石曉瑛，許智榜

(華東交通大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，江西南昌330013)

可編程控制器(PLC)作為新型的自動(dòng)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(shù)人員的歡迎。PLC內(nèi)部含有多種運(yùn)算指令，通過指令可進(jìn)行各種運(yùn)算，可完成16位或32位整數(shù)運(yùn)算和浮點(diǎn)數(shù)運(yùn)算。利用PLC不僅可實(shí)現(xiàn)對(duì)輸入和輸出繼電器的開關(guān)量控制，而且通過加裝A/D、D/A轉(zhuǎn)換模塊，完成溫度數(shù)據(jù)采集并產(chǎn)生模擬輸出控制信號(hào)來控制可控硅模塊的導(dǎo)通量而實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的控制。本文使用三菱FX2N系列擴(kuò)展模塊FX2N-4AD-TC，F(xiàn)X2N-2DA設(shè)計(jì)基于PLC溫度控制系統(tǒng)，使PLC擺脫只能處理邏輯量的限制，既發(fā)揮PLC的可靠、靈活、適應(yīng)性強(qiáng)的特點(diǎn)，也大大提高控制系統(tǒng)的智能化程度[1]。

1 控制策略

燒結(jié)爐溫度是一個(gè)具有大滯后和時(shí)變性的控制對(duì)象，采用傳統(tǒng)的PID控制方法，控制系統(tǒng)存在較大的超調(diào)量和較長(zhǎng)的調(diào)節(jié)時(shí)間。模糊控制作為新興的智能控制方式得到快速發(fā)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(jīng)驗(yàn)控制策略改寫為模糊控制規(guī)則，特別適用于具有非線性，大滯后、強(qiáng)耦合特性的復(fù)雜系統(tǒng)。

模糊控制器以系統(tǒng)偏差e和偏差變化Δe作為輸入變量，基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。偏差e=r-y，r為被控對(duì)象的給定值，y為實(shí)測(cè)值，偏差變化率Δe=et-et-1，其中，et，et-1分別為當(dāng)前時(shí)刻和前一個(gè)采樣時(shí)刻的偏差。E、ΔE分別為偏差e、偏差變化率Δe經(jīng)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(shí)際輸出u[2]。

圖1 模糊控制器結(jié)構(gòu)

模糊控制的魯棒性好，對(duì)純滯后及被控對(duì)象的參數(shù)的變化不敏感，系統(tǒng)可以獲得良好的動(dòng)態(tài)性能，但是模糊控制器是以系統(tǒng)偏差e和偏差變化Δe作為輸入變量，缺少積分控制，容易產(chǎn)生穩(wěn)態(tài)誤差。為了滿足工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)快速、穩(wěn)定的溫度控制要求，將模糊控制與PID控制結(jié)合，采用Fuzzy-PID復(fù)合控制，通過設(shè)定閾值，進(jìn)行積分分離如圖2。其主要設(shè)計(jì)思想是:當(dāng)偏差值e(t)＞β(閾值)時(shí)采用PD模糊控制，而當(dāng)e(t)＜β(閾值)時(shí)切換到PID控制，消除靜差，提高控制精度[3]。

2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

基于PLC的溫度控制系統(tǒng)以三菱FX-2N型PLC為控制核心，由PLC輸入、輸出擴(kuò)展模塊，熱電偶，雙向晶閘管、移相觸發(fā)控制等組成，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)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(diào)用控制子程序，得到控制量存入數(shù)據(jù)寄存器中，經(jīng)FX2N-2DA輸出0～10 V電壓值，與鋸齒波進(jìn)行比較，產(chǎn)生觸發(fā)信號(hào)，使雙向晶閘管導(dǎo)通。

圖2 燒結(jié)爐溫度控制系統(tǒng)模型

圖3 PLC溫控系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 主程序

PLC內(nèi)部含有PID運(yùn)算命令，為利用PID進(jìn)行溫度控制提供了很大方便。在使用PID指令之前，要對(duì)輸出上、下限、比例系數(shù)KP、TI、TD和采樣周期TS進(jìn)行參數(shù)設(shè)置。PLC溫度控制系統(tǒng)主程序流程如圖4所示。首先開機(jī)設(shè)定各個(gè)參數(shù)初始值，定時(shí)采樣時(shí)間(設(shè)為1 s)到，讀取溫度值存入PLC的數(shù)據(jù)寄存器D100，計(jì)算誤差e和變化率Δe，分別存入D110和D111中。當(dāng)偏差值e(t)＞β(閾值)時(shí)采用PD模糊控制，而當(dāng)e(t)＜β(閾值)時(shí)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(guī)則推理和解模糊3個(gè)部分。在模糊控制器中，首先確定連續(xù)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(qū)間值量化為離散區(qū)間[-2，2]的元素。為了方便建立查詢表，增加一個(gè)偏移量2。采用同樣方法對(duì)Δe進(jìn)行離散論域轉(zhuǎn)化。

輸入變量E和ΔE的模糊詞集為{NB，NS，O，PS，PB}，分別表示負(fù)大(NB)、負(fù)小(NS)、零(0)、正小(PS)、正大(PB)5個(gè)模糊量，模糊量的隸屬函數(shù)為方波。模糊控制規(guī)則采用最大隸屬函數(shù)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?？刂破鬏敵鰖表示雙向晶閘管的觸發(fā)控制角，F(xiàn)X2N-2DA輸出電壓0～10 V對(duì)應(yīng)的數(shù)字量為0～4 000，故輸出采用7個(gè)單點(diǎn)分別為0，667，1 333，2 000，2 667，3 333，4 000，對(duì)應(yīng)觸發(fā)控制角0°，30°，60°，90°，120°，150°，180°(與最大值為10 V鋸齒波進(jìn)行比較，從而得到控制角度)。根據(jù)已經(jīng)建立的模糊語言變量賦值表和模糊控制規(guī)則，進(jìn)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(guī)律將其存放在D200開始的25個(gè)寄存器中。利用比較指令與預(yù)設(shè)值進(jìn)行比較，將e和Δe量化至模糊控制論域中對(duì)應(yīng)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(duì)應(yīng)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(jié)束語

通過積分分離進(jìn)行Fuzzy-PID復(fù)合控制，當(dāng)被控量與設(shè)定值偏差較大時(shí)，取消積分作用，以免由于積分作用使系統(tǒng)穩(wěn)定性降低，超調(diào)量增大;當(dāng)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(fù)合控制使系統(tǒng)獲得較好的動(dòng)態(tài)和靜態(tài)特性。

[1] 俞紅衛(wèi).一種PID控制與模糊控制相結(jié)合的智能溫度控制系統(tǒng)[J].上海應(yīng)用技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)，2007，7(2):106-109.

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

[3] 熊偉麗，徐保國(guó)，肖應(yīng)旺.基于PLC的Fuzzy-PI發(fā)酵溫度控制系統(tǒng)[J].計(jì)算機(jī)工程，2005，31(9):207-209.

[4] 劉建輝，冀常鵬.單片機(jī)智能控制技術(shù)[M].北京:國(guó)防工業(yè)出版社，2007.4.

[5] 韓兆祥，李學(xué)英，萬鑫，等.利用PLC和觸摸屏實(shí)現(xiàn)多階段PID溫度控制[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2008，25(6):56-59.

[6] 王志凱，郭宗仁.PLC實(shí)現(xiàn)模糊控制的兩種設(shè)計(jì)方法[J].中國(guó)儀器儀表，2002(1):4-6.