模糊控制的ＰＬＣ網(wǎng)絡(luò)化溫度控制系統(tǒng)

[摘 要] 本文以組態(tài)軟件為平臺，通過PLC構(gòu)建了一個分布式溫度自動控制閉環(huán)系統(tǒng)，實現(xiàn)對現(xiàn)場溫度的自動控制。采用模糊算法完成了調(diào)節(jié)器的設(shè)計，并對其控制特性進行了分析。借助組態(tài)軟件良好的人機界面，完成了溫度的動態(tài)顯示和實時溫度曲線的記錄，并實現(xiàn)遠程控制，實現(xiàn)了系統(tǒng)的數(shù)字化，智能化，網(wǎng)絡(luò)化。

[關(guān)鍵詞] PLC 組態(tài)軟件 模糊算法 遠程控制

模糊控制比傳統(tǒng)的PID 控制等方法， 在強時變、大時滯、非線性系統(tǒng)中的控制效果有著明顯的優(yōu)勢。將模糊控制技術(shù)應(yīng)用于各種過程控制系統(tǒng)中，在國內(nèi)外已是很普遍的現(xiàn)象。PLC是工業(yè)控制常用的控制部件， 把二者結(jié)合起來， 可使控制系統(tǒng)的性能指標(biāo)達到最優(yōu)?；谀：刂萍夹g(shù)的PLC網(wǎng)絡(luò)化溫度控制系統(tǒng)， 是對傳統(tǒng)的過程控制系統(tǒng)的改造， 具有達到設(shè)定溫度的時間短、穩(wěn)態(tài)溫度波動小、反應(yīng)靈敏、抗干擾能力強、節(jié)省電能等優(yōu)點。相比傳統(tǒng)的計算機溫度控制系統(tǒng)，由PLC構(gòu)成的溫度控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更簡單，可靠性更高，成本更低，而且可以方便地利用組態(tài)軟件構(gòu)建一個簡單的的分布式控制系統(tǒng)（DCS），實現(xiàn)系統(tǒng)的數(shù)字化，智能化，網(wǎng)絡(luò)化，管理控制一體化，信息集成化。

一、系統(tǒng)構(gòu)建

系統(tǒng)主要由三大部分組成。第一部分由上位計算機、個人計算機、服務(wù)器構(gòu)成生產(chǎn)管理層；第二部分由現(xiàn)場總線系統(tǒng)構(gòu)成中間過程控制層；第三部分由可編程序控制器（PLC）、數(shù)模轉(zhuǎn)換器（D/A）、溫度調(diào)控環(huán)節(jié)構(gòu)成現(xiàn)場控制層。生產(chǎn)管理層設(shè)在中控室，通過網(wǎng)絡(luò)與中間控制層聯(lián)系，完成對整個生產(chǎn)過程的監(jiān)控和管理。過程控制層為CC-Link現(xiàn)場總線系統(tǒng)，它接收上位機的各種指令，并協(xié)調(diào)現(xiàn)場設(shè)備的工作，同時對現(xiàn)場各種數(shù)據(jù)進行處理并向上層傳送?，F(xiàn)場控制層為多路具有各種控制功能的多點控制單元，PLC為三菱FX2N，數(shù)模轉(zhuǎn)換器為FXON-3A，溫度調(diào)控環(huán)節(jié)為可控調(diào)相閉環(huán)系統(tǒng)，具體完成對現(xiàn)場溫度的控制。系統(tǒng)構(gòu)建如圖1所示。

二、溫度控制

溫度控制指令由中控遠程發(fā)布，具體調(diào)控則由底層溫度調(diào)控執(zhí)行單元完成?？刂圃砜驁D如圖2所示。r(t)為中控發(fā)布的溫度給定信號，調(diào)節(jié)器由PLC及FXON-3A數(shù)模轉(zhuǎn)換器構(gòu)成，執(zhí)行機構(gòu)采用可控調(diào)相整流器，被控對象為加熱電阻絲，測量元件選用WB系列溫度變送器。

