基于PLC和傳感器技術(shù)的高壓微機實時監(jiān)測方案設計及驗證

摘要：為將高壓微機溫濕度控制在適宜范圍內(nèi)，提出一種基于PLC和傳感器技術(shù)的高壓微機實時監(jiān)測方案。首先，基于模糊PID控制器和預測控制算法，提出預測模糊PID控制器；然后根據(jù)高壓微機調(diào)控機理，從變量模糊化、參數(shù)整定、模糊規(guī)則3個方面構(gòu)建了高壓微機溫濕度調(diào)節(jié)數(shù)學模型，并進一步設計了預測模糊PID控制器結(jié)構(gòu)；最后，在PLC系統(tǒng)中實現(xiàn)預測模糊PID控制器，并借助LoRa模塊搭建遠程無線通信系統(tǒng)，完成高壓微機溫濕度的精準控制與實時監(jiān)測。仿真結(jié)果表明，所設計的預測模糊PID控制器可恒定控制高壓微機溫濕度，對溫度的控制誤差絕對值小于0.8℃，對濕度的控制誤差絕對值小于5%RH，滿足高壓微機溫濕度控制精度需求，且具有較快的響應速度和較高的穩(wěn)定性，為高壓微機實時監(jiān)測提供了參考。

關鍵詞：高壓微機；實時監(jiān)測；模糊PID；預測控制；PLC傳感技術(shù)

中圖分類號：TP273；TQ591文獻標志碼：A文章編號：1001-5922（2025）04-0178-04

Scheme design and verification of high voltagemicrocomputer real time monitoring based on PLC andsensors technology

PAN Minghao，SU Lei，MEN Zhigang

（Wuhan Steel（Wuhan）Tin Plate Co.，Ltd.，Wuhan 430080，China）

Abstract：To control the temperature and humidity of high-voltage microcomputers within an appropriate range，a real-time monitoring scheme for high-voltage microcomputers based on PLC and sensors is proposed.Firstly，based on fuzzy PID controller and predictive control algorithm，a predictive fuzzy PID controller is proposed；Then，based on the mechanism of high-voltage microcomputer control，a mathematical model for high-voltage microcomputer temperature and humidity regulation was constructed.Combined with this model，a predictive fuzzy PID controller structure was designed from three aspects：variable fuzzification，parameter tuning，and fuzzy rule establishment；Fi-nally，the predictive fuzzy PID controller was implemented in PLC，and a remote wireless communication system was built based on the LoRa module，achieving high voltage microcomputer temperature and humidity control and real-time monitoring.The simulation results show that the designed predictive fuzzy PID controller can continuously control the temperature and humidity of high-voltage microcomputers，with an absolute control error of less than0.8℃for temperature and less than 5%RH for humidity.This meets the accuracy requirements of high-voltage mi-crocomputer temperature and humidity control，and has fast response speed and high stability，providing a reference for real-time monitoring of high-voltage microcomputers.

Key words：high voltage microcomputer；realtime monitoring；fuzzy PID；predictive control；PLC sensing technology

高壓微機是一種綜合自動化保護裝置，融合了計算機技術(shù)和通信技術(shù)，有效提高了高壓電動機的運行可靠性，因其具有結(jié)構(gòu)簡單、功能完善的優(yōu)勢，目前已在高壓電動機保護領域得到廣泛應用。然而，對于保護裝置而言，一旦自身出現(xiàn)故障，便無法發(fā)揮保護功能，這無疑會對整個高壓電動機的運行穩(wěn)定性構(gòu)成嚴重威脅。因此，有必要對高壓微機進行實時監(jiān)測。目前，實時監(jiān)測方案均圍繞著傳感器而進行設計，如徐敬海等通過JSON（JavaScript object notation）傳輸協(xié)議，實現(xiàn)了復雜建筑物的實時動態(tài)監(jiān)測[1]；尹國路等通過分析傳感器在封裝過程中膠水材料及配比對殘余應力的產(chǎn)生、積累和分布情況的影響，實現(xiàn)了小光纖形狀傳感器封裝過程應力的分布式實時監(jiān)測[2]提出一種基于光纖氣體傳感器的變壓器油溫度實時監(jiān)測方法，實現(xiàn)了變壓器油溫度的實時監(jiān)測[3]。通過上述研究可以發(fā)現(xiàn)，基于傳感器的實時監(jiān)測方案已在各監(jiān)測領域取得了成效。因此，本研究基于傳感器技術(shù)，并結(jié)合PLC模塊，提出一種高壓微機實時監(jiān)測方案。為高壓微機實時監(jiān)測提供了參考。

