基于PLC的熱封溫度模糊控制運用

【摘要】PLC作為主控制器可以擁有傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)的控制功能，同時也可以通過它來實現擴展智能模塊的方式，以達到對系統(tǒng)的溫度控制、閉環(huán)控制以及位置控制等等以適應比較靈活的工業(yè)控制的需要。PLC的特點包含了高集成性、高效性、很強的抗干擾性、靈活的組態(tài)形式，這使得它成為了現代工業(yè)控制中廣泛采用的主控制器。我們把PLC當做控制器，在進行溫度的模糊控制的時候，利用先進的溫度控制算法再加上步進電機控制模塊，再通過PLC的串口通訊來與PC機連接，可以構成一個操作十分便捷的界面友好的溫度控制系統(tǒng)。

【關鍵詞】PLC;溫度模糊控制

一、前言

在工業(yè)生產中，溫度是一個最為常見的過程變量參數之一。溫度的影響因素很多而且非常復雜，導致了溫度控制無法采用線性分析，而且它又有慢時變、純滯后等等的特點，所以人們無法對它進行有效的控制，所以我們研究出模糊控制來大致準確得把握溫度的變化，從而做到控制的目的。

目前很多產品都對熱封制袋有著很大的需求，由于受到不同因素的影響，導致熱封切刀的溫度不穩(wěn)定，沒有較強的抗干擾能力，切口也不美觀，而且由于溫控對象難以建立準確的數學模型[1]，所以結合PLC的綜合控制能力，對熱封的溫度進行模糊控制，使熱封可以在不同的環(huán)境下，做出合理熱封溫度的判斷，這樣做可以大大減輕人工壓力，同時保障了產品的可靠性，有著比較強的應用價值。

二、模糊控制

1.模糊系統(tǒng)的概念

模糊控制這個概念的提出，主要是由于一些變量的影響因素比較多，所以采用模糊控制可以比較準確得反映出變量的變化規(guī)律，從而對其進行控制。模糊控制將不再依賴研究對象的數學模型，它是比較模糊的邏輯，有著比較強大的抽象能力以及強大的非線性處理能力。這種控制的方法對過程參數的變化以及物理過程沒有較為詳細的監(jiān)控，但是得出的分析結果卻與實際相差不大，所以模糊控制在實際控制系統(tǒng)中有著很廣泛的應用。

通過上圖我們可以看出，r代表系統(tǒng)的設定值，e表示了系統(tǒng)的誤差，而誤差變化率是ec，E、EC、U三個量是系統(tǒng)誤差、誤差變化以及控制量的模糊量，u控制模糊控制器的作用，y是系統(tǒng)的輸出。

2.模糊控制規(guī)則

模糊控制器有兩個輸入量，誤差e和誤差變化ec，模糊控制就是根據監(jiān)測到的溫度與設定值比較得出偏差，從而調整輸出控制量u。

模糊規(guī)則有一個原則：控制的初期，由于誤差相對比較大，需要選擇效果比較明顯的控制作用，從而減緩上升空間，使精度提高;控制的中期，由于誤差比較小，可以考慮效果中等的控制作用，可以減小超調的發(fā)生，較快得過渡系統(tǒng);控制的后期，由于誤差已經接近設定閥值，需要選擇比較小的控制作用，有的情況中甚至關閉控制作用，從而減小超調，以防止系統(tǒng)出現震蕩。

模糊規(guī)則的輸出量是模糊量，無法直接對它進行進行輸出，所以還需要對輸出結果進行解模糊，這里就不過多敘述

三、熱封系統(tǒng)

1.熱封系統(tǒng)的組成

熱封是熱封切刀機械運動完成的，刀片的溫度是旋轉變壓器旋鈕調整的。熱封切刀的材質是鐵鉻鋁合金，它安裝在氣缸執(zhí)行機構上，它有一個可調式變壓器作為電源。塑料膜的后端有一個由PLC控制的交流異步電機。與變壓器相連接的熱封切刀在電流通過的時候，刀片被持續(xù)加熱，當溫度達到了切割的溫度時候，信號會通過回路傳送到PLC，PLC再通過控制連接到熱封切刀的氣缸，通過一系列的傳動可以完成切割塑料袋并且熱封的整個動作。如果熱封切刀的溫度超過了工作溫度時，需要斷開加熱切刀的加熱電源，也就是變壓器，待切刀的溫度降低后再重新使用。

