模糊控制的ＰＬＣ網絡化溫度控制系統

[摘 要] 本文以組態軟件為平臺，通過PLC構建了一個分布式溫度自動控制閉環系統，實現對現場溫度的自動控制。采用模糊算法完成了調節器的設計，并對其控制特性進行了分析。借助組態軟件良好的人機界面，完成了溫度的動態顯示和實時溫度曲線的記錄，并實現遠程控制，實現了系統的數字化，智能化，網絡化。

[關鍵詞] PLC 組態軟件 模糊算法 遠程控制

模糊控制比傳統的PID 控制等方法， 在強時變、大時滯、非線性系統中的控制效果有著明顯的優勢。將模糊控制技術應用于各種過程控制系統中，在國內外已是很普遍的現象。PLC是工業控制常用的控制部件， 把二者結合起來， 可使控制系統的性能指標達到最優?；谀：刂萍夹g的PLC網絡化溫度控制系統， 是對傳統的過程控制系統的改造， 具有達到設定溫度的時間短、穩態溫度波動小、反應靈敏、抗干擾能力強、節省電能等優點。相比傳統的計算機溫度控制系統，由PLC構成的溫度控制系統結構更簡單，可靠性更高，成本更低，而且可以方便地利用組態軟件構建一個簡單的的分布式控制系統（DCS），實現系統的數字化，智能化，網絡化，管理控制一體化，信息集成化。

一、系統構建

系統主要由三大部分組成。第一部分由上位計算機、個人計算機、服務器構成生產管理層；第二部分由現場總線系統構成中間過程控制層；第三部分由可編程序控制器（PLC）、數模轉換器（D/A）、溫度調控環節構成現場控制層。生產管理層設在中控室，通過網絡與中間控制層聯系，完成對整個生產過程的監控和管理。過程控制層為CC-Link現場總線系統，它接收上位機的各種指令，并協調現場設備的工作，同時對現場各種數據進行處理并向上層傳送?，F場控制層為多路具有各種控制功能的多點控制單元，PLC為三菱FX2N，數模轉換器為FXON-3A，溫度調控環節為可控調相閉環系統，具體完成對現場溫度的控制。系統構建如圖1所示。

二、溫度控制

溫度控制指令由中控遠程發布，具體調控則由底層溫度調控執行單元完成?？刂圃砜驁D如圖2所示。r(t)為中控發布的溫度給定信號，調節器由PLC及FXON-3A數模轉換器構成，執行機構采用可控調相整流器，被控對象為加熱電阻絲，測量元件選用WB系列溫度變送器。

1.模糊控制調節器的設計

由于溫度具有純滯后特性，采用常規的PID調節器或改進型PID調節器，溫度控制精度不高，特別是溫度超調較大。而采用模糊控制設計的調節器可以獲得良好的溫度控制特性。

模糊控制系統的核心部分是模糊控制器，模糊控制器的控制規律由軟件程序實現，控制的基本思想:根據給定值與反饋值的比較得到偏差信號e，一般選取偏差信號e作為模糊控制器的一個輸入量，把偏差信號e的精確量進行模糊化變成模糊量，偏差e的模糊量可以用相應的模糊語言表示，得到了偏差e的模糊語言集合的一個子集。再由模糊子集和模糊控制規則（模糊關系）根據推理的合成規則進行模糊決策，從而得到模糊控制量u。

模糊控制器的基本結構如圖3所示。

模糊控制器主要包含三個功能環節:用于輸入信號處理的模糊量化和模糊化環節，模糊控制算法功能單元，以及用于輸出解模糊化的模糊判決環節。其中e和c分別是系統偏差和偏差的微分信號，也就是模糊控制器的輸入，u為控制器輸出的控制信號，E、C、U為相應的模糊量。

(1)控制規則

由圖3可知，模糊控制器的輸入變量為e，觸發電壓u作為模糊控制器的輸出變量，u的變化為電壓直接控制加熱元件供電電壓的高低。設描述輸入變量及輸出變量的語言值的模糊子集為:

{負大，負中，負小，零，正小，正中，正大} 現簡記為 ：

NB=負大，NM=負中，NS=負小，Z=零，PS=正小，PM=正中，PB=正大。

溫度偏差e的論域[+n，-n]可量化為7個等級，分別表示為E = {-3，-2，-1，0，+1，+2，+3}，每級相差1度，即n=3，emax=3，emin=3。取轉換系數并將偏差E的隸屬度賦值。同樣把執行控制量u的論域也量化為7個等級U={-3，-2，-1，0，+1，+2，+3}，也將U的隸屬度賦值，則可得到溫度控制的控制規則：

