一种基于PLC和中央空调模糊自适应PID结合的监控系统设计浅析

常规PID控制是过程控制中应用最为广泛的一种控制规律，具有原理简单、使用方便和稳定等特点。但常规PID在控制过程中的参数都是固定不变的，若用于调节中央空调这样具有非线性、不确定性、滞后性和干扰性等问题的系统，常规PID控制很难达到控制精度。

因此，本文针对中央空调系统将PID和模糊控制相结合，提出了模糊自适应PID控制。模糊控制是用语言归纳 *** 作人员的控制策略，运用语言变量和模糊集合理论形成控制算法的一种控制。模糊控制不需要建立对象的精确数学模型，只要求把现场 *** 作人员的经验和数据总结成比较完善的语言控制规则，因此它能绕过对象的不确定性、不精确性、噪声、非线性、时变性以及时滞等影响。模糊控制系统的鲁棒性强，尤其适用于非线性、时变、滞后的系统的控制。但是传统的模糊自适应PID控制初始参数是人为给定的，不能从系统中自动得到，因此本文的创新点在于在传统模糊自适应PID控制基础之上增加辨识结构和Bang-Bang控制，对传统的模糊自适应PID控制初始值进行优化。

然而模糊自适应PID算法不能与现场设备进行直接连接和控制，因此，将模糊自适应PID控制和PLC进行结合，利用两者的优势进行智能控制，使系统达到较为理想的控制效果。

1 系统的控制策略

利用MATLAB实现模糊自适应PID控制，Step 7进行PLC编程，组态软件WinCC监控，对系统实现智能控制。系统的控制策略为：PLC采集到的实时数据通过数据交换传给MATLAB进行计算处理，再将运算处理的结果传给下位机PLC，由PLC输出模块输出控制信号，实现过程控制，利用WinCC监控实现远距离自动、手动控制。充分发挥3种控制规律的优点，达到较为理想的控制效果。

2 中央空调的组成及原理

中央空调系统由冷冻水循环系统、冷却水循环系统和制冷剂回路组成，其工作原理如图1所示。

（1）冷冻水循环系统

冷冻水泵将冷冻水送到各风机风口的冷却盘管中，由风机吹送冷风，达到的冷却空气的目的。

（2）冷却水循环系统

冷却水泵将吸收热量后的冷却水送到冷却塔上，由冷却塔风机对其进行喷淋冷却，与大气进行热交换。冷却后的冷却水被送到冷凝器去吸收制冷剂释放出的热量。

（3）制冷剂回路

制冷剂回路是中央空调系统的心脏。在蒸发器中，制冷剂和冷冻水发生热量交换，将冷冻水制冷，制冷剂吸收热量后蒸发；在冷凝器中，蒸发后的制冷剂和冷却水发生热量交换，制冷剂释放热量，被冷却循环水带走。

3 模糊自适应PID控制器的设计

3.1 模糊自适应PID控制系统的设计

本文提出的模糊自适应PID控制是在传统模糊自适应PID控制基础之上添加Bang-Bang控制和辨识结构。通过对中央空调系统的分析，设计的模糊控制自适应PID控制器的结构图如图2所示。

在系统控制的初始阶段，Bang-Bang控制作为引导控制，辨识结构在该阶段得到的信息对被控对象进行辨识，在此阶段结束时，辨识出系统模型参数整定出PID控制参数的初始值，然后切换控制开关（开关切换的规则是：如果|e（t）|＞＝α×γ，则由Bang-Bang控制，否则由Fuzzy PID控制，其中γ为系统设定值，α（0＜α＜1）的选取保证Bang-Bang控制能为辨识结构提供足够的信息），转换到模糊自适应PID控制。以当前系统误差e（t）和误差变化率ec（t）作为模糊控制器的2个输入，利用模糊控制器（包括模糊化、模糊规则、模糊推理和反模糊）对PID参数kp、kd、ki进行在线调整，满足不同e和ec对控制器参数的要求，从而使被控制对象具有良好的动态性能和静态性能。

模糊控制规则表建立之后，根据模糊控制器的原理，对PID参数在线自校正。

在线运行过程中，系统通过对模糊逻辑规则的结果处理、查表和运算，完成对PID参数的在线调整，其工作流程图如图3所示。

从图4可以看出，在第500个采样时间时控制器输出有一定的波动，但是很快地使系统恢复到稳定状态，说明模糊自适应PID控制具有较强的抗干扰能力和很强的鲁棒性，使系统的调速性能大大提高，在一定程度上克服了常规PID控制的弊端，从而提高了系统的控制效果。

从图4、图5的仿真结果可以得出，模糊自适应PID控制的优点比较明显，系统的上升时间较短，超调量较小，调整的时间相对缩短，震荡次数较少。

从图6、图7、图8完成了对PID参数在线调整，满足要求，将本方法用于中央空调这个滞后、不确定、多干扰系统的控制是可行的。

5 软件的设计

5.1 下位机的设计

下位机的程序系统包括冷/热水系统控制程序、新风机组控制程序、空调机组控制程序和风机盘管控制程序4大部分。利用Step 7 5.4进行编程，由于有很多算法在功能和结构上是非常相似的，因此编程时尽量使用结构化编程思想，把各种功能相同的程序封装成标准的功能模块（FC/FB）后共用，从而优化程序。

5.2 上位机的设计

根据系统的要求，本文选用组态软件WinCC，它支持TCP/IP协议和OPC（OLE for Process Control）标准。利用WinCC的变量管理器、图形编辑器和报警记录等各种功能组态监控系统的人机界面，界面主要包括登录界面、主控系统和水泵界面等。

从系统首页界面可以进入其他监控画面，各个界面之间也可以相互切换。从上位机的监控画面可直观观察现场设备的运行状态，直观地观看到数据的变化。

6 MATLAB和PLC之间的通信

MATLAB 7.0以上的软件含有OPC工具箱，OPC是一种用于过程控制的对象链接与嵌入OLE（Object Linking and Embedding）接口，OPC以其独有的开放性、互联性、高效性在产业控制中占有主导地位。OPC采用客户/服务器体系（C/S），在客户和服务器之间建立通信，实现动态数据的交换。

针对中央空调系统，选用MATLAB作为OPC的客户端，组态软件WinCC作为OPC的服务器，由于现场设备的分散性，控制室和现场设备距离较远，上位机和下位机之间选用过程现场总线（Profibus）。MATLAB与PLC的过程控制结构如图9所示。

本系统以西门子PLC S7-300作为下位机对现场数据进行采集，以组态软件WinCC为下位机数据总控平台，通过OPC接口和Profibus总线把现场信号和MATLAB方便地连接起来，实现PLC采集到的实时数据通过数据交换传给MATLAB进行计算处理，再将运算处理的结果传给下位机PLC，由PLC输出模块控制信号，实现过程控制，利用WinCC监控实现远距离自动和手动控制。

针对中央空调系统存在非线性、不确定性和干扰性等问题，本文提出了模糊自适应PID控制，克服了常规PID的缺点，并通过MATLAB进行了仿真。仿真结果表明，模糊自适应PID控制具有响应速度快、该超调量比较小、抗干扰能力较强和鲁棒性较好的优点，将该方法用于中央空调系统是可行的。但是MATLAB不能与现场设备直接连接，因此将MATLAB和PLC控制相结合，利用OPC技术实现MATLAB和PLC之间的动态数据交换，达到智能控制的目的。其为实践奠定了坚定的基础，对中央空调的舒适和节能运行具有指导意义。