1基本算法

1.1模糊PID控制器

模糊PID控制器是利用模糊邏輯推理優(yōu)化調(diào)節(jié)PID控制器參數(shù)，以實現(xiàn)對非線性和大時滯等復雜問題進行控制的一種常用控制器[4]。與PID控制器不同的是，模糊PID控制器首先是對偏差e和偏差變化率ec進行模糊化，并確定e和ec的模糊關系，然后再利用模糊推理和解模糊輸出PID比例系數(shù)kp、積分時間ki、微分時間kd的修正量Δkp、Δki、Δkd，對PID控制器參數(shù)進行修正，可實現(xiàn)對控制對象的精確控制[5-6]。

模糊PID控制器具有適應性和魯棒性強的優(yōu)勢，因此本研究以模糊PID控制器為基礎，通過控制高壓微機溫度和濕度，實現(xiàn)度高壓微機的實時監(jiān)測。

1.2預測模糊PID控制器

通常情況下，模糊PID控制器輸入變量e和ec的基本論域通常由經(jīng)驗設定，可能存在一定的誤差[7]。因此，為解決該問題，研究引入預測控制對模糊PID控制器進行了優(yōu)化。

預測控制是一種用于改善系統(tǒng)控制性能的控制算法，其基本控制思路是在注意目標過去狀態(tài)的同時考慮目標未來狀態(tài)，盡量減少目標值與受控制量的偏差[8]。相較于理想狀態(tài)的控制算法，預測控制可利用控制器中當前和過去的偏差值確定最佳輸入，并利用預測模型預測偏差值，從而實現(xiàn)更精確的系統(tǒng)控制。因此，研究選用預測控制對模糊PID控制器進行優(yōu)化，設計了預測模糊PID控制器。

預測模糊PID控制器使用預測控制計算實際值與最優(yōu)值和期望值的誤差與誤差變化率，作為模糊PID控制器的輸入，然后通過模糊控制調(diào)節(jié)PID控制器三個參數(shù)，確定控制器最終輸入值，可實現(xiàn)系統(tǒng)更精確的控制，并提高系統(tǒng)的響應速度和穩(wěn)定性[9]。

在該控制器中，預測控制與模糊PID控制器協(xié)作共同調(diào)整PID控制器參數(shù)和最佳輸入值來實現(xiàn)控制。當控制對象目標值與輸出值存在偏差時，預測控制會預測未來輸出值，并向模糊PID控制器傳遞預測值，然后利用模糊PID控制器計算得到控制量，可使控制對象向目標靠近。

2基于PLC和傳感器的高壓微機實時監(jiān)測

2.1高壓微機調(diào)控機理建模

根據(jù)高壓微機溫濕度控制特點和能量守恒定理，構(gòu)建高壓微機調(diào)控機理數(shù)學模型，如式（1），即單位時間內(nèi)流入高壓微機的能量與單位時間內(nèi)高壓微機流出能量相等[10]。

C+BS（Ti）=Q+BS（T0）（1）

式中：C為比熱容；Ti為高壓微機被控溫度；T0為環(huán)境溫度；B為高壓微機傳熱系數(shù)；A為傳熱面積；Q為單位時間內(nèi)加熱設備產(chǎn)生的熱量。

當高壓微機逐漸達到穩(wěn)定狀態(tài)時，Ti與Q均達到穩(wěn)定狀態(tài)，則[11]

當加熱設備加熱時，有

G（s）==

將式（2）和（3）代入式（1），則

C+BSΔT=ΔQ

令=T，=K控制對象溫度變化量ΔT和控制量ΔQ的傳遞函數(shù)存在式（5）關系[12]

式中：K為增益系數(shù)；T為時間常數(shù)；τ為純滯后時間常數(shù)。

2.2控制器結(jié)構(gòu)設計

2.2.1變量模糊化

變量模糊化首先需要確定輸入變量e和ec以及輸出變量Δkp、Δki、Δkd的基本論域，并將其模糊化為7個模糊子集，分別為零（ZO）、正大（PB）、負大（NB）、正中（PM）、負中（NM）、正小（PS）、負小（NS）。然后基于高斯分布型隸屬函數(shù)和Mamdani推理出e和ec以及Δkp、Δki、Δkd，進而建立模糊控制器，實現(xiàn)對控制對象的精確控制[13-14]。圖1所示為模糊子集隸屬度函數(shù)。

