一種基于PLC和中央空調模糊自適應PID結合的監(jiān)控系統(tǒng)設計淺析

常規(guī)PID控制是過程控制中應用最為廣泛的一種控制規(guī)律，具有原理簡單、使用方便和穩(wěn)定等特點。但常規(guī)PID在控制過程中的參數都是固定不變的，若用于調節(jié)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(tǒng)，常規(guī)PID控制很難達到控制精度。

因此，本文針對中央空調系統(tǒng)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(guī)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(tǒng)的魯棒性強，尤其適用于非線性、時變、滯后的系統(tǒng)的控制。但是傳統(tǒng)的模糊自適應PID控制初始參數是人為給定的，不能從系統(tǒng)中自動得到，因此本文的創(chuàng)新點在于在傳統(tǒng)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(tǒng)的模糊自適應PID控制初始值進行優(yōu)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(yōu)勢進行智能控制，使系統(tǒng)達到較為理想的控制效果。

1 系統(tǒng)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(tài)軟件WinCC監(jiān)控，對系統(tǒng)實現智能控制。系統(tǒng)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(jiān)控實現遠距離自動、手動控制。充分發(fā)揮3種控制規(guī)律的優(yōu)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(tǒng)由冷凍水循環(huán)系統(tǒng)、冷卻水循環(huán)系統(tǒng)和制冷劑回路組成，其工作原理如圖1所示。

（1）冷凍水循環(huán)系統(tǒng)

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(huán)系統(tǒng)

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(tǒng)的心臟。在蒸發(fā)器中，制冷劑和冷凍水發(fā)生熱量交換，將冷凍水制冷，制冷劑吸收熱量后蒸發(fā)；在冷凝器中，蒸發(fā)后的制冷劑和冷卻水發(fā)生熱量交換，制冷劑釋放熱量，被冷卻循環(huán)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(tǒng)的設計

本文提出的模糊自適應PID控制是在傳統(tǒng)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(tǒng)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。

在系統(tǒng)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(tǒng)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(guī)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(tǒng)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），轉換到模糊自適應PID控制。以當前系統(tǒng)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(guī)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(tài)性能和靜態(tài)性能。

模糊控制規(guī)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(tǒng)通過對模糊邏輯規(guī)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。

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(tǒng)恢復到穩(wěn)定狀態(tài)，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(tǒng)的調速性能大大提高，在一定程度上克服了常規(guī)PID控制的弊端，從而提高了系統(tǒng)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(yōu)點比較明顯，系統(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)包括冷/熱水系統(tǒng)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(yōu)化程序。

5.2 上位機的設計

根據系統(tǒng)的要求，本文選用組態(tài)軟件WinCC，它支持TCP/IP協(xié)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(tài)監(jiān)控系統(tǒng)的人機界面，界面主要包括登錄界面、主控系統(tǒng)和水泵界面等。

從系統(tǒng)首頁界面可以進入其他監(jiān)控畫面，各個界面之間也可以相互切換。從上位機的監(jiān)控畫面可直觀觀察現場設備的運行狀態(tài)，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(yè)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(tài)數據的交換。

針對中央空調系統(tǒng)，選用MATLAB作為OPC的客戶端，組態(tài)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。

本系統(tǒng)以西門子PLC S7-300作為下位機對現場數據進行采集，以組態(tài)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(jiān)控實現遠距離自動和手動控制。

針對中央空調系統(tǒng)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(guī)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(yōu)點，將該方法用于中央空調系統(tǒng)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(tài)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(jié)能運行具有指導意義。