2.系統(tǒng)的軟件設計

系統(tǒng)的軟件主要的組成有主要功能模塊、寄存器的設置、溫度的信號采集、數據的處理以及儲存。根據PLC的Hostlink協(xié)議，波特率設置是9600B/s，設置無奇偶校驗，8位數據位[2]。參照下圖。

四、熱封的模糊控制

1.PID控制

現在的自動控制技術基本上都建立在負反饋的基礎上的，反饋的理論主要包羅了監(jiān)測、比較以及執(zhí)行的三個方面。對被控對象進行監(jiān)測，與設定的理想值進行比較后，通過對誤差的處理來調整系統(tǒng)。PID系統(tǒng)就是通過這種方式來對系統(tǒng)進行控制的系統(tǒng)之一。PID控制系統(tǒng)應用范圍很廣，使用比較靈活，而且非常簡單易懂，只需要設定三個參數，即比例系數kp，積分時間常數TI，以及微分時間常數TD。而大多數情況下只需要其中的一兩個單元就可以完成控制。

工業(yè)過程中很多過程都是非線性以及時變的，只有不斷的簡化才可以變成可以線性處理的系統(tǒng)，PID便可以對其進行控制。PID參數較為容易確定，只需要參考三個有關變量進行及時整定就可以，但是如果過程發(fā)生動態(tài)特性變化，PID的參數需要重新確定。

2.熱封溫度模糊控制

選擇PID控制與模糊控制相結合的方式，通過分工來對溫度進行控制。在大誤差范圍內采用模糊控制的方法，而對于誤差比較小的情況就切換到PID控制，切換開關通過軟件實現，首先對程序設定一個誤差的允許范圍，在運行時，系統(tǒng)查詢是否達到誤差要求，判斷結果控制控制器進行適當的轉換[3]。

3.系統(tǒng)數學模型

設熱封切刀以及環(huán)境都會獲得熱流Φ。如果熱封切刀的質量為m，比熱是C，環(huán)境的溫度是t0，熱封切刀的溫度設為T，散熱系數為h，表面積為A，熱流率定為Q，熱封切刀的吸收熱量是周圍環(huán)境的散熱還有制袋吸收的熱量之和，即：

在平衡點附近的線性化可以得到：

將上面兩個式子進行歸化：

上式中，ΔT是切刀的溫度變化，T0=mC/hA是切刀的時間常數，K=Ku/hA是傳熱系數。通過拉普拉斯變換等等可以將上式變化成：

上式中τ是切刀的滯后時間，代表了切刀溫度變化落后電壓的變化。

上圖是系統(tǒng)仿真模型圖，下圖是階躍響應曲線。

t=800s的時候，加入擾動，響應過程由下圖所示：

五、結語

由于模糊控制不依賴對象的數學模型，有著很強的模糊邏輯的能力，可以較為抽象得處理非線性的情況，同時由于采用模糊控制，所以不必對一些復雜的過程變量過多考慮，對于溫度這一個變量來說，由于受到環(huán)境、時間、材質等等各種因素影響，無法很準確的把握，所以采用模糊控制是比較方便的控制手段。本設計采用了模糊控制的方式，可以減小誤差與上升時間，保證了精度的基礎上擁有良好的抗干擾能力，有著很強的應用價值。

參考文獻

[1]李霞.制袋機溫度控制系統(tǒng)的研究[D].武漢.2005（2）： 24-25.

[2]原佳寧，孟焯.棉麻改性中微波去除殘余介質的模糊控制系統(tǒng)研究[J].制造業(yè)自動化，2012（10）：79-83.

[3]李士勇.模糊控制[M]哈爾濱.哈爾濱工業(yè)大學出版社，2011：73-97.

作者簡介：

包毅（1981—），男，廣西柳州人，大學本科，畢業(yè)于武漢科技大學，廣西大學電氣工程學院工程碩士（在讀），工程師，研究方向：過程控制及信息化。