2.2.2控制器參數(shù)整定

（1）比例系數(shù)kp整定

比例系數(shù)kp的目的是盡量減小輸出值與設定值的差值，以控制系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差。增大kp，可提高系統(tǒng)的調(diào)節(jié)速率和響應速度，減小穩(wěn)態(tài)誤差[15]。但過大的kp可能導致系統(tǒng)超調(diào)量增加，影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性。因此有必要整定kp。本研究通過設置不同kp值觀察系統(tǒng)控制性能，如圖2所示。當kp=7時，系統(tǒng)控制性能最好，因此研究設置比例系數(shù)kp=7。

（2）積分時間ki整定

積分時間ki通過積分作用可自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)輸出量，進而消除穩(wěn)態(tài)誤差[16]。為確定最佳ki，基于kp=2的條件下，設置不同ki值并觀察系統(tǒng)控制性能，結(jié)果如圖3所示。由圖3可知，當ki=0.1時，系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差基本為0，但仍存在一定超調(diào)和調(diào)節(jié)時間較長的問題，但相較于ki=0.05和ki=0.2，在超調(diào)量和調(diào)節(jié)時間以及系統(tǒng)響應速度方面均具有一定有優(yōu)勢。因此，本研究設定ki=0.1。

（3）微分時間kd整定

微分時間的作用是改變控制系統(tǒng)瞬態(tài)響應速度[17]。為選擇合理的微分時間，通過調(diào)節(jié)kp和ki選擇kd觀察系統(tǒng)性能進行確定。當kd=11時，控制器對系統(tǒng)的控制性能最好。因此，本研究設定kd=11。

2.3控制器在PLC中的實現(xiàn)

在預測模糊PID控制器實時控制中，首先將采集的輸入量進行模糊量化，并根據(jù)量化結(jié)果查表得到控制量的清晰值。然后基于MATLAB編寫計算調(diào)整表，并通過反復調(diào)整得到Δkp、Δki、Δkd模糊控制查詢表。最后，將表在PLC編程軟件中編寫為規(guī)則語句，使用函數(shù)塊進行調(diào)用，即實現(xiàn)了預測模糊PID控制器[18]。在整個實現(xiàn)過程中，采用循環(huán)執(zhí)行方式進行數(shù)據(jù)的采集與傳輸，以及PLC程序的控制。

3仿真實驗

3.1實驗環(huán)境搭建

本次實驗基于MATLAB軟件的Simulink模塊搭建模糊預測PID控制模型，并在PLC中進行實現(xiàn)，同時為實現(xiàn)高壓微機遠程實時檢測，基于LoRa模塊搭建遠程無線通信系統(tǒng)，如圖4所示[19-20]。

3.2參數(shù)設置

本次實驗設置預測模糊PID控制器的控制時域和預測優(yōu)化時域均為1，參數(shù)Δkp、Δki、Δkd初始值分別為0.5、1、2，比例因子分別為0.2、0.01、2，偏差e和偏差變化率ec的量化因子分別為0.05和0.3。

4結(jié)果與分析

4.1控制器驗證

為檢驗所設計的預測模糊PID控制器的有效性，研究對比了預測模糊PID控制器、模糊PID控制器、PID控制器在同一坐標系中的控制效果，其結(jié)果為：所設計的預測模糊PID控制器的最大超調(diào)量為1，控制時間為227 s；模糊PID控制器的最大超調(diào)量為5，控制時間為259 s；PID控制器的最大超調(diào)量為10，控制時間為278 s。由此說明，所設計的預測模糊PID控制器控制效果優(yōu)于模糊PID控制器和PID控制器，超調(diào)最低，響應速度最快，具有一定的優(yōu)越性。

4.2溫度控制結(jié)果

為驗證所設計的預測模糊PID控制器對溫度的控制效果，研究設置目標溫度為27℃，并使用預測模糊PID控制器進行控制，進而發(fā)現(xiàn)，預測模糊PID控制器控制約6s后，系統(tǒng)首次達到設定溫度；控制后期，系統(tǒng)溫度與設定溫度偏差0.3℃左右，表現(xiàn)出良好的溫度控制效果，且具有良好的控制穩(wěn)定性。

4.3濕度控制結(jié)果

為驗證所設計的預測模糊PID控制器對濕度的控制效果，研究設定溫度為27℃，濕度為32%RH，使用預測模糊PID控制器進行控制，得到預測模糊PID控制器控制210 s左右，溫濕度開始達到設定值，后期穩(wěn)定在設定值附近，溫度誤差絕對值小于0.8℃，濕度誤差小于5%RH。由此說明，所設計的預測模糊PID控制器對濕度控制效果良好。

