基于PLC的溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

摘要：針對鍋爐溫控系統(tǒng)響應(yīng)慢、精度低的問題，文章基于PLC結(jié)合傳統(tǒng)的PID控制，進(jìn)一步引入模糊控制算法實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)。通過MATLAB仿真驗(yàn)證了系統(tǒng)具有較高的控制精度及抗干擾性。

關(guān)鍵詞：溫控系統(tǒng)；PID控制；模糊控制算法

1 引言

隨著傳感器技術(shù)和控制算法的發(fā)展，溫度控制要求更高的精度和響應(yīng)速度。溫度控制廣泛應(yīng)用于各工業(yè)生產(chǎn)過程，通常采用PID控制方法，針對不同的控制對象選擇不同的PID參數(shù)。模糊PID控制是一種模仿人類思維和經(jīng)驗(yàn)的控制算法，穩(wěn)定性高，且可應(yīng)用于不同的控制對象。PLC控制與模糊控制算法的結(jié)合，是工業(yè)控制領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一[1]。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1系統(tǒng)硬件

該系統(tǒng)由四個(gè)模塊組成，即采集模塊，控制模塊，顯示模塊和執(zhí)行模塊。采集模塊包含PT100溫度傳感器和變送器，溫度傳感器采集被測體的溫度，轉(zhuǎn)換成電信號，通過變送器將電信號轉(zhuǎn)換成4～20mA標(biāo)準(zhǔn)電流信號。然后由PLC擴(kuò)展模塊EM235提供的模擬輸入通道傳給PLC，經(jīng)PLC運(yùn)算處理后，將控制量發(fā)送給加熱及冷卻裝置來調(diào)節(jié)溫度，同時(shí)通過PLC的文本顯示屏來顯示實(shí)時(shí)溫度值。

2.2系統(tǒng)軟件

軟件部分基于S7-200 PLC平臺(tái)編寫程序，采用模糊PID算法進(jìn)行溫度控制，并在MATLAB平臺(tái)上仿真實(shí)現(xiàn)。

3 模糊PID控制算法

CPU根據(jù)系統(tǒng)偏差（偏差=給定值-反饋值）和偏差變化率（偏差率=當(dāng)前周期偏差-上周期偏差）查詢相應(yīng)的模糊控制表，得到Kp、Ki和Kd的設(shè)定值，然后進(jìn)行PID控制。

模糊控制規(guī)則的形成來自操作員或?qū)＜业慕?jīng)驗(yàn)，他們將知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)的控制轉(zhuǎn)化為控制決策表。這些規(guī)則可以用自然語言表達(dá)，通常只能形式化。模糊控制器用于模糊控制過程，系統(tǒng)偏差及偏差變化率作為模糊控制器的輸入。該方法不僅可以保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性，還可以減少過沖和振蕩現(xiàn)象。

PID控制對于線性時(shí)不變系統(tǒng)的控制是非常有效的，但對于非線性時(shí)變復(fù)雜系統(tǒng)來說控制效果不佳[2]。而模糊控制器可有效控制復(fù)雜或模型不清晰的系統(tǒng)。但模糊控制器缺少積分鏈接，很難完全消除系統(tǒng)靜差，且在變量分類數(shù)量不足的情況下，經(jīng)常在平衡點(diǎn)附近發(fā)現(xiàn)小的振蕩[3]。本文結(jié)合這兩種控制方法，建立一個(gè)兼具兩者優(yōu)點(diǎn)的模糊PID控制器。

4 軟件設(shè)計(jì)

首先，溫度控制系統(tǒng)的參數(shù)經(jīng)過初始化，主要是設(shè)置控制溫度和PID初始值，包括PID增益、積分時(shí)間，微分時(shí)間和采樣時(shí)間的設(shè)置。然后，通過傳感器在6400～320000范圍內(nèi)收集環(huán)境溫度作為數(shù)字信號。由于模糊PID算法需要實(shí)際格式溫度信號輸入，因此在PID算法處理之前需要對溫度信號進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。采集的數(shù)字信號被轉(zhuǎn)換成雙整數(shù)信號，然后轉(zhuǎn)換成實(shí)數(shù)。實(shí)際溫度由溫度計(jì)算公式計(jì)算并作為控制器輸入信號，經(jīng)模糊PID算法處理。輸出控制量給熱電阻和冷風(fēng)機(jī)來調(diào)節(jié)箱體溫度。

5 仿真驗(yàn)證

假設(shè)系統(tǒng)具有開環(huán)傳遞函數(shù)G（s）=1/S（2*S+5），并在Matlab中建立模糊控制系統(tǒng)，如圖1所示。此時(shí)，放大器增益=-1000，增益1=0.05，增益2=0.01。選擇受控對象及其參考模型，我們可以得到如圖2所示的仿真曲線。

6 結(jié)語

文中采用S7-200 PLC作為控制器，引入模糊PID控制算法，通過冷風(fēng)機(jī)和熱電阻作為執(zhí)行器來控制箱體溫度，并實(shí)時(shí)顯示實(shí)際溫度。系統(tǒng)控制具有精度高，穩(wěn)定性強(qiáng)的特點(diǎn)，且不易受外界干擾，有一定應(yīng)用前景。

參考文獻(xiàn)：

[1]李雪，劉燕，朱二光等，智能溫度模糊控制PID系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].信息記錄材，，2018（11）：118-120.

[2]李旻，基于模糊PID的電烘箱溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].機(jī)械制造與自動(dòng)化，2018（5）：235-237.

[3]黃良沛，鄒東，升陳磊等，一種模糊PID控制器的設(shè)計(jì)與仿真[J]. 機(jī)械工程師，2018（11）：7-9，13.

作者簡介：單素素（1988-），女，碩士研究生，山東協(xié)和學(xué)院助教，研究方向：計(jì)算機(jī)控制技術(shù)。