Kp，Ki，Kd的輸出曲面，如圖5-6,5-7,5-8。圖5-6Kp的輸出曲面圖圖5-7Ki的輸出曲面圖圖5-8Kd的輸出曲面圖5.2兩種控制器性能的比較我將模糊控制和常規(guī)PID的仿真圖結(jié)合起來，相互比較。如圖5-9所示。圖5-9模糊控制與常規(guī)PID仿真圖使系統(tǒng)開始運行，然后雙擊Scope，得到對比曲線，如圖5-10所示。圖5-10常規(guī)PID和模糊控制的響應(yīng)曲線其中較為平緩的是模糊控制的響應(yīng)曲線，比較抖的則是常規(guī)PID的響應(yīng)曲線。從圖中的兩者曲線來看，模糊控制在性能這方面比常規(guī)PID有很高的優(yōu)越性。比如在無超調(diào)方面，動態(tài)性能和調(diào)節(jié)時間短這些。雖然經(jīng)過一段時間后，雖然常規(guī)PID也可以調(diào)試的比較容易，但模糊控制對于那些過程繁雜，擁有時變，滯后，非線性等特點的目標，具有著難以望其項背的優(yōu)越性。因此，從仿真結(jié)果看出，常規(guī)PID控制于動態(tài)靜態(tài)性能方面都差于模糊控制，每當參數(shù)變化時，模糊控制對比于常規(guī)PID來說，其超調(diào)更加小，穩(wěn)態(tài)誤差也小，而且調(diào)節(jié)時間更加短。

6.結(jié)束語在我們的生活中，液位是工業(yè)生產(chǎn)