模糊控制的ＰＬＣ网络化温度控制系统

1、模糊控制的网络化温度控制系统    摘 要 本文以组态软件为平台，通过PLC构建了一个分布式温度自动控制闭环系统，实现对现场温度的自动控制。采用模糊算法完成了调节器的设计，并对其控制特性进行了分析。借助组态软件良好的人机界面，完成了温度的动态显示和实时温度曲线的记录，并实现远程控制，实现了系统的数字化，智能化，网络化。 关键词 PLC 组态软件 模糊算法 远程控制 模糊控制比传统的PID 控制等方法, 在强时变、大时滞、非线性系统中的控制效果有着明显的优势。将模糊控制技术应用于各种过程控制系统中，在国内外已是很普遍的现象。PLC是工业控制常用的控制部件,

2、 把二者结合起来, 可使控制系统的性能指标达到最优。基于模糊控制技术的PLC网络化温度控制系统, 是对传统的过程控制系统的改造, 具有达到设定温度的时间短、稳态温度波动小、反应灵敏、抗干扰能力强、节省电能等优点。相比传统的计算机温度控制系统，由PLC构成的温度控制系统结构更简单，可靠性更高，成本更低，而且可以方便地利用组态软件构建一个简单的的分布式控制系统（DCS），实现系统的数字化，智能化，网络化，管理控制一体化，信息集成化。 一、系统构建 系统主要由三大部分组成。第一部分由上位计算机、个人计算机、服务器构成生产管理层；第二部分由现场总线系统构成中间过程控制层；第三部分由可编程序控制器（PL

3、C）、数模转换器（D/A）、温度调控环节构成现场控制层。生产管理层设在中控室，通过网络与中间控制层联系，完成对整个生产过程的监控和管理。过程控制层为CC-Link现场总线系统，它接收上位机的各种指令，并协调现场设备的工作，同时对现场各种数据进行处理并向上层传送。现场控制层为多路具有各种控制功能的多点控制单元，PLC为三菱FX2N，数模转换器为FXON-3A，温度调控环节为可控调相闭环系统，具体完成对现场温度的控制。系统构建如图1所示。 二、温度控制 温度控制指令由中控远程发布，具体调控则由底层温度调控执行单元完成。控制原理框图如图2所示。r(t)为中控发布的温度给定信号，调节器由PLC及FXO

4、N-3A数模转换器构成，执行机构采用可控调相整流器，被控对象为加热电阻丝，测量元件选用WB系列温度变送器。 1.模糊控制调节器的设计 由于温度具有纯滞后特性，采用常规的PID调节器或改进型PID调节器，温度控制精度不高，特别是温度超调较大。而采用模糊控制设计的调节器可以获得良好的温度控制特性。 模糊控制系统的核心部分是模糊控制器，模糊控制器的控制规律由软件程序实现，控制的基本思想:根据给定值与反馈值的比较得到偏差信号e，一般选取偏差信号e作为模糊控制器的一个输入量，把偏差信号e的精确量进行模糊化变成模糊量，偏差e的模糊量可以用相应的模糊语言表示，得到了偏差e的模糊语言集合的一个子集。再由模糊子

5、集和模糊控制规则（模糊关系）根据推理的合成规则进行模糊决策，从而得到模糊控制量u。 模糊控制器的基本结构如图3所示。 模糊控制器主要包含三个功能环节:用于输入信号处理的模糊量化和模糊化环节，模糊控制算法功能单元，以及用于输出解模糊化的模糊判决环节。其中e和c分别是系统偏差和偏差的微分信号，也就是模糊控制器的输入，u为控制器输出的控制信号，E、C、U为相应的模糊量。 (1)控制规则 由图3可知，模糊控制器的输入变量为e，触发电压u作为模糊控制器的输出变量，u的变化为电压直接控制加热元件供电电压的高低。设描述输入变量及输出变量的语言值的模糊子集为: 负大，负中，负小，零，正小，正中，正大 现简记为

6、 ： NB=负大，NM=负中，NS=负小，Z=零，PS=正小，PM=正中，PB=正大。 温度偏差e的论域+n，-n可量化为7个等级，分别表示为E = -3，-2，-1，0，+1，+2，+3，每级相差1度,即n=3，emax=3，emin=3。取转换系数并将偏差E的隶属度赋值。同样把执行控制量u的论域也量化为7个等级U=-3,-2,-1,0,+1,+2,+3，也将U的隶属度赋值，则可得到温度控制的控制规则： if E = NB then U = PB R1 if E = NM then U =PM R2 if E = NS then U = PS R3 if E = Z then U = ZR4

