基于模糊控制的PLC在溫度控制中的應(yīng)用

1、電氣傳動(dòng)2005年第35卷第8期基于模糊控制的PLC在溫度控制中的應(yīng)用基于模糊控制的PLC在溫度控制中的應(yīng)用張雪平王志斌121.宜賓學(xué)院2.四川大學(xué)摘要:結(jié)合工業(yè)電爐的溫度控制,介紹了一種基于模糊控制的PLC溫度控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)克服了傳統(tǒng)的位式調(diào)節(jié)器和PID調(diào)節(jié)器超調(diào)大的缺點(diǎn),充分發(fā)揮PLC控制靈活、編程方便、適應(yīng)性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn),提高了控制的精確度。關(guān)鍵詞:模糊控制PLC溫度控制ApplicationoftheFuzzyControlBasedonPLCinTemperatureControlZhangXuepingWangZhibinAbstract:Joiningtemperaturecont

2、roloftheindustryelectricstove,thispaperintroducesakindsystemoffuzzycontrollerbasedonPLCintemperaturecontrol.ThesystemovercomesweaknessofsuperadjustingwithtraditionalregulatorandPIDregulator,ithasadvantagescontrolflexible,programmingconvenient,adaptable,increasestheaccuracyofthecontrol.Keywords:fuzzy

3、controlPLCtemperaturecontrol1引言溫度控制是工業(yè)生產(chǎn)過程中很重要的一種控制。溫度控制系統(tǒng)一般具有大慣性、大延時(shí)的特點(diǎn)。在工業(yè)控制中,溫度系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型難以確切建立。工業(yè)現(xiàn)場對溫度控制,常用有位式調(diào)節(jié)器和PID控制器等。位式調(diào)節(jié)器作為一種溫度控制儀表,具有一些無法消除的缺陷,當(dāng)爐溫大于給定值時(shí)不加電壓,會(huì)導(dǎo)致超調(diào)大,常有控制精度差或出現(xiàn)失控;模擬式PID或數(shù)字式PID有較好的控制效果,但工作條件在大范圍內(nèi)變化時(shí),PID控制器的參數(shù)難以確定,使PID控制器不能總是處于最佳狀態(tài),而且在控制過程中將發(fā)生大的超調(diào)。隨著PLC技術(shù)的不斷發(fā)展,各PLC廠家推出了適于各類過程控制的

4、智能專用模塊,采用模糊控制不僅對被控對象參數(shù)變化適應(yīng)性強(qiáng),而且在對象模型結(jié)構(gòu)發(fā)生較大改變時(shí),也能獲得較好的控制效果。本文介紹的基于模糊控制論的PLC溫度控制系統(tǒng),克服了超調(diào)大的問題,提高了控制精度。2PLC溫度控制系統(tǒng)基于模糊控制的PLC溫度控制系統(tǒng)如圖1所示。圖1PLC溫度控制系統(tǒng)本系統(tǒng)采用FX2微型機(jī),配以模擬量輸入輸出模塊FX-4AD、FX-2DA,該機(jī)掃描速度快,抗干擾力強(qiáng)。利用輸入點(diǎn)將按等級(jí)劃分的偏差信號(hào)轉(zhuǎn)化為開關(guān)量信號(hào)引入PLC,然后根據(jù)偏差的大小決定輸出值的大小。在爐溫上升到給定值的90%以前,采取全壓控制,節(jié)省升溫時(shí)間;待爐溫上升到給定值的90%時(shí)采用模糊控制,提高控制基于模糊

