電阻爐溫度模糊控制的 PLC實(shí)現(xiàn)

許智榜

(華東交通大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院,江西南昌 330013)

電阻爐溫度模糊控制的 PLC實(shí)現(xiàn)

許智榜

(華東交通大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院,江西南昌 330013)

介紹了一種基于 PLC的爐溫模糊控制方法,并詳細(xì)介紹了模糊控制 PLC的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。該方法將模糊控制與 PLC控制系統(tǒng)相結(jié)合,既發(fā)揮 PLC的可靠、靈活、適應(yīng)性強(qiáng)的特點(diǎn),也大大提高控制系統(tǒng)的智能化程度。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,該方法能獲得較好的穩(wěn)態(tài)精度和動(dòng)態(tài)特性。

PLC;模糊控制;FX2N-4AD-TC;FX2N-2DA

在工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中,溫度是最常見(jiàn)最廣泛的過(guò)程參數(shù)之一,由于溫度控制過(guò)程具有非線(xiàn)性慢時(shí)變純滯后的特點(diǎn),很難對(duì)其精確控制?？删幊炭刂破鱌LC在工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用逐步普及,功能指令也越來(lái)越強(qiáng)大,結(jié)合各種功能模塊,能夠?qū)崿F(xiàn)許多復(fù)雜的過(guò)程控制。用 PLC實(shí)現(xiàn)溫度的模糊控制,既發(fā)揮PLC的可靠、靈活、適應(yīng)性強(qiáng)的特點(diǎn),也大大提高控制系統(tǒng)的智能化程度[1]。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

基于 PLC的溫度控制系統(tǒng)以三菱 FX-2N型PLC為控制核心,由 PLC輸入、輸出擴(kuò)展模塊,熱電偶,雙向晶閘管、移相觸發(fā)控制等組成,其結(jié)構(gòu)如圖1所示。J型熱電偶與 FX2N-4AD-TC模擬量輸入模塊匹配,標(biāo)定的溫度范圍為 -100—600℃,數(shù)字輸出范圍為 -1000—6000。PLC通過(guò) FX2N-4AD-TC和 J型熱電偶,讀取電阻爐溫度,計(jì)算偏差和偏差變化。查詢(xún)模糊控制表得到控制量,經(jīng)過(guò)模擬量輸出模塊 FX2N-2DA輸出 0—10 V電壓,對(duì)雙向晶閘管進(jìn)行移相觸發(fā)控制。

圖1 PLC溫控系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)圖

雙向晶閘管的移相控制,就是雙向晶閘管在電路中導(dǎo)通時(shí)間即導(dǎo)通角的控制,通過(guò)改變導(dǎo)通角來(lái)改變電爐的平均電壓達(dá)到功率控制。對(duì)雙向晶閘管的控制常采用從交流過(guò)零點(diǎn)開(kāi)始定時(shí),計(jì)算觸發(fā)延時(shí)角 (與導(dǎo)通角互補(bǔ))。采用模糊控制計(jì)算出觸發(fā)角,轉(zhuǎn)換為 0—10V電壓值經(jīng) FX2N-2DA輸出,與最大值為 10 V鋸齒波進(jìn)行比較,從而得到控制角度。通過(guò)計(jì)算,當(dāng)導(dǎo)通角在 30°—150°之間變化時(shí),電爐上對(duì)應(yīng)的平均功率的變化為 3%—97%,符合控制要求。

2 爐溫控制模糊算法

模糊控制 (FUZZY CONTROL)由模糊控制器模擬人的思考判斷方法,將人的經(jīng)驗(yàn)控制策略改寫(xiě)為模糊控制規(guī)則,特別適用于具有非線(xiàn)性,大滯后、強(qiáng)耦合特性的復(fù)雜系統(tǒng)。模糊控制器包括輸入量模糊化,模糊控制規(guī)則推理和解模糊三個(gè)部分[2]。模糊控制器的基本結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 模糊控制器原理圖

