基于PLC的中央空調(diào)模糊自適應(yīng)PID監(jiān)控系統(tǒng)

針對中央空調(diào)系統(tǒng)存在非線性、不確定性和干擾性等問題，提出了利用MATLAB實(shí)現(xiàn)模糊自適應(yīng)PID控制，并對系統(tǒng)進(jìn)行了編程仿真實(shí)驗(yàn)。仿真結(jié)果表明，將該方法應(yīng)用在中央空調(diào)系統(tǒng)中是可行的，但是MATLAB不能與現(xiàn)場設(shè)備進(jìn)行直接數(shù)據(jù)通信。因此將MATLAB和PLC控制相結(jié)合，利用OPC技術(shù)實(shí)現(xiàn)MATLAB和PLC之間的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)交換，達(dá)到智能控制的目的。

常規(guī)PID控制是過程控制中應(yīng)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(diǎn)。但常規(guī)PID在控制過程中的參數(shù)都是固定不變的，若用于調(diào)節(jié)中央空調(diào)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)[1]，常規(guī)PID控制很難達(dá)到控制精度。

因此，本文針對中央空調(diào)系統(tǒng)將PID和模糊控制相結(jié)合，提出了模糊自適應(yīng)PID控制。模糊控制是用語言歸納操作人員的控制策略，運(yùn)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(shù)學(xué)模型，只要求把現(xiàn)場操作人員的經(jīng)驗(yàn)和數(shù)據(jù)總結(jié)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(shí)變性以及時(shí)滯等影響。模糊控制系統(tǒng)的魯棒性強(qiáng)，尤其適用于非線性、時(shí)變、滯后的系統(tǒng)的控制[2]。但是傳統(tǒng)的模糊自適應(yīng)PID控制初始參數(shù)是人為給定的，不能從系統(tǒng)中自動(dòng)得到[3]，因此本文的創(chuàng)新點(diǎn)在于在傳統(tǒng)模糊自適應(yīng)PID控制基礎(chǔ)之上增加辨識結(jié)構(gòu)和Bang-Bang控制，對傳統(tǒng)的模糊自適應(yīng)PID控制初始值進(jìn)行優(yōu)化。

然而模糊自適應(yīng)PID算法不能與現(xiàn)場設(shè)備進(jìn)行直接連接和控制，因此，將模糊自適應(yīng)PID控制和PLC進(jìn)行結(jié)合，利用兩者的優(yōu)勢進(jìn)行智能控制，使系統(tǒng)達(dá)到較為理想的控制效果。

1 系統(tǒng)的控制策略

利用MATLAB實(shí)現(xiàn)模糊自適應(yīng)PID控制，Step 7進(jìn)行PLC編程，組態(tài)軟件WinCC監(jiān)控，對系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)智能控制。系統(tǒng)的控制策略為：PLC采集到的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)交換傳給MATLAB進(jìn)行計(jì)算處理，再將運(yùn)算處理的結(jié)果傳給下位機(jī)PLC，由PLC輸出模塊輸出控制信號，實(shí)現(xiàn)過程控制，利用WinCC監(jiān)控實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離自動(dòng)、手動(dòng)控制。充分發(fā)揮3種控制規(guī)律的優(yōu)點(diǎn)，達(dá)到較為理想的控制效果。

2 中央空調(diào)的組成及原理

中央空調(diào)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[4]。

(1)冷凍水循環(huán)系統(tǒng)

冷凍水泵將冷凍水送到各風(fēng)機(jī)風(fēng)口的冷卻盤管中，由風(fēng)機(jī)吹送冷風(fēng)，達(dá)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(fēng)機(jī)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(diào)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(yīng)PID控制器的設(shè)計(jì)

3.1 模糊自適應(yīng)PID控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

本文提出的模糊自適應(yīng)PID控制是在傳統(tǒng)模糊自適應(yīng)PID控制基礎(chǔ)之上添加Bang-Bang控制和辨識結(jié)構(gòu)。通過對中央空調(diào)系統(tǒng)的分析，設(shè)計(jì)的模糊控制自適應(yīng)PID控制器的結(jié)構(gòu)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(dǎo)控制，辨識結(jié)構(gòu)在該階段得到的信息對被控對象進(jìn)行辨識，在此階段結(jié)束時(shí)，辨識出系統(tǒng)模型參數(shù)整定出PID控制參數(shù)的初始值，然后切換控制開關(guān)(開關(guān)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(shè)定值，α(0α1)的選取保證Bang-Bang控制能為辨識結(jié)構(gòu)提供足夠的信息[5-6])，轉(zhuǎn)換到模糊自適應(yīng)PID控制。以當(dāng)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(gè)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(shù)kp、kd、ki進(jìn)行在線調(diào)整，滿足不同e和ec對控制器參數(shù)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(guī)則表建立之后，根據(jù)模糊控制器的原理，對PID參數(shù)在線自校正。