1.模糊控制調(diào)節(jié)器的設(shè)計

由于溫度具有純滯后特性，采用常規(guī)的PID調(diào)節(jié)器或改進型PID調(diào)節(jié)器，溫度控制精度不高，特別是溫度超調(diào)較大。而采用模糊控制設(shè)計的調(diào)節(jié)器可以獲得良好的溫度控制特性。

模糊控制系統(tǒng)的核心部分是模糊控制器，模糊控制器的控制規(guī)律由軟件程序?qū)崿F(xiàn)，控制的基本思想:根據(jù)給定值與反饋值的比較得到偏差信號e，一般選取偏差信號e作為模糊控制器的一個輸入量，把偏差信號e的精確量進行模糊化變成模糊量，偏差e的模糊量可以用相應(yīng)的模糊語言表示，得到了偏差e的模糊語言集合的一個子集。再由模糊子集和模糊控制規(guī)則（模糊關(guān)系）根據(jù)推理的合成規(guī)則進行模糊決策，從而得到模糊控制量u。

模糊控制器的基本結(jié)構(gòu)如圖3所示。

模糊控制器主要包含三個功能環(huán)節(jié):用于輸入信號處理的模糊量化和模糊化環(huán)節(jié)，模糊控制算法功能單元，以及用于輸出解模糊化的模糊判決環(huán)節(jié)。其中e和c分別是系統(tǒng)偏差和偏差的微分信號，也就是模糊控制器的輸入，u為控制器輸出的控制信號，E、C、U為相應(yīng)的模糊量。

(1)控制規(guī)則

由圖3可知，模糊控制器的輸入變量為e，觸發(fā)電壓u作為模糊控制器的輸出變量，u的變化為電壓直接控制加熱元件供電電壓的高低。設(shè)描述輸入變量及輸出變量的語言值的模糊子集為:

{負大，負中，負小，零，正小，正中，正大} 現(xiàn)簡記為 ：

NB=負大，NM=負中，NS=負小，Z=零，PS=正小，PM=正中，PB=正大。

溫度偏差e的論域[+n，-n]可量化為7個等級，分別表示為E = {-3，-2，-1，0，+1，+2，+3}，每級相差1度，即n=3，emax=3，emin=3。取轉(zhuǎn)換系數(shù)并將偏差E的隸屬度賦值。同樣把執(zhí)行控制量u的論域也量化為7個等級U={-3，-2，-1，0，+1，+2，+3}，也將U的隸屬度賦值，則可得到溫度控制的控制規(guī)則：

① if E = NB then U = PB ……R1

② if E = NM then U =PM ……R2

③ if E = NS then U = PS ……R3

④ if E = Z then U = Z……R4

⑤ if E = PS then U = NS ……R5

⑥ if E = PM then U = NM ……R6

⑦ if E = PB then U = NB ……R7

從上述規(guī)則可以看出：如果實際溫度小于給定值，則應(yīng)加大可控硅的導(dǎo)通角，差值越大，導(dǎo)通角變大越多，反之亦然。按照上述規(guī)則，可計算每條規(guī)則的模糊關(guān)系Ri（i=1，2，…，7），考慮到這些模糊關(guān)系之間具有“或”的關(guān)系，所以描述整個系統(tǒng)的控制規(guī)則E*U的Fuzzy關(guān)系R為R=R1∪R2∪…∪R7。求Ri（i=1，2，…，7）的運算按下式進行:Ri=E×U＝ET·U，則R1＝(NB)E×(PB)U。同樣也可計算出:R2，R3，R4，R5，R6，R7，則R=R1∪R2∪…∪R7。

(2)模糊推理和解模糊化

得到系統(tǒng)的模糊控制規(guī)則R后，當(dāng)采樣偏差為E時，就可得到相應(yīng)的控制量U=E·R。解模糊化方法按最大隸屬度法，“-1”級的隸屬度最大，控制量應(yīng)取“-1”級，可求出表1所示的控制策略表。

