基于PLC的燒結爐溫度控制

石曉瑛，許智榜

(華東交通大學電氣與電子工程學院，江西南昌330013)

可編程控制器(PLC)作為新型的自動化控制裝置以其高可靠性和編程靈活方便而深受廣大技術人員的歡迎。PLC內部含有多種運算指令，通過指令可進行各種運算，可完成16位或32位整數運算和浮點數運算。利用PLC不僅可實現對輸入和輸出繼電器的開關量控制，而且通過加裝A/D、D/A轉換模塊，完成溫度數據采集并產生模擬輸出控制信號來控制可控硅模塊的導通量而實現對溫度的控制。本文使用三菱FX2N系列擴展模塊FX2N-4AD-TC，FX2N-2DA設計基于PLC溫度控制系統，使PLC擺脫只能處理邏輯量的限制，既發揮PLC的可靠、靈活、適應性強的特點，也大大提高控制系統的智能化程度[1]。

1 控制策略

燒結爐溫度是一個具有大滯后和時變性的控制對象，采用傳統的PID控制方法，控制系統存在較大的超調量和較長的調節時間。模糊控制作為新興的智能控制方式得到快速發展。模糊控制(FUZZY)由模糊控制器模擬人的思考判斷方法，將人的經驗控制策略改寫為模糊控制規則，特別適用于具有非線性，大滯后、強耦合特性的復雜系統。

模糊控制器以系統偏差e和偏差變化Δe作為輸入變量，基本結構如圖1所示。偏差e=r-y，r為被控對象的給定值，y為實測值，偏差變化率Δe=et-et-1，其中，et，et-1分別為當前時刻和前一個采樣時刻的偏差。E、ΔE分別為偏差e、偏差變化率Δe經過模糊量化后得到的量化輸入，U為模糊控制算法得出的模糊控制輸出量，U解模糊化后得到實際輸出u[2]。

圖1 模糊控制器結構

模糊控制的魯棒性好，對純滯后及被控對象的參數的變化不敏感，系統可以獲得良好的動態性能，但是模糊控制器是以系統偏差e和偏差變化Δe作為輸入變量，缺少積分控制，容易產生穩態誤差。為了滿足工業現場快速、穩定的溫度控制要求，將模糊控制與PID控制結合，采用Fuzzy-PID復合控制，通過設定閾值，進行積分分離如圖2。其主要設計思想是:當偏差值e(t)＞β(閾值)時采用PD模糊控制，而當e(t)＜β(閾值)時切換到PID控制，消除靜差，提高控制精度[3]。

2 系統硬件結構

基于PLC的溫度控制系統以三菱FX-2N型PLC為控制核心，由PLC輸入、輸出擴展模塊，熱電偶，雙向晶閘管、移相觸發控制等組成，系統結構如圖3所示。PLC通過FX2N-4AD-TC和J型熱電偶，讀取電阻爐溫度。調用控制子程序，得到控制量存入數據寄存器中，經FX2N-2DA輸出0～10 V電壓值，與鋸齒波進行比較，產生觸發信號，使雙向晶閘管導通。

圖2 燒結爐溫度控制系統模型

圖3 PLC溫控系統硬件結構圖

3 系統軟件設計

3.1 主程序

PLC內部含有PID運算命令，為利用PID進行溫度控制提供了很大方便。在使用PID指令之前，要對輸出上、下限、比例系數KP、TI、TD和采樣周期TS進行參數設置。PLC溫度控制系統主程序流程如圖4所示。首先開機設定各個參數初始值，定時采樣時間(設為1 s)到，讀取溫度值存入PLC的數據寄存器D100，計算誤差e和變化率Δe，分別存入D110和D111中。當偏差值e(t)＞β(閾值)時采用PD模糊控制，而當e(t)＜β(閾值)時切換到PID控制，輸出控制量存入D120。

3.2 PLC模糊控制

模糊控制器包括輸入量模糊化，模糊控制規則推理和解模糊3個部分。在模糊控制器中，首先確定連續變量的變化范圍，然后確定離散論域，得到離散論域上的輸入變量E和ΔE。e的基本論域取值為[-30，30]，將基本論域區間值量化為離散區間[-2，2]的元素。為了方便建立查詢表，增加一個偏移量2。采用同樣方法對Δe進行離散論域轉化。

輸入變量E和ΔE的模糊詞集為{NB，NS，O，PS，PB}，分別表示負大(NB)、負小(NS)、零(0)、正小(PS)、正大(PB)5個模糊量，模糊量的隸屬函數為方波。模糊控制規則采用最大隸屬函數法，其推理一般形式為:IF E is x ANDΔE is y THEN U is z。式中，x、y分別為輸入量模糊詞集中的元素。控制器輸出z表示雙向晶閘管的觸發控制角，FX2N-2DA輸出電壓0～10 V對應的數字量為0～4 000，故輸出采用7個單點分別為0，667，1 333，2 000，2 667，3 333，4 000，對應觸發控制角0°，30°，60°，90°，120°，150°，180°(與最大值為10 V鋸齒波進行比較，從而得到控制角度)。根據已經建立的模糊語言變量賦值表和模糊控制規則，進行模糊推理和模糊判決，建立離線的模糊控制查詢表，如表2所示[4]。

表1 將輸入e量化為離散論域元素

表2 模糊控制查詢表

將建立的離線模糊控制查詢表，按照一定的規律將其存放在D200開始的25個寄存器中。利用比較指令與預設值進行比較，將e和Δe量化至模糊控制論域中對應元素存入D115和D116，采用基址+偏移地址尋址的方法，讀取查詢表對應值得到輸出控制量。模糊控制查詢程序如圖5所示。

圖4 Fuzzy-PID控制流程圖

圖5 模糊控制查詢表查詢梯形圖

4 結束語

通過積分分離進行Fuzzy-PID復合控制，當被控量與設定值偏差較大時，取消積分作用，以免由于積分作用使系統穩定性降低，超調量增大;當被控量接近給定值，再引入積分控制，以便消除靜差，提高控制精度。采用復合控制使系統獲得較好的動態和靜態特性。

[1] 俞紅衛.一種PID控制與模糊控制相結合的智能溫度控制系統[J].上海應用技術學院學報，2007，7(2):106-109.

[2] 汪小澄，方強.基于PLC的模糊控制研究[J].武漢大學學報，2002，35(3):79-80.

[3] 熊偉麗，徐保國，肖應旺.基于PLC的Fuzzy-PI發酵溫度控制系統[J].計算機工程，2005，31(9):207-209.

[4] 劉建輝，冀常鵬.單片機智能控制技術[M].北京:國防工業出版社，2007.4.

[5] 韓兆祥，李學英，萬鑫，等.利用PLC和觸摸屏實現多階段PID溫度控制[J].實驗技術與管理，2008，25(6):56-59.

[6] 王志凱，郭宗仁.PLC實現模糊控制的兩種設計方法[J].中國儀器儀表，2002(1):4-6.