5、控制的PLC在溫度控制中的應(yīng)用電氣傳動(dòng)2005年第35卷第8期精度;當(dāng)爐溫上升到給定值的102.1%時(shí),采取失壓控制,使?fàn)t溫快速下降。設(shè)定溫度700,熱電偶電勢(029.13mV)送給放大電路放大,放大信號(hào)與基準(zhǔn)電壓2V比較,轉(zhuǎn)換為高低電平信號(hào)送給PLC,對于采樣信號(hào)執(zhí)行模糊算法的控制程序,輸出信號(hào)經(jīng)放大,通過晶閘管控制爐溫。量模糊集U為U=(E×EC)R求出控制決策U,再按隸屬函數(shù)中位數(shù)方法得到相應(yīng)的控制增量 u,再經(jīng)計(jì)算機(jī)離線反復(fù)調(diào)試修正,得到模糊控制表。實(shí)時(shí)控制時(shí),根據(jù)輸入偏差與輸入偏差變化率的模糊值直接查找控制表,獲得控制量。模糊控制表如表1所示。表1模糊控制表-5-4-3-

6、2-1-0+0-56655430-46554320-35543210-25-15041423324050544320004332200032100000210000002000000000001113EEC1000-01112335-200001122335-300001123445-400002334566-5000134445663模糊控制的實(shí)現(xiàn)3.1模糊控制原理模糊控制的基本原理如圖2所示。圖2模糊控制原理框圖PLC通過采樣獲取被控量的精確值,然后將此量與給定值比較得到誤差信號(hào)E,把誤差信號(hào)的精確量模糊化變成模糊量,得到了誤差E的模糊語言集合的一個(gè)子集e。再由e模糊控制規(guī)則R(模糊關(guān)系)

7、,根據(jù)推理合成規(guī)則進(jìn)行決策,得到模糊控制量為u=eoR(式中u為模糊量)。為了對被控對象施加精確的控制,還需將模糊量u轉(zhuǎn)化為精確的數(shù)字量,經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換,送給執(zhí)行機(jī)構(gòu),從而對被控對象實(shí)施控制。3.2模糊控制的實(shí)現(xiàn)本系統(tǒng)采用二維模糊控制。設(shè)模糊變量為:e(溫差),ec(溫差變化率),u(輸出量)。輸入輸出變量語言可以表達(dá)為:負(fù)大(NB),負(fù)小(NS),負(fù)零(NZ),正零(PZ),正小(PS),正大(PB)。系統(tǒng)中溫差、溫差變化率的基本論域分別為+e、+ec,其范圍為-5,+5,精確量均可劃分為12個(gè)等級(jí)。輸出量u的論域設(shè)定為+u,其范圍定為-6,+6,精確量劃分為14個(gè)等級(jí)。本系統(tǒng)為雙輸入單輸出模

8、糊控制,根據(jù)過程控制的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)得到一系列推理語言規(guī)則,寫成如下形式:IFE=(NB)andEC=(PB)thenU=(PB)例如:溫度偏差(E=e)為負(fù)大且偏差變化率(EC=ec)為正大,則輸出控制增量(U= u)應(yīng)為正大,以減少負(fù)偏差,使其趨近于給定值。根據(jù)這些模糊條件語句可歸納為模糊關(guān)系:R=U(E×EC)U式中,U,×為模糊關(guān)系矩陣的“并”和“交”運(yùn)算。由E,EC及上式推理合成規(guī)則,得到控制增-模糊控制程序作為整個(gè)PLC控制程序的一個(gè)子程序,包括數(shù)據(jù)的讀取、模糊推理和控制信號(hào)輸出。模糊控制算法的程序流程圖如圖3所示。圖3模糊控制算法流程圖4應(yīng)用效果將該系統(tǒng)用于燒結(jié)配礦