有了控制策略表，下一步就是要求出U = {-3，-2，-1，0，+1，+2，+3}七個級所對應(yīng)的精確執(zhí)行控制量，該量即為最后的執(zhí)行控制量u。執(zhí)行控制量u的范圍為[umax，umin]。

設(shè)轉(zhuǎn)換系數(shù): （1）

于是有: （2）

這樣就求出了七個級所對應(yīng)的精確執(zhí)行控制量，按照控制策略表和七個級所對應(yīng)的精確執(zhí)行控制量就可編譯成PLC的程序，從而完成調(diào)節(jié)器的設(shè)計。

(3)控制策略的調(diào)整

為了加快整個系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)過程，在E=-3（即 e =3）， E=PB以前，先將給定電壓調(diào)到最大化，加全壓，此時的輸出控制電壓為4.9V，這樣做的目的，可以提高整個系統(tǒng)的快速反映能力。在e =-1，-2，-3時，我們選擇執(zhí)行控制量u=0V，原因是在e=0時，系統(tǒng)在控制量u的作用下也可能出現(xiàn)暫時的、小的超調(diào)，及時切斷輸出的控制作用，僅利用系統(tǒng)的自身慣性維持溫度，當(dāng)溫度慢慢回到給定值時，模糊控制器又會有輸出，長期保持溫度在一定的范圍內(nèi)穩(wěn)定。

降溫策略：針對控制對象，當(dāng)需要降溫時，通常采用的方法是自然降溫，即是控制器沒有輸出，僅僅依靠室溫來降溫。為了克服水溫的慣性大的特點，可采用進冷水排熱水的方法使水槽的水溫迅速降下來，避免僅僅利用環(huán)境溫度使系統(tǒng)降溫的不足。關(guān)鍵問題是放出熱水的“量”與泵進冷水的“量”如何選取？根據(jù)現(xiàn)場決策，即究竟溫度要降低多少做出一個初步的判斷，然后進入到“放水”—“進水”這樣一個循環(huán)操作，在溫度降到某個“值”（這個“值”略高于降溫后的期望溫度值，即當(dāng)E = NM）時，及時跳出這個循環(huán)子程序，讓系統(tǒng)依靠自身的慣性及調(diào)節(jié)器的作用完成溫度的調(diào)整。這樣做就避開對放出熱水的“量”與泵進冷水的“量”的確切把握，而是從另一個角度對放出熱水的“量”與泵進冷水的“量”進行了控制，這樣做簡單，且容易實現(xiàn)，控制效果也較為明顯，不需要進行復(fù)雜的運算就可以達到降溫的目的。從而使所設(shè)計的恒溫系統(tǒng)實現(xiàn)一定的智能化。

根據(jù)以上控制規(guī)則和控制策略可得到PLC程序流程（如圖4所示）。

2.模糊控制運行結(jié)果

系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)后，從中控室組態(tài)軟件的監(jiān)控畫面上可以觀測到溫度的動態(tài)顯示和溫度記錄曲線。系統(tǒng)運行開始時，系統(tǒng)運行開始時，實測溫度為18度，給定值為60.35℃，應(yīng)用模糊控制算法設(shè)計的調(diào)節(jié)器，響應(yīng)速度快，在加熱30分鐘左右就直接進入了穩(wěn)態(tài)，而且沒有出現(xiàn)超調(diào)現(xiàn)象，同時也有很好的抗干擾能力。30分鐘運行監(jiān)控結(jié)果（如圖5所示），60分鐘運行監(jiān)控結(jié)果（如圖6所示）。

三、結(jié)論

運行結(jié)果表明，基于模糊算法設(shè)計的控制調(diào)節(jié)器對系統(tǒng)的控制效果與期望的相差無幾，大大縮短了動態(tài)響應(yīng)過程，提高了穩(wěn)態(tài)精度，溫度無超調(diào)，系統(tǒng)具有很好的魯棒性，干擾和參數(shù)變化對控制效果的影響被大大減弱，特別適合于非線性、強時變和純滯后對象的控制。而基于組態(tài)軟件的PLC網(wǎng)絡(luò)便于大規(guī)模集中監(jiān)控。

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