基于PLC的模糊PID算法在汽轮机控制系统的应用

张宇

（哈尔滨汽轮机厂有限责任公司，哈尔滨 150046）

0 引言

PID算法是控制领域中使用最广泛的算法之一，尤其在过程控制领域中使用的更为普遍。PID算法在PLC控制器中广泛应用，PLC控制器的生产厂家把PID算法做成功能块的形式，这种方式大大简化了开发人员的开发周期，整个算法对开发人员是透明的，开发人员只需要填入几个参数，功能块自动计算出控制结果。这种方式对于线性定常数的被控对象控制效果较好，但是对于要求反应速度快、工况变化频繁、控制要求精度高的场合，就不能得到理想的效果了。

1 模糊PID控制原理及其在DEH系统中的应用

在DEH系统中，选取发电机功率设定值经过计算后的给定值和反馈值的偏差E和偏差变化率Ec作为模糊控制器的输入语言变量,比例Kp、积分Ki、微分Kd的修正值作为输出变量。

设偏差、偏差变化率和比例、积分、微分系数的增量的模糊化所对应的语言变量分别为 E、EC、ΔKp、ΔKi、ΔKd。

E、EC、ΔKp、ΔKi、ΔKd模糊集为：｛NB，NM，NS，Z，PS，PM，PB｝

E、EC、ΔKp、ΔKi、ΔKd的整数论域为：｛-3，-2，-1，0,1，2，3｝

由电厂实际运行情况可知：偏差E的物理论域为［-60，60］之间，单位为 MW。

实际偏差变化率EC物理论域为［-6，6］之间，单位为MW。

2 功率模糊PID控制在西门子PLC中实现方式

PLC逻辑的主循环模块实现对模糊PID逻辑子函数的功能块的调用以及DEH测量信号和数据的传递。主程序由几个子程序组成。其中FC11完成功率信号e和Δe的计算；FC12进行功率信号模糊化处理；FC13实现了功率模糊控制表的查询功能；FC14完成了功率控制回路Kp、Ki和Kd的清晰化处理。FC15完成量化因子的在线优化调整，OB35定时中断程序，完成常规PID、模糊PID两者的复合控制和模糊切换的功能。数据块DB2、DB3、DB4存储MATLAB离线计算的模糊控制器比例系数、积分系数、微分系数的模糊查询表。

模糊控制的核心程序由模糊控制查询表的查询程序FC13、完成量化因子的在线优化调整程序FC15、复合控制的定时中断程序OB35组成。

模糊查询程序FC13：通过计算求出输出控制量（Kp、Ki、Kd）在查询表的位置，求出 Kp、Ki、Kd控制量。

该子程序把MATLAB离线计算出来的模糊控制表中的模糊控制量Kp、Ki、Kd按照先行后列，由左向右的访问顺序存储到数据块中的数据块2、数据块3、数据块4中，数据类型为REAL。首地址为DB2.DBD0，依次为DB2.DBD4、DB2.DBD8……DB(以比例系数为例)。采用STEP7中的指针寻址查表方法。控制量的基址为0，偏移地址为4×（7×Xi+Yj），由Xi、Yj可以确定控制量的绝对地址为4×（7×Xi+Yj），通过指针变量获得地址DB块中存储的 Kp、Ki、Kd的模糊值。

主要代码程序：（STL语句表）

功能FC13：//实现模糊控制量的查询功能

L X

L 7

* I

T #P 地址暂存变量

L Y

L #P

T #P

SLD 3

T MD100

OPN DB2

L DBD[#p]

T MD100

循环中断程序OB35（常规PID计算与模糊PID复合控制）：中断程序定时完成常规PID和模糊PID两者的复合控制和模糊切换的功能。根据调试经验，中断的时间间隔为 1s。

西门子PLC常规PID在DEH系统中的实现是直接调用PID功能模块FB41，根据不同的控制工况，通过P_SEL、I_SEL、D_SEL参数的选择，可分别完成P控制、PI控制，PID控制。组态逻辑中只要填入比例系数、输入输出的上下限、积分系数、死区、微分系数等参数就可完成PID计算。

模糊PID控制也是调用PID功能模块FB41，编程方式完全相同，也是通过添加参数自动完成计算的，唯一的区别是模糊PID控制的比例、积分、微分系数是通过FC11、FC12、FC13在线调整比例、积分、微分系数使其适应不同的工况。

模糊PID控制器根据控制偏差值的大小，模糊切换常规PID和模糊PID，使控制偏差小于某个一个值时，常规PID的值起主导作用，大于这个值时模糊PID控制起主导作用，从而完成二者稳定无扰切换。

主要程序代码如图1，控制效果如图2所示。

图1 主要程序代码

图2 采用模糊PID控制效果

3结语

模糊PID控制属于新型PID控制的范畴，本文针对基于西门子PLC的DEH系统的模糊PID算法在火电厂660MW机组的工程应用。经过电厂运行实践证明，该控制逻辑在汽轮机控制系统中达到了电厂预期的效果。

［1］ 张宇.智能控制在船用锅炉主蒸汽压力系统中的应用研究［D］.哈尔滨：哈尔滨工程大学，2008.

［2］ 李建平，王晓冲，谢敬华.基于PLC的模糊参数自整定温度控制系统研究［J］.微计算机信息，2007（16）：21-23.

［3］ 李建平，王晓冲，谢敬华.基于PROFIBUS-DP总线的智能铝箔退火炉温度控制系统［J］.仪表技术与传感器，2007（5）：70-73.

［4］ 张利军，张宇.基于PLC的模糊神经网络算法的工程应用［J］.自动化技术与应用，2008（12）：27-30.