基于PLC的PWM與溫度模糊控制的烤箱控制系統(tǒng)

鄭艷鵬, 王志剛， 李彬彬， 胥 飛， 徐鵬輝， 郭 興

(上海電機(jī)學(xué)院 電氣學(xué)院, 上海 201306)

基于PLC的PWM與溫度模糊控制的烤箱控制系統(tǒng)

鄭艷鵬, 王志剛， 李彬彬， 胥 飛， 徐鵬輝， 郭 興

(上海電機(jī)學(xué)院 電氣學(xué)院, 上海 201306)

研究了基于可編程邏輯控制器(PLC)的脈沖寬度調(diào)制(PWM)與溫度模糊控制的烤箱控制系統(tǒng)。加熱模式采用高、中、低3檔自動(dòng)調(diào)節(jié)進(jìn)行加熱。該系統(tǒng)選用PLC觸摸屏一體機(jī)作為納米碳加熱材料控制器，利用PWM和溫度模糊控制來控制納米碳加熱模組。樣機(jī)實(shí)驗(yàn)表明，溫度控制精度高，超調(diào)量小，可用于多種工業(yè)溫度控制場(chǎng)合。

脈沖寬度調(diào)制； 模糊溫度控制； 溫度傳感器； 多功能電表

工業(yè)領(lǐng)域中，可編程邏輯控制器(Programmable Logic Controller，PLC)具有可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)、編程簡(jiǎn)單、功能強(qiáng)大、性價(jià)比高、使用方便等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代化的工業(yè)控制領(lǐng)域中[1-2]。目前，常用的加熱控制方法有脈沖寬度調(diào)制(Pulse Width Modulation，PWM)、比例-積分-微分控制(Proportion-Integral-Derivative，PID)、模糊控制3種方法，它們各有優(yōu)、缺點(diǎn)，被應(yīng)用于不同的控制場(chǎng)合。其中，PWM控制的加熱速度快，但超調(diào)量大、控制精度不高，常應(yīng)用于控制精度不高的場(chǎng)合[3-4]；PID控制的參數(shù)難以確定，在過程控制中常會(huì)發(fā)生大超調(diào)[5-6]，但是隨著時(shí)間的增加，會(huì)逐漸趨于穩(wěn)定，故加熱時(shí)間較長(zhǎng)，一般用于對(duì)加熱時(shí)間沒有要求的場(chǎng)合；模糊控制對(duì)參數(shù)變化的適應(yīng)性較強(qiáng)，在對(duì)象模型發(fā)生較大改變時(shí)也能獲得較好的控制效果，一般用于控制精度較高的場(chǎng)合[7-8]。

由于烤箱溫度控制具有較大的時(shí)滯性和時(shí)變性，繼電器控制方法很難得到理想的控制效果[9，11]。本文比較了上述3種加熱控制方法，研究了一種新型的PWM與溫度模糊控制相結(jié)合的烤箱控制系統(tǒng)，并使用了一種加熱時(shí)間短、升溫速度快、功耗低、綠色環(huán)保的新型的納米碳加熱材料[10]。通過將PWM與溫度模糊控制相結(jié)合的控制方法與PWM、模糊溫度控制方法進(jìn)行仿真比較，結(jié)果表明，本文方法控制新穎、靈活，溫控精度高，可用于多種控制場(chǎng)合。

1 烤箱控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

烤箱采用的供電電壓為380 V，頻率為50 Hz，功率為12 kW，采用高、中、低3檔(即全功率的90%、60%、15%)自動(dòng)調(diào)節(jié)進(jìn)行加熱，加熱的最高溫度為250 ℃?？鞠淇刂葡到y(tǒng)要求能精確地實(shí)現(xiàn)加熱時(shí)間控制和溫度控制，即從室溫加熱到目標(biāo)溫度并趨于穩(wěn)定的時(shí)間要求為15 min，溫度精度要求為±1℃。

1.1 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本文設(shè)計(jì)的12 kW烤箱的控制系統(tǒng)由PLC觸摸屏一體機(jī)、溫度傳感器、多功能電表、固態(tài)繼電器、納米碳模組等組成，如圖1所示。圖中，Y1為PWM的輸出。

圖1 12 kW烤箱的控制系統(tǒng)框圖

控制系統(tǒng)中，納米碳模組是一種由導(dǎo)電的納米碳發(fā)熱膜[11]與絕緣導(dǎo)熱體(如石英玻璃、陶瓷等)經(jīng)過高溫?zé)Y(jié)為一體的結(jié)構(gòu)，可直接進(jìn)行熱傳導(dǎo)，加熱均勻，熱交換面積大，電熱轉(zhuǎn)換效率達(dá)96%以上，且性能穩(wěn)定，啟動(dòng)電流平穩(wěn)，對(duì)電路無沖擊，耐電壓沖擊、安全可靠，電壓適用范圍6～380 V(AD/DC)，使用于合理溫度下，壽命是電阻絲的10倍以上，因此被廣泛應(yīng)用。