圖中 r為被控對(duì)象的給定值,y為實(shí)測(cè)值,偏差e=r-y,偏差變化率 Δe=et-et-1,其中 et、et-1分別為當(dāng)前時(shí)刻和前一個(gè)采樣時(shí)刻的偏差。E、ΔE分別為偏差 e、偏差變化率Δe經(jīng)過(guò)模糊量化后得到的量化輸入,U為模糊控制算法得出的模糊控制輸出量,U解模糊化后得到實(shí)際輸出 u[3]。

2.1 輸入變量論域的離散化

在模糊控制器中,真實(shí)論域要變換到內(nèi)部論域,首先確定連續(xù)變量的變化范圍,然后確定離散論域,得到離散論域上的輸入變量 E和ΔE。e的基本論域取值取為[-30,30],將基本論域區(qū)間值按四舍五入原則量化為離散論域區(qū)間 [-2,2]的論域元素,如表1所示。表1中 E的值為了方便建立查詢(xún)表,都增加了一個(gè)偏移量 2。采用同樣方法對(duì)Δe進(jìn)行離散論域轉(zhuǎn)化。

表1 將輸入量 e化為離散論域元素

2.2 隸屬函數(shù)

對(duì)于偏差 e和偏差的變化率Δe,只在某一時(shí)刻才是確定的值,即在某時(shí)刻的模糊量是一個(gè)元素隸屬度為 1,其他元素隸屬度為 0?？紤] e,Δe模糊化過(guò)程和輸出 u的解模糊過(guò)程,規(guī)定偏差 e,偏差變化率Δe和控制量 u對(duì)應(yīng)的模糊量隸屬度分別為：

即 e,Δe的模糊量的隸屬函數(shù)為方波,u的模糊量的隸屬函數(shù)是單點(diǎn)。將溫度偏差、溫度偏差變化率都分為負(fù)大 (NB)、負(fù)小 (NS)、零 (0)、正小 (PS)、正大(PB)五個(gè)模糊量。控制的實(shí)質(zhì)是控制雙向晶閘管的觸發(fā)控制角,FX2N-2DA輸出電壓 0～10V對(duì)應(yīng)的數(shù)字量為 0—4000,故采用輸出七個(gè)單點(diǎn)分別為 0,667,1333,2000,2667,3333,4000。即對(duì)應(yīng)觸發(fā)控制角 0°,30°,60°,90°,120°,150°,180°。其模糊量的隸屬函數(shù)如圖3所示。

圖3 輸入、輸出隸屬函數(shù)

2.3 模糊推理

在控制系統(tǒng)中,如果相對(duì)于任何已給偏差 e和偏差的變化Δe,都進(jìn)行計(jì)算而求取即時(shí)的控制量 u,顯然要花費(fèi)大量的計(jì)算時(shí)間,這樣在控制系統(tǒng)中就會(huì)出現(xiàn)響應(yīng)速度不夠的問(wèn)題,為克服即時(shí)計(jì)算消耗大量時(shí)間的缺點(diǎn),在模糊控制中采用模糊控制表的方法,無(wú)需計(jì)算可以查表得出控制量。

根據(jù)控制經(jīng)驗(yàn)歸納出模糊控制規(guī)則,模糊控制規(guī)則采用最大隸屬函數(shù)法,其推理一般形式為：IFE=EiANDΔE=ΔEjthenu=uk。根據(jù)已經(jīng)建立的模糊語(yǔ)言變量賦值表和模糊控制規(guī)則,利用M A TL A B編制程序進(jìn)行模糊推理和模糊判決,建立離線(xiàn)的模糊控制查詢(xún)表,如表2所示[4]。

表2 模糊控制查詢(xún)表

3 程序設(shè)計(jì)

3.1 PLC控制系統(tǒng)程序流程

PLC溫度控制系統(tǒng)程序流程圖如圖4所示,首先開(kāi)機(jī)設(shè)定各個(gè)參數(shù)初始值,將建立的離線(xiàn)模糊控制查詢(xún)表,按照一定的規(guī)律將其存放在D200開(kāi)始的 25個(gè)寄存器中。利用溫度模塊將輸入量采集到 PLC的數(shù)據(jù)寄存器D100中,判斷其所對(duì)應(yīng)的輸入模糊論域,查詢(xún)模糊控制查詢(xún)表,求得模糊輸出量控制輸出。

