孫云輝，王 釗，肖 威，匡永江

（北京機械工業(yè)自動化研究所，北京 100120）

基于PLC的離心風(fēng)機模糊控制系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

孫云輝，王 釗，肖 威，匡永江

（北京機械工業(yè)自動化研究所，北京 100120）

本文根據(jù)離心風(fēng)機的控制要求，運用離線設(shè)計，在線查表的方法設(shè)計了一個基于PLC的模糊控制系統(tǒng)，并介紹了系統(tǒng)的設(shè)計過程與PLC實現(xiàn)的方法。實際應(yīng)用情況表明該模糊控制系統(tǒng)運行穩(wěn)定，較好地實現(xiàn)了控制要求。

PLC；模糊控制；離心風(fēng)機；MATLAB；ControlLogix5000

0 引言

污水處理廠污泥消化產(chǎn)生的沼氣經(jīng)脫硫處理后儲存在常壓沼氣柜中，需要經(jīng)過變頻器驅(qū)動的離心式增壓風(fēng)機增壓至某一恒定壓力后供鍋爐等設(shè)備使用。因為鍋爐等用氣設(shè)備根據(jù)消化工藝的需要自動啟停及調(diào)節(jié)燃?xì)饬?，所以增壓風(fēng)機的流量及使用數(shù)量需要不斷變化才能保證出口壓力恒定。由于離心風(fēng)機的出口壓力與流量是非線性的關(guān)系，并且多臺風(fēng)機并行運行時曲線關(guān)系又發(fā)生復(fù)雜的變化，所以傳統(tǒng)控制方式很難做到壓力穩(wěn)定。

模糊控制是建立在人類思維模糊性的基礎(chǔ)之上的，其優(yōu)點在于不需要建立精確的數(shù)學(xué)模型，而是運用模糊理論、專家知識將人的經(jīng)驗、思維和判斷通過模糊控制器用語言控制來實現(xiàn)控制過程[1]。模糊控制能方便地解決工業(yè)領(lǐng)域中常見的非線性、時變、大滯后、強耦合、變結(jié)構(gòu)等復(fù)雜問題[2]。PLC具有可靠性高、編程簡單、維修方便的優(yōu)點，在工業(yè)控制行業(yè)得到廣泛的應(yīng)用，但是傳統(tǒng)的PLC控制指令不能滿足復(fù)雜的控制要求，因而利用PLC實現(xiàn)模糊控制是現(xiàn)代自動控制系統(tǒng)的發(fā)展趨勢之一。

1 模糊控制系統(tǒng)的構(gòu)成

圖1 離心風(fēng)機模糊控制結(jié)構(gòu)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(jīng)能夠比較嚴(yán)格地反映受控過程中輸入變量的動態(tài)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(tǒng)增加一個死區(qū)算法，當(dāng)E位于死區(qū)內(nèi)時系統(tǒng)輸出保持不變。控制器的輸出采用增量式，可以避免風(fēng)機轉(zhuǎn)速變化過快產(chǎn)生振動。

整個模糊控制系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)分為兩步：離線設(shè)計與模擬部分運用模糊理論，根據(jù)人的經(jīng)驗和知識將系統(tǒng)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(xiàn)部分將查詢表格以數(shù)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(tǒng)。整個系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

2 模糊控制系統(tǒng)的離線設(shè)計

2.1 輸入輸出變量模糊化

為簡化計算，設(shè)定輸入、輸出論域都量化為5檔，即正大(PL)、正小(PS)、零(ZE)、負(fù)小(NS)、負(fù)大(NL)五級語言變量。根據(jù)控制需要及經(jīng)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(shù)作為隸屬函數(shù)，將輸入輸出變量模糊化。

圖2 隸屬函數(shù)

2.2 選擇模糊規(guī)則，生成模糊查詢表

選擇模糊控制規(guī)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(guī)則，根據(jù)實際經(jīng)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(shù)值計算的可視化軟件，它提供了豐富的數(shù)值分析、矩陣運算、圖形繪制、數(shù)據(jù)處理、圖像處理等功能，并且提供了大量的應(yīng)用于不同學(xué)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(xiàn)

3.1 PLC查表功能的實現(xiàn)

把模糊查詢表存儲在PLC的一維數(shù)組DU[25]中，當(dāng)PLC計算出E與EC后通過查表程序找到對應(yīng)的數(shù)值DU[i]即為模糊控制器輸出△u。PLC采用AB ControlLogix5000，使用結(jié)構(gòu)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(jīng)過死區(qū)判斷后乘以量化因子Ke并模糊化后得到模糊控制器輸入?yún)?shù)E(k)，同樣采用類似的方法得到EC(k)。根據(jù)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)?！鱑(k)即為本次控制變頻器的頻率增量，該數(shù)值加上當(dāng)前變頻器的反饋值即得到變頻器的頻率設(shè)定值。整個程序流程如圖4所示。

圖4 PLC控制流程圖

4 結(jié)束語

通過模糊控制技術(shù)與PLC的無縫接合，利用PLC實現(xiàn)復(fù)雜系統(tǒng)的模糊控制，即發(fā)揚了PLC控制系統(tǒng)靈活、可靠、穩(wěn)定的特點，又極大地擴展了PLC的控制功能，提高了系統(tǒng)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(xiàn)模糊控制的方法研究[J]. 沈陽工業(yè)學(xué)院學(xué)報, 2003, 4.

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

[3] 李祖欣. MATLAB在模糊控制系統(tǒng)設(shè)計和仿真的應(yīng)用[J]. 系統(tǒng)仿真學(xué)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(yè)自動化系統(tǒng)集成方面的應(yīng)用與研究工作。