烤箱溫度控制實(shí)現(xiàn)過程如下：當(dāng)操作人員通過PLC觸摸屏設(shè)定烤箱目標(biāo)溫度TSV后，烤箱開始運(yùn)行，溫度傳感器以一定頻率采集烤箱實(shí)際溫度TPV，并與TSV進(jìn)行比較，得出箱內(nèi)溫度偏差E和偏差的變化率EC，即

E=TSV—TPV

EC=dE/dt

(1)

E和EC作為輸入進(jìn)入PLC；PLC經(jīng)內(nèi)部運(yùn)算后輸出一定寬度的脈沖信號(hào)，以通過控制納米碳模組的通斷時(shí)間，進(jìn)而控制烤箱溫度。如此循環(huán)，整個(gè)系統(tǒng)控制過程閉環(huán)運(yùn)行。

1.2 溫度模糊控制算法

烤箱溫度控制系統(tǒng)復(fù)雜，建模困難，傳統(tǒng)的控制方法難以建立其精確的數(shù)學(xué)模型[12-13]。本文使用模糊控制的方法來實(shí)現(xiàn)對(duì)烤箱的溫度控制。模糊控制的基本思想是根據(jù)操作人員手動(dòng)控制的經(jīng)驗(yàn)，總結(jié)出一套完整的控制規(guī)則，再根據(jù)系統(tǒng)當(dāng)前的運(yùn)行狀態(tài)，經(jīng)過模糊推理、模糊判決等運(yùn)算計(jì)算出控制量，實(shí)現(xiàn)對(duì)被控對(duì)象的控制[14-15]。

在烤箱溫度控制系統(tǒng)中，選用E和EC作為模糊控制器的輸入，控制量ΔU作為輸出。E、EC和ΔU的評(píng)價(jià)變量模糊子集均定義為{負(fù)大(NB)，負(fù)中(NM)，負(fù)小(NS)，零(0)，正小(PS)，正中(PM)，正大(PB)}，語言變量的基本論域均定義為{-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5，6}。E和EC由實(shí)際范圍轉(zhuǎn)化為對(duì)應(yīng)論域的公式為

(2)

式中，a、b分別為實(shí)際變化下限值、上限值。

本文采用三角函數(shù)作為隸屬度函數(shù)。根據(jù)烤箱實(shí)際工況和專家經(jīng)驗(yàn)，得出模糊控制規(guī)則如表1所示。

表1 模糊控制規(guī)則

依據(jù)表1的控制規(guī)則確定模糊控制關(guān)系為

R=R1∪R2∪R3…∪Rn,i=1,2,…,n

其中，Ri=(Ei×ECi)×ΔUi；Ei、ECi、ΔUi分別為E、EC、ΔU的模糊化集合。

基于推理合成規(guī)則，由E和EC的論域{-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5，6}，根據(jù)評(píng)價(jià)E和EC的賦值表求取相應(yīng)的評(píng)價(jià)變量控制量的模糊集合，即ΔU=(E×EC)R,從而取得以論域{-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5，6} 的元素表示的烤箱加熱時(shí)間變化量ΔUi；然后，采用最大隸屬度法進(jìn)行模糊判決，得到烤箱加熱時(shí)間的實(shí)際變化量ΔU′。

在烤箱溫度模糊控制系統(tǒng)中，模糊控制算法是整個(gè)系統(tǒng)的關(guān)鍵，在 PLC中實(shí)現(xiàn)。溫度模糊控制實(shí)現(xiàn)過程如下：先由控制系統(tǒng)進(jìn)行采樣，由執(zhí)行單元計(jì)算E和EC，并轉(zhuǎn)化到相應(yīng)的論域值；然后，通過查詢模糊控制規(guī)則表得到ΔU，進(jìn)而得到ΔU′，根據(jù)ΔU′控制納米碳發(fā)熱模組的加熱時(shí)間，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)烤箱溫度的調(diào)節(jié)。其實(shí)現(xiàn)流程如圖2所示。

1.3 PWM調(diào)功原理

Y1的輸出時(shí)序如圖3所示。圖中，ts為脈沖的固定周期時(shí)間。通過改變開通時(shí)間ton來改變Y1的脈沖寬度，脈沖寬度越大，功率越大。PWM控制思想是控制ton，使其分低、中、高3檔給固態(tài)繼電器輸入端控制信號(hào)，來控制固態(tài)繼電器輸出端的導(dǎo)通與通斷時(shí)間，使烤箱開始或停止加熱，最終實(shí)現(xiàn)加熱在高溫(90%功率)、中溫(60%功率)、低溫(15%功率)3個(gè)檔位。