① if E = NB then U = PB ……R1

② if E = NM then U =PM ……R2

③ if E = NS then U = PS ……R3

④ if E = Z then U = Z……R4

⑤ if E = PS then U = NS ……R5

⑥ if E = PM then U = NM ……R6

⑦ if E = PB then U = NB ……R7

從上述規則可以看出：如果實際溫度小于給定值，則應加大可控硅的導通角，差值越大，導通角變大越多，反之亦然。按照上述規則，可計算每條規則的模糊關系Ri（i=1，2，…，7），考慮到這些模糊關系之間具有“或”的關系，所以描述整個系統的控制規則E*U的Fuzzy關系R為R=R1∪R2∪…∪R7。求Ri（i=1，2，…，7）的運算按下式進行:Ri=E×U＝ET·U，則R1＝(NB)E×(PB)U。同樣也可計算出:R2，R3，R4，R5，R6，R7，則R=R1∪R2∪…∪R7。

(2)模糊推理和解模糊化

得到系統的模糊控制規則R后，當采樣偏差為E時，就可得到相應的控制量U=E·R。解模糊化方法按最大隸屬度法，“-1”級的隸屬度最大，控制量應取“-1”級，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}七個級所對應的精確執行控制量，該量即為最后的執行控制量u。執行控制量u的范圍為[umax，umin]。

設轉換系數: （1）

于是有: （2）

這樣就求出了七個級所對應的精確執行控制量，按照控制策略表和七個級所對應的精確執行控制量就可編譯成PLC的程序，從而完成調節器的設計。

(3)控制策略的調整

為了加快整個系統的動態響應過程，在E=-3（即 e =3）， E=PB以前，先將給定電壓調到最大化，加全壓，此時的輸出控制電壓為4.9V，這樣做的目的，可以提高整個系統的快速反映能力。在e =-1，-2，-3時，我們選擇執行控制量u=0V，原因是在e=0時，系統在控制量u的作用下也可能出現暫時的、小的超調，及時切斷輸出的控制作用，僅利用系統的自身慣性維持溫度，當溫度慢慢回到給定值時，模糊控制器又會有輸出，長期保持溫度在一定的范圍內穩定。

降溫策略：針對控制對象，當需要降溫時，通常采用的方法是自然降溫，即是控制器沒有輸出，僅僅依靠室溫來降溫。為了克服水溫的慣性大的特點，可采用進冷水排熱水的方法使水槽的水溫迅速降下來，避免僅僅利用環境溫度使系統降溫的不足。關鍵問題是放出熱水的“量”與泵進冷水的“量”如何選?。扛鶕F場決策，即究竟溫度要降低多少做出一個初步的判斷，然后進入到“放水”—“進水”這樣一個循環操作，在溫度降到某個“值”（這個“值”略高于降溫后的期望溫度值，即當E = NM）時，及時跳出這個循環子程序，讓系統依靠自身的慣性及調節器的作用完成溫度的調整。這樣做就避開對放出熱水的“量”與泵進冷水的“量”的確切把握，而是從另一個角度對放出熱水的“量”與泵進冷水的“量”進行了控制，這樣做簡單，且容易實現，控制效果也較為明顯，不需要進行復雜的運算就可以達到降溫的目的。從而使所設計的恒溫系統實現一定的智能化。

根據以上控制規則和控制策略可得到PLC程序流程（如圖4所示）。

2.模糊控制運行結果

系統聯網后，從中控室組態軟件的監控畫面上可以觀測到溫度的動態顯示和溫度記錄曲線。系統運行開始時，系統運行開始時，實測溫度為18度，給定值為60.35℃，應用模糊控制算法設計的調節器，響應速度快，在加熱30分鐘左右就直接進入了穩態，而且沒有出現超調現象，同時也有很好的抗干擾能力。30分鐘運行監控結果（如圖5所示），60分鐘運行監控結果（如圖6所示）。

三、結論

運行結果表明，基于模糊算法設計的控制調節器對系統的控制效果與期望的相差無幾，大大縮短了動態響應過程，提高了穩態精度，溫度無超調，系統具有很好的魯棒性，干擾和參數變化對控制效果的影響被大大減弱，特別適合于非線性、強時變和純滯后對象的控制。而基于組態軟件的PLC網絡便于大規模集中監控。

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