5結(jié)語

綜上所述，本研究提出了一種基于PLC和傳感器技術(shù)的高壓微機實時監(jiān)測方法。該方法通過構(gòu)建預測模糊PID控制器，并在PLC上實現(xiàn)其控制算法，實現(xiàn)了對高壓微機溫濕度的恒定控制。經(jīng)實踐驗證，該方法對溫度的控制誤差絕對值小于0.8℃，對濕度的控制誤差絕對值小于5%RH，完全能夠滿足高壓微機溫濕度的控制精度要求，同時具備響應速度快、穩(wěn)定性高的特點。與傳統(tǒng)的模糊PID控制器和PID控制器相比，本研究設計的預測模糊PID控制器在控制效果上更勝一籌，響應速度更快，穩(wěn)定性更高，能夠切實滿足實際高壓微機溫濕度控制的需求，為高壓微機實時監(jiān)測工作奠定了堅實基礎。

【參考文獻】

[1]徐敬海，杜東升，李枝軍，等.一種應用傳感器網(wǎng)和實景三維模型的復雜建筑物實時動態(tài)監(jiān)測方法[J].武漢大學學報（信息科學版），2021，46（5）：630-639.

[2]尹國路，徐州，朱濤.光纖形狀傳感器封裝過程中殘余應力的分布式實時監(jiān)測[J].光學學報，2022，42（16）：30-36.

[3]張石，張博，夏暉，等.基于分布式光纖傳感器的變壓器油溫度實時監(jiān)測研究[J].制造業(yè)自動化，2023，45（8）：153-157.

[4]孟錦濤，周小杰，國海，等.多工位油缸試驗臺抓手定位精度的模糊PID控制[J].機床與液壓，2023，51（16）：67-75.

[5]趙劍橋，嚴天一，桂永建等.基于模糊PID的半主動懸架控制策略研究[J].青島大學學報（工程技術(shù)版），2023，38（3）：54-58.

[6]蒲虹云，蔣剛，郝興安，等.基于變模糊PID控制器的閥控非對稱缸復合控制策略[J].液壓與氣動，2022，46（11）：82-89.

[7]王錫元，李磊.基于磁懸浮變頻離心式冷水機組蒸發(fā)器出水溫度控制的模糊PID算法[J].制冷與空調(diào)，2022，22（10）：90-93.

[8]閻春利，吳占煊.基于模糊PID的線控轉(zhuǎn)向汽車轉(zhuǎn)向控制研究[J].武漢理工大學學報，2023，45（7）：54-61.

[9]李光保，高棟，路勇，等.基于卡爾曼濾波的模糊PID熱處理溫度控制系統(tǒng)的設計[J].金屬熱處理，2023，48（8）：235-241.

[10]孫列.基于模糊PID控制仿真的飛機除冰液加熱系統(tǒng)研究[J].工業(yè)加熱，2022，51（9）：52-55.

[11]周婧，高紅飛，盧林，等.變論域模糊PID控制微流擠出型3D打印機的擠壓力研究[J].工程設計學報，2022，29（5）：572-578.

[12]王澤文，池飛飛，程蕾萌.基于模糊PID技術(shù)的燃料電池水溫控制系統(tǒng)設計[J].船電技術(shù)，2022，42（10）：87-91.

[13]白盼盼，聶文艷.基于模糊PID算法的電機調(diào)速系統(tǒng)設計[J].西安文理學院學報（自然科學版），2022，25（4）：54-58.

[14]謝鑫，徐巍，朱懷志，等.基于GA優(yōu)化的模糊PID控制螺旋給料計量系統(tǒng)[J].湖北工業(yè)大學學報，2023，38（4）：29-33.

[15]段敏，李麗娟，蓋竹秋.基于模糊PID的激光定位投影儀自動調(diào)焦控制系統(tǒng)設計與仿真[J].長春理工大學學報（自然科學版），2023，46（4）：83-90.

[16]李瑞川，丁馨鎧，孫祺友，等.拖拉機多重模糊PID變論域耕深調(diào)節(jié)研究[J].農(nóng)機化研究，2024，46（4）：260-264.

[17]冀常鵬，王紫瑞.基于自適應模糊PID的石墨烯制備控制系統(tǒng)[J].應用科學學報，2022，40（5）：876-886.

[18]羅明達，鄧繼忠，霍靜朗，等.基于復合模糊PID的植保無人機變量噴霧系統(tǒng)設計[J].農(nóng)機化研究，2024，46（2）：9-15.

[19]樊琛，王毅.基于浮游式變壓器巡檢機器人系統(tǒng)設計與試驗[J].粘接，2022，49（12）：174-177.

[20]王立峰，馬超，牛永光，等.基于大數(shù)據(jù)背景下電站設備狀態(tài)監(jiān)測及故障檢修管理系統(tǒng)仿真設計[J].粘接，2022，49（10）：176-179.

（責任編輯：李睿）