基于PLC的離心風機模糊控制系統設計與實現

孫云輝，王 釗，肖 威，匡永江

（北京機械工業自動化研究所，北京 100120）

基于PLC的離心風機模糊控制系統設計與實現

孫云輝，王 釗，肖 威，匡永江

（北京機械工業自動化研究所，北京 100120）

本文根據離心風機的控制要求，運用離線設計，在線查表的方法設計了一個基于PLC的模糊控制系統，并介紹了系統的設計過程與PLC實現的方法。實際應用情況表明該模糊控制系統運行穩定，較好地實現了控制要求。

PLC；模糊控制；離心風機；MATLAB；ControlLogix5000

0 引言

污水處理廠污泥消化產生的沼氣經脫硫處理后儲存在常壓沼氣柜中，需要經過變頻器驅動的離心式增壓風機增壓至某一恒定壓力后供鍋爐等設備使用。因為鍋爐等用氣設備根據消化工藝的需要自動啟停及調節燃氣量，所以增壓風機的流量及使用數量需要不斷變化才能保證出口壓力恒定。由于離心風機的出口壓力與流量是非線性的關系，并且多臺風機并行運行時曲線關系又發生復雜的變化，所以傳統控制方式很難做到壓力穩定。

模糊控制是建立在人類思維模糊性的基礎之上的，其優點在于不需要建立精確的數學模型，而是運用模糊理論、專家知識將人的經驗、思維和判斷通過模糊控制器用語言控制來實現控制過程[1]。模糊控制能方便地解決工業領域中常見的非線性、時變、大滯后、強耦合、變結構等復雜問題[2]。PLC具有可靠性高、編程簡單、維修方便的優點，在工業控制行業得到廣泛的應用，但是傳統的PLC控制指令不能滿足復雜的控制要求，因而利用PLC實現模糊控制是現代自動控制系統的發展趨勢之一。

1 模糊控制系統的構成

圖1 離心風機模糊控制結構框圖

模糊控制器通常使用被控變量的偏差E和偏差變化率EC作為輸入變量，因為他們已經能夠比較嚴格地反映受控過程中輸入變量的動態特性，可滿足大部分工程需要。為了避免控制動作過于頻繁，消除頻繁動作引起的震蕩，可以給系統增加一個死區算法，當E位于死區內時系統輸出保持不變。控制器的輸出采用增量式，可以避免風機轉速變化過快產生振動。

整個模糊控制系統的設計與實現分為兩步：離線設計與模擬部分運用模糊理論，根據人的經驗和知識將系統變量模糊化，進行模糊推理后去模糊化形成查詢表格，并通過仿真驗證控制效果；PLC實現部分將查詢表格以數組的形式儲存在PLC中，并以一定的頻率計算E與EC，通過查詢表格計算輸出U作用于被控系統。整個系統的結構框圖如圖1所示。

2 模糊控制系統的離線設計

2.1 輸入輸出變量模糊化

為簡化計算，設定輸入、輸出論域都量化為5檔，即正大(PL)、正小(PS)、零(ZE)、負小(NS)、負大(NL)五級語言變量。根據控制需要及經驗，輸入變量E和EC及輸出變量△u的論域取值同為{-2，-1，0，1，2}，采用圖2所示的三角函數作為隸屬函數，將輸入輸出變量模糊化。

圖2 隸屬函數

2.2 選擇模糊規則，生成模糊查詢表

選擇模糊控制規則為：IF E is x AND EC is y ，THEN △u is z ，其中x、y、z分別為輸入輸出論域取值中的元素。由以上規則，根據實際經驗確定模糊控制查詢表如表1所示。

表1 模糊控制查詢表

2.3 仿真模糊控制器輸入輸出

MATLAB 軟件是在1984 年由美國Math Works 公司推出的一套高效率的數值計算的可視化軟件，它提供了豐富的數值分析、矩陣運算、圖形繪制、數據處理、圖像處理等功能，并且提供了大量的應用于不同學科的工具箱[3]。利用其提供的模糊控制工具箱Fuzzy可以方便地查看模糊控制的輸入輸出曲線圖形如圖3所示。

由曲線圖形可以看到，模糊控制器可以很好的抑制E和EC的變化。

圖3 模糊控制器輸入輸出曲線圖

3 模糊控制的PLC實現

3.1 PLC查表功能的實現

把模糊查詢表存儲在PLC的一維數組DU[25]中，當PLC計算出E與EC后通過查表程序找到對應的數值DU[i]即為模糊控制器輸出△u。PLC采用AB ControlLogix5000，使用結構化文本編程，基本查詢指令如下：

3.2 PLC在線控制程序

由圖1可知，PLC以一定的周期計算實際的誤差e(k)，然后經過死區判斷后乘以量化因子Ke并模糊化后得到模糊控制器輸入參數E(k)，同樣采用類似的方法得到EC(k)。根據E(k)和EC(k)的值查表得到模糊控制器的輸出△u(k)后，乘以輸出量化因子并解模糊得到實際增量輸出△U(k)。△U(k)即為本次控制變頻器的頻率增量，該數值加上當前變頻器的反饋值即得到變頻器的頻率設定值。整個程序流程如圖4所示。

圖4 PLC控制流程圖

4 結束語

通過模糊控制技術與PLC的無縫接合，利用PLC實現復雜系統的模糊控制，即發揚了PLC控制系統靈活、可靠、穩定的特點，又極大地擴展了PLC的控制功能，提高了系統的智能化程度。

利用ControlLogix5000 PLC的ADD-ON指令功能，可以將該模糊控制程序封裝成單獨的指令，方便編程使用。

[1] 劉曉霞, 等.用可編程控制器PLC實現模糊控制的方法研究[J]. 沈陽工業學院學報, 2003, 4.

[2] 齊蓉等. 通用模糊控制器在PLC上的實現[J]. 工業儀表與自動化裝置, 2003, 4.

[3] 李祖欣. MATLAB在模糊控制系統設計和仿真的應用[J]. 系統仿真學報, 2003, 1.

Design and realization of a fuzzy control system for centrifugal blower based on PLC

SUN Yun-hui, WANG Zhao, XIAO Wei, KUANG Yong-jiang

TP273

B

1009-0134(2011)5(下)-0123-03

10.3969/j.issn.1009-0134.2011.5(下).37

2010-12-29

孫云輝（1984－），男，山東青島人，在讀研究生，主要從事工業自動化系統集成方面的應用與研究工作。