圖4 主程序流程

主程序如圖5所示,當(dāng)定時(shí)時(shí)間到,開(kāi)始調(diào)用模糊控制子程序,得到控制量存入 D120中,經(jīng) FX2N-2DA輸出 0—10 V電壓值,與鋸齒波進(jìn)行比較,產(chǎn)生觸發(fā)信號(hào),使雙向晶閘管導(dǎo)通。

圖5 主程序

3.2 模糊控制 PLC實(shí)現(xiàn)

當(dāng)定時(shí)采樣時(shí)間到,采用 FX2N-4AD-TC模塊,開(kāi)通通道一與 J型熱電偶配合進(jìn)行溫度讀取,程序如圖6所示。讀取溫度值存入 D100。計(jì)算誤差和變化率,存入D110和D111中,利用比較指令與預(yù)設(shè)值進(jìn)行比較,從而獲得溫度誤差和溫度變化率的論域,采用基址 +偏移地址尋址的方法,讀取查詢(xún)表對(duì)應(yīng)值得到輸出控制量。模糊控制查詢(xún)程序如圖7所示。

圖6 溫度讀取梯形圖

圖7 模糊控制查詢(xún)梯形圖程序

D120～D123存放溫度偏差預(yù)設(shè)值,D124～D127存放溫度偏差變化率預(yù)設(shè)值,將 D110和 D111與預(yù)設(shè)值進(jìn)行比較后對(duì) D115和 D116進(jìn)行設(shè)定值,將 D115乘以 5后與 D116相加得到偏移地址,從而加基址尋址得到控制量D118。將控制量D118的值經(jīng) FX2N-2DA的通道一輸出,輸出轉(zhuǎn)換梯形圖見(jiàn)主程序 (圖5)。

4 結(jié)束語(yǔ)

使用三菱 FX2N系列輸入、輸出擴(kuò)展模塊 FX2N-4AD-TC,FX2N-2DA在 PLC上實(shí)現(xiàn)溫度模糊控制,使PLC擺脫只能處理邏輯量的限制,加大 PLC的應(yīng)用范圍。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,設(shè)計(jì)的基于 PLC溫度模糊控制系統(tǒng)超調(diào)量為 2%,穩(wěn)態(tài)誤差為 ±1%,控制效果良好。

[1] 俞紅衛(wèi).一種 P ID控制與模糊控制相結(jié)合的智能溫度控制系統(tǒng)[J].上海應(yīng)用技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào) ,2007,7(2)：106-109.

[2] 王志凱,郭宗仁.PLC實(shí)現(xiàn)模糊控制的兩種設(shè)計(jì)方法[J].中國(guó)儀器儀表,2002(1)：4-6.

[3] 汪小澄,方強(qiáng).基于 PLC的模糊控制研究[J].武漢大學(xué)學(xué)報(bào),2002,35(3)：79-80.

[4] 劉建輝,冀常鵬.單片機(jī)智能控制技術(shù) [M].北京：國(guó)防工業(yè)出版社,2007.

[5] 許智榜.基于 SpComm控件的上位機(jī)與 FX2N型 PLC串行通信的實(shí)現(xiàn)[J].武漢工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào) ,2008,27(4)：36-39.

Fuzzy-controller for furnace temperature achieved by PLC

XU Zhi-bang
(School of Electrical and Electronic Engineering,East-China Jiaotong University,Nanchang 330013,China)

The methods of using fuzzy-controller based on PLC for furnace temperature were carried out,and details of the fuzzy-controller implementation in PLC were given.The methods that combine fuzzy-controller and PLC control systems can play PLC reliable,flexible and adaptable features,but also enhance the intelligent control of systems. Experimental results show that the method can obtain better steady-state accuracy and dynamic characteristics.

PLC;fuzzy-controller;FX2N-4AD-TC;FX2N-2DA

TP 273.4

A

1009-4881(2010)01-0050-03

10.3969/j.issn.1009-4881.2010.01.014

2009-10-12.

許智榜 (1971-),男,副教授,E-mail：xyshi@4y.com.cn.