9、試驗(yàn)電爐的溫度控制,得到相當(dāng)好的效果。傳統(tǒng)的試驗(yàn)電爐控制只具備恒溫控制,溫度設(shè)定由人工通過溫度控制器的給定電位器設(shè)定,試驗(yàn)準(zhǔn)確性很難保證。我們采用該系統(tǒng)對試驗(yàn)電爐的溫度實(shí)施控制,使?fàn)t膛的溫度嚴(yán)格按給定的溫控曲線變化,如圖4所示。試驗(yàn)品種改變或試驗(yàn)參數(shù)變化也能保證其精度。(下轉(zhuǎn)第59頁)繞線機(jī)步進(jìn)驅(qū)動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)電氣傳動(dòng)2005年第35卷第8期剛性控制的重要因素。根據(jù)前述繞線機(jī)控制原理及生產(chǎn)工藝要求,利用PLC的梯形圖(LAD)程序設(shè)計(jì)方法、技巧,觸摸屏與PLC的通信協(xié)議和觸摸屏組態(tài)軟件包,加之一定的編程和工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn);可以設(shè)計(jì)出功能強(qiáng)大、靈活方便、操作簡單的控制軟件。全套控制系統(tǒng)軟件包括:PL

10、C控制程序、觸摸屏PLC通訊程序、觸摸屏組態(tài)軟件3部分。因篇幅所限,僅給出步進(jìn)電機(jī)排線控制軟件子程序流程圖,如圖6所示。利用FX2N-32MT提供的高速脈沖處理指令、邏輯控制指令、算數(shù)運(yùn)算指令及一些特殊功能指令,可較方便地實(shí)現(xiàn)對步進(jìn)電機(jī)的升/降速、恒速及正/反轉(zhuǎn)的運(yùn)行控制,尤其用PLSY高速脈沖串輸出指令和RAMPPLSY脈沖升/降斜率時(shí)間控制指令,可使步進(jìn)電機(jī)達(dá)到不失步的升/降速軟起動(dòng)、軟制動(dòng)與恒速運(yùn)行。4結(jié)束語利用先進(jìn)的觸摸屏、PLC、變頻器和步進(jìn)電機(jī)構(gòu)成的繞線機(jī)數(shù)字控制系統(tǒng)具有傳統(tǒng)機(jī)械耦合式繞線排線系統(tǒng)無法比擬的優(yōu)點(diǎn),實(shí)現(xiàn)了工藝參數(shù)或規(guī)格變化下的柔性調(diào)整與控制,系統(tǒng)具有控制精度高、操作簡

11、單、運(yùn)行平穩(wěn)、無噪音等優(yōu)點(diǎn),可實(shí)現(xiàn)各種規(guī)格銅絲的恒張力、等間距、整齊、均勻的繞絲排絲。此外,系統(tǒng)有較廣泛的推廣應(yīng)用前景,稍加改進(jìn)和完善后,可以直接應(yīng)用到造紙、包裝、印染、金屬線材、帶材等不同領(lǐng)域的主動(dòng)收料或放料速度控制。參考文獻(xiàn)1綦建.QYC專用繞線機(jī)的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)J.電氣傳動(dòng),1997,27(5):32352惠晶,陳劍,吳雷等.基于卷徑參數(shù)的卷染機(jī)自適應(yīng)速度控制系統(tǒng)J.電氣傳動(dòng),2003,33(6):8113榮.捻線機(jī)卷繞成形的柔性控制J.棉紡織技術(shù),2002,30(5):2024收稿日期:2004-07-23修改稿日期:2005-05-12圖6排線控制軟件子程序流程圖(上接第55頁)則個(gè)

12、數(shù)不受系統(tǒng)硬件限制等特點(diǎn),降低了系統(tǒng)的開發(fā)成本,擴(kuò)大了應(yīng)用范圍。參考文獻(xiàn)1OrdonezR,PassinoKM.StsbleMulti-inputMulti-outputAdaptiveFuzzy/NeuralControlJ.IEEETrans.onFuzzy圖4試驗(yàn)電爐溫控曲線Systems,1999(7):3453532PedryczW.AnIdentificationSlgorithminFuzzyRelationSystemsJ.FuzzySetsandSystem,1984(13):1531673TanakaK,SugenoM.StabilityAnalysisandDesignofFuzzyControlSystemsJ.FuzzySetsandSystems,1992(45):1351364馮