7、 if E = PS then U = NS R5 if E = PM then U = NM R6 if E = PB then U = NB R7 从上述规则可以看出：如果实际温度小于给定值，则应加大可控硅的导通角，差值越大，导通角变大越多，反之亦然。按照上述规则，可计算每条规则的模糊关系Ri（i=1，2，7），考虑到这些模糊关系之间具有“或”的关系，所以描述整个系统的控制规则E*U的Fuzzy关系R为R=R1R2R7。求Ri（i=1，2，7）的运算按下式进行:Ri=E×UET·U，则R1(NB)E×(PB)U。同样也可计算出:R2，R3，R4，R5，R6，R

8、7，则R=R1R2R7。 (2)模糊推理和解模糊化 得到系统的模糊控制规则R后，当采样偏差为E时，就可得到相应的控制量U=E·R。解模糊化方法按最大隶属度法，“-1”级的隶属度最大，控制量应取“-1”级，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,+3七个级所对应的精确执行控制量，该量即为最后的执行控制量u。执行控制量u的范围为umax，umin。 设转换系数: （1） 于是有: （2） 这样就求出了七个级所对应的精确执行控制量,按照控制策略表和七个级所对应的精确执行控制量就可编译成PLC的程序，从而完成调节器的设计。 (3

9、)控制策略的调整 为了加快整个系统的动态响应过程，在E=-3（即 e =3）， E=PB以前，先将给定电压调到最大化，加全压，此时的输出控制电压为4.9V，这样做的目的，可以提高整个系统的快速反映能力。在e =-1，-2，-3时，我们选择执行控制量u=0V，原因是在e=0时，系统在控制量u的作用下也可能出现暂时的、小的超调，及时切断输出的控制作用，仅利用系统的自身惯性维持温度，当温度慢慢回到给定值时，模糊控制器又会有输出，长期保持温度在一定的范围内稳定。 降温策略：针对控制对象，当需要降温时，通常采用的方法是自然降温，即是控制器没有输出，仅仅依靠室温来降温。为了克服水温的惯性大的特点，可采用进

10、冷水排热水的方法使水槽的水温迅速降下来，避免仅仅利用环境温度使系统降温的不足。关键问题是放出热水的“量”与泵进冷水的“量”如何选取？根据现场决策，即究竟温度要降低多少做出一个初步的判断，然后进入到“放水”“进水”这样一个循环操作，在温度降到某个“值”（这个“值”略高于降温后的期望温度值，即当E = NM）时，及时跳出这个循环子程序，让系统依靠自身的惯性及调节器的作用完成温度的调整。这样做就避开对放出热水的“量”与泵进冷水的“量”的确切把握，而是从另一个角度对放出热水的“量”与泵进冷水的“量”进行了控制，这样做简单，且容易实现，控制效果也较为明显，不需要进行复杂的运算就可以达到降温的目的。从而使

11、所设计的恒温系统实现一定的智能化。 根据以上控制规则和控制策略可得到PLC程序流程（如图4所示）。 2.模糊控制运行结果 系统联网后，从中控室组态软件的监控画面上可以观测到温度的动态显示和温度记录曲线。系统运行开始时，系统运行开始时，实测温度为18度，给定值为60.35，应用模糊控制算法设计的调节器，响应速度快，在加热30分钟左右就直接进入了稳态，而且没有出现超调现象，同时也有很好的抗干扰能力。30分钟运行监控结果（如图5所示），60分钟运行监控结果（如图6所示）。 三、结论 运行结果表明，基于模糊算法设计的控制调节器对系统的控制效果与期望的相差无几，大大缩短了动态响应过程，提高了稳态精度，温度无超调,系统具有很好的鲁棒性，干扰和参数变化对控制效果的影响被大大减弱，特别适合于非线性、强时变和纯滞后对象的控制。而基于组态软件的PLC网络便于大规模集中监控。 参考文献: 1马国华:监控组态软件及其应用M.北京:清华大学出版社，2001 2郭宗仁:可编程控制器应用系统设计及通讯网络技术M. 北京:人民邮电出版社，2002 3韩峻峰