在線運(yùn)行過程中，系統(tǒng)通過對模糊邏輯規(guī)則的結(jié)果處理、查表和運(yùn)算，完成對PID參數(shù)的在線調(diào)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(tǒng)恢復(fù)到穩(wěn)定狀態(tài)，說明模糊自適應(yīng)PID控制具有較強(qiáng)的抗干擾能力和很強(qiáng)的魯棒性，使系統(tǒng)的調(diào)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(jié)果可以得出，模糊自適應(yīng)PID控制的優(yōu)點(diǎn)比較明顯，系統(tǒng)的上升時(shí)間較短，超調(diào)量較小，調(diào)整的時(shí)間相對縮短，震蕩次數(shù)較少。

從圖6、圖7、圖8完成了對PID參數(shù)在線調(diào)整，滿足要求，將本方法用于中央空調(diào)這個(gè)滯后、不確定、多干擾系統(tǒng)的控制是可行的。

5 軟件的設(shè)計(jì)

5.1 下位機(jī)的設(shè)計(jì)

下位機(jī)的程序系統(tǒng)包括冷/熱水系統(tǒng)控制程序、新風(fēng)機(jī)組控制程序、空調(diào)機(jī)組控制程序和風(fēng)機(jī)盤管控制程序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(jié)構(gòu)上是非常相似的，因此編程時(shí)盡量使用結(jié)構(gòu)化編程思想，把各種功能相同的程序封裝成標(biāo)準(zhǔn)的功能模塊(FC/FB)后共用，從而優(yōu)化程序。

5.2 上位機(jī)的設(shè)計(jì)

根據(jù)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(biāo)準(zhǔn)。利用WinCC的變量管理器、圖形編輯器和報(bào)警記錄等各種功能組態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)的人機(jī)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(jìn)入其他監(jiān)控畫面，各個(gè)界面之間也可以相互切換。從上位機(jī)的監(jiān)控畫面可直觀觀察現(xiàn)場設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，直觀地觀看到數(shù)據(jù)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(dú)有的開放性、互聯(lián)性、高效性在產(chǎn)業(yè)控制中占有主導(dǎo)地位。OPC采用客戶/服務(wù)器體系(C/S)，在客戶和服務(wù)器之間建立通信，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)的交換。

針對中央空調(diào)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(wù)器，由于現(xiàn)場設(shè)備的分散性，控制室和現(xiàn)場設(shè)備距離較遠(yuǎn)，上位機(jī)和下位機(jī)之間選用過程現(xiàn)場總線(Profibus)。MATLAB與PLC的過程控制結(jié)構(gòu)如圖9所示[7]。

本系統(tǒng)以西門子PLC S7-300作為下位機(jī)對現(xiàn)場數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，以組態(tài)軟件WinCC為下位機(jī)數(shù)據(jù)總控平臺，通過OPC接口和Profibus總線把現(xiàn)場信號和MATLAB方便地連接起來，實(shí)現(xiàn)PLC采集到的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)交換傳給MATLAB進(jìn)行計(jì)算處理，再將運(yùn)算處理的結(jié)果傳給下位機(jī)PLC，由PLC輸出模塊控制信號，實(shí)現(xiàn)過程控制，利用WinCC監(jiān)控實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離自動(dòng)和手動(dòng)控制。

針對中央空調(diào)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(yīng)PID控制，克服了常規(guī)PID的缺點(diǎn)，并通過MATLAB進(jìn)行了仿真。仿真結(jié)果表明，模糊自適應(yīng)PID控制具有響應(yīng)速度快、該超調(diào)量比較小、抗干擾能力較強(qiáng)和魯棒性較好的優(yōu)點(diǎn)，將該方法用于中央空調(diào)系統(tǒng)是可行的。但是MATLAB不能與現(xiàn)場設(shè)備直接連接，因此將MATLAB和PLC控制相結(jié)合，利用OPC技術(shù)實(shí)現(xiàn)MATLAB和PLC之間的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)交換，達(dá)到智能控制的目的。其為實(shí)踐奠定了堅(jiān)定的基礎(chǔ)，對中央空調(diào)的舒適和節(jié)能運(yùn)行具有指導(dǎo)意義。