圖2 模糊控制算法

圖3 Y1的輸出時(shí)序

1.4 PWM與模糊控制的組合控制

為了實(shí)現(xiàn)烤箱控制系統(tǒng)對(duì)加熱時(shí)間與精度的雙重控制，本文將PWM與模糊溫度控制相結(jié)合，圖4所示為PWM與模糊溫度控制相結(jié)合的控制總體流程。由圖可見，在加熱過程中，系統(tǒng)可自動(dòng)切換3個(gè)加熱檔位，使加熱的時(shí)間、溫度等精度得到提高。

2 仿真分析

本文利用中達(dá)優(yōu)控公司研發(fā)的人機(jī)界面編程軟件YKHIM，設(shè)計(jì)了烤箱的人機(jī)操作界面圖，如圖5所示。利用該界面可以讀取A、B、C相電壓，設(shè)置目標(biāo)溫度、顯示當(dāng)前溫度；當(dāng)電壓過低時(shí)，能及時(shí)報(bào)警，并顯示報(bào)警信息。

圖4 PWM+模糊控制程序流程圖

圖5 烤箱人機(jī)界面

利用YKHIM軟件分別對(duì)PWM控制、模糊溫度控制控制，以及本文研究的PWM與模糊溫度控制相結(jié)合的控制方法進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，圖6給出了3種控制方法的溫度響應(yīng)曲線。

由圖可見，PWM控制中，系統(tǒng)從開始加熱到溫度穩(wěn)定約36 min，加熱速度快，溫度穩(wěn)定需要的時(shí)間長(zhǎng)，超調(diào)量大，存在許多不利因素；模糊溫度控制中，系統(tǒng)從開始加熱到溫度穩(wěn)定約30 min，加熱速度有所減慢，但溫度穩(wěn)定需要的時(shí)間仍然較長(zhǎng)，超調(diào)量減小，控制精度高；PWM與模糊溫度控制相結(jié)合的控制方法，加熱時(shí)間明顯縮短，加熱速度快，約8 min就可以加熱到目標(biāo)溫度，12 min就能趨于穩(wěn)定，時(shí)間明顯縮短，且溫度超調(diào)量小，控制精度高。由此可見，PWM與模糊溫度控制相結(jié)合的控制方法具有較大的優(yōu)越性。

(a) PWM控制

(b) 模糊溫度控制

(b) PWM與模糊溫度控制相結(jié)合

表2給出了3種控制方法的參數(shù)對(duì)比表。由表可見，PWM控制時(shí)的加熱速度雖然很快，但是達(dá)到穩(wěn)定的時(shí)間較長(zhǎng)，超調(diào)量大，控制精度低；而模糊溫度控制時(shí)，雖然控制精度較高，且超調(diào)量小，但加熱速度慢，且達(dá)到溫度穩(wěn)定的時(shí)間較長(zhǎng)，故可用于對(duì)加熱速度沒有要求的場(chǎng)合；而PWM與模糊溫度控制相結(jié)合時(shí)，加熱速度快，達(dá)到穩(wěn)定的時(shí)間短，超調(diào)量小，控制精度高，可用于多種控制要求的場(chǎng)合，能夠滿足系統(tǒng)的控制要求。

表2 溫度控制參數(shù)對(duì)比表

3 結(jié) 語

本文選用PLC觸摸屏一體機(jī)作為納米碳加熱材料控制器，并利用PWM與溫度模糊控制相結(jié)合的控制方法來控制納米碳加熱模組。將PWM和溫度模糊控制相結(jié)合的控制方法與PWM、模糊溫度控制方法進(jìn)行仿真比較，結(jié)果表明，本文方法控制新穎、靈活，溫控精度高，可用于多種控制場(chǎng)合。

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PWM Control Based on PLC and Temperature Fuzzy Control

ZHENGYanpeng,WANGZHIGang，LIBinbin，XUFei,XUPenghui，GUOXing

(School of Electrical Engineering, Shanghai Dianji University, Shanghai 201306,China)

An oven control system using pulse width modulation (PWM) and temperature fuzzy control based on PLC are studied. The heating mode adopts automatic adjustment of three speeds: high, medium and low. The system use a PLC touch screen as a controller for the nanometer carbon heating material, and uses PWM and temperature fuzzy control to control the nanometer carbon heating module. Experimental results show that the temperature control precision is high, and the overshoot is small. The method can be used in many situations for industrial temperature control.

pulse width modulation (PWM); fuzzy temperature control; temperature sensor; multi-function meter

2017 -06 -28

鄭艷鵬(1989-)，男，碩士生，主要研究業(yè)方向?yàn)殡姎夤こ蹋?E-mail：2679934629@qq.com

王志剛(1979-)，男，實(shí)驗(yàn)師，主要研究方向?yàn)殡姎庾詣?dòng)化，E-mail: wangzg@sdju.edu.cn

2095 - 0020(2017)06 -0348 - 05

TP 273.4

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