基于PLC的中央空調模糊自適應PID監控系統

針對中央空調系統存在非線(xiàn)性、不確定性和干擾性等問(wèn)題，提出了利用MATLAB實(shí)現模糊自適應PID控制，并對系統進(jìn)行了編程仿真實(shí)驗。仿真結果表明，將該方法應用在中央空調系統中是可行的，但是MATLAB不能與現場(chǎng)設備進(jìn)行直接數據通信。因此將MATLAB和PLC控制相結合，利用OPC技術(shù)實(shí)現MATLAB和PLC之間的動(dòng)態(tài)數據交換，達到智能控制的目的。

常規PID控制是過(guò)程控制中應用最為廣泛的一種控制規律，具有原理簡(jiǎn)單、使用方便和穩定等特點(diǎn)。但常規PID在控制過(guò)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(xiàn)性、不確定性、滯后性和干擾性等問(wèn)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(yǔ)言歸納操作人員的控制策略，運用語(yǔ)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(xué)模型，只要求把現場(chǎng)操作人員的經(jīng)驗和數據總結成比較完善的語(yǔ)言控制規則，因此它能繞過(guò)對象的不確定性、不精確性、噪聲、非線(xiàn)性、時(shí)變性以及時(shí)滯等影響。模糊控制系統的魯棒性強，尤其適用于非線(xiàn)性、時(shí)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(dòng)得到[3]，因此本文的創(chuàng )新點(diǎn)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(jìn)行優(yōu)化。

然而模糊自適應PID算法不能與現場(chǎng)設備進(jìn)行直接連接和控制，因此，將模糊自適應PID控制和PLC進(jìn)行結合，利用兩者的優(yōu)勢進(jìn)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(shí)現模糊自適應PID控制，Step 7進(jìn)行PLC編程，組態(tài)軟件WinCC監控，對系統實(shí)現智能控制。系統的控制策略為：PLC采集到的實(shí)時(shí)數據通過(guò)數據交換傳給MATLAB進(jìn)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(shí)現過(guò)程控制，利用WinCC監控實(shí)現遠距離自動(dòng)、手動(dòng)控制。充分發(fā)揮3種控制規律的優(yōu)點(diǎn)，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(huán)系統、冷卻水循環(huán)系統和制冷劑回路組成，其工作原理如圖1所示[4]。

(1)冷凍水循環(huán)系統

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

(2)冷卻水循環(huán)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(fēng)機對其進(jìn)行噴淋冷卻，與大氣進(jìn)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(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(guò)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。

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(jìn)行辨識，在此階段結束時(shí)，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(kāi)關(guān)(開(kāi)關(guān)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(0α1)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(gè)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(jìn)行在線(xiàn)調整，滿(mǎn)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(dòng)態(tài)性能和靜態(tài)性能。

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(xiàn)自校正。

在線(xiàn)運行過(guò)程中，系統通過(guò)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(xiàn)調整，其工作流程圖如圖3所示。

從圖4可以看出，在第500個(gè)采樣時(shí)間時(shí)控制器輸出有一定的波動(dòng)，但是很快地使系統恢復到穩定狀態(tài)，說(shuō)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(yōu)點(diǎn)比較明顯，系統的上升時(shí)間較短，超調量較小，調整的時(shí)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(xiàn)調整，滿(mǎn)足要求，將本方法用于中央空調這個(gè)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(fēng)機組控制程序、空調機組控制程序和風(fēng)機盤(pán)管控制程序4大部分。利用Step 7 5.4進(jìn)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(shí)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(yè)界面可以進(jìn)入其他監控畫(huà)面，各個(gè)界面之間也可以相互切換。從上位機的監控畫(huà)面可直觀(guān)觀(guān)察現場(chǎng)設備的運行狀態(tài)，直觀(guān)地觀(guān)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(guò)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(kāi)放性、互聯(lián)性、高效性在產(chǎn)業(yè)控制中占有主導地位。OPC采用客戶(hù)/服務(wù)器體系(C/S)，在客戶(hù)和服務(wù)器之間建立通信，實(shí)現動(dòng)態(tài)數據的交換。

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

本系統以西門(mén)子PLC S7-300作為下位機對現場(chǎng)數據進(jìn)行采集，以組態(tài)軟件WinCC為下位機數據總控平臺，通過(guò)OPC接口和Profibus總線(xiàn)把現場(chǎng)信號和MATLAB方便地連接起來(lái)，實(shí)現PLC采集到的實(shí)時(shí)數據通過(guò)數據交換傳給MATLAB進(jìn)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(shí)現過(guò)程控制，利用WinCC監控實(shí)現遠距離自動(dòng)和手動(dòng)控制。

針對中央空調系統存在非線(xiàn)性、不確定性和干擾性等問(wèn)題，本文提出了模糊自適應PID控制，克服了常規PID的缺點(diǎn)，并通過(guò)MATLAB進(jìn)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(diǎn)，將該方法用于中央空調系統是可行的。但是MATLAB不能與現場(chǎng)設備直接連接，因此將MATLAB和PLC控制相結合，利用OPC技術(shù)實(shí)現MATLAB和PLC之間的動(dòng)態(tài)數據交換，達到智能控制的目的。其為實(shí)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。