祁 鯤 厲 虹

（北京信息科技大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院，北京 100192）

工業(yè)生產(chǎn)過程中，溫度控制十分常見，特別是在鋼鐵冶煉、化工精餾、生物發(fā)酵、藥品生產(chǎn)等工業(yè)生產(chǎn)中占有非常重要的地位[1-4]，然而溫度控制具有非線性、純滯后、大慣性、難以準(zhǔn)確控制的特點(diǎn)，傳統(tǒng)控制方法調(diào)節(jié)時(shí)間長(zhǎng)、超調(diào)大、控制精度低，在溫度控制精度要求較高的場(chǎng)合無(wú)法達(dá)到理想的控制效果；同時(shí)一些較為復(fù)雜的先進(jìn)控制算法，如遺傳算法、預(yù)測(cè)控制、模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制等，能夠獲得較好的控制效果[4-11]，但內(nèi)容抽象，理論性強(qiáng)，缺乏相應(yīng)的試驗(yàn)研究平臺(tái)。為此本文設(shè)計(jì)了基于PLC（可編程控制器）的溫度控制仿真試驗(yàn)平臺(tái)，并在Visual Basic編程環(huán)境下建立了監(jiān)控界面。

1 試驗(yàn)平臺(tái)基本結(jié)構(gòu)

基于PLC的溫度控制系統(tǒng)原理如圖1所示，包括PLC、輸出控制電路、加熱爐、溫度檢測(cè)電路等部分；在自動(dòng)化程度較高的場(chǎng)合，設(shè)置了上位計(jì)算機(jī)進(jìn)行系統(tǒng)監(jiān)控。其中，輸出控制電路根據(jù)PLC輸出值實(shí)現(xiàn)對(duì)燃?xì)忾y開度或燃料輸送量的控制；溫度檢測(cè)部分一般為溫度傳感器及其轉(zhuǎn)換電路，將檢測(cè)到的實(shí)際溫度值傳送給PLC。在本試驗(yàn)平臺(tái)中，采用OMRON CP1E型PLC實(shí)現(xiàn)控制算法；作為被控對(duì)象的加熱爐則由上位機(jī)在 Visual Basic編程環(huán)境下仿真實(shí)現(xiàn)，參數(shù)可以根據(jù)實(shí)際情況設(shè)定；相應(yīng)的輸出控制電路和溫度檢測(cè)電路則由PLC和上位機(jī)之間的直接數(shù)據(jù)交換替代。

圖1 溫度控制系統(tǒng)原理圖

2 監(jiān)控界面設(shè)計(jì)

考慮對(duì)各類PLC的兼容性，試驗(yàn)平臺(tái)基于Visual Basic編程環(huán)境設(shè)計(jì)了上位機(jī)監(jiān)控界面。該界面提供友好的人機(jī)交互功能，如參數(shù)設(shè)定、數(shù)據(jù)顯示、曲線繪制、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等。如圖2所示，整個(gè)界面分為圖像區(qū)、參數(shù)設(shè)置與數(shù)據(jù)顯示區(qū)、命令發(fā)布區(qū)、系統(tǒng)說明區(qū)四個(gè)部分。界面的最上方是圖像區(qū)，包括溫度曲線實(shí)時(shí)繪制、加熱爐模型示意、溫度計(jì)動(dòng)畫顯示等。在界面中部的參數(shù)設(shè)置與數(shù)據(jù)顯示區(qū)可進(jìn)行加熱爐模型參數(shù)（K、TD、τ）和控制系統(tǒng)參數(shù)（TC、T）的設(shè)定，并可以實(shí)現(xiàn)設(shè)定溫度、當(dāng)前溫度、誤差溫度的實(shí)時(shí)顯示。命令發(fā)布區(qū)可發(fā)布不同的命令以實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的控制：“加熱爐模型階躍響應(yīng)”鍵將自動(dòng)繪制系統(tǒng)所設(shè)定加熱爐模型的階躍響應(yīng)曲線，可作為控制器設(shè)計(jì)的參考；“仿真控制”鍵可調(diào)用平臺(tái)自身基于Visual Basic實(shí)現(xiàn)的控制程序進(jìn)行仿真控制（這里預(yù)設(shè)了大林算法控制程序，用戶可自行修改），可對(duì)比驗(yàn)證控制器設(shè)計(jì)效果；“PLC控制”鍵將調(diào)用在PLC控制器中所設(shè)計(jì)控制程序的運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示。系統(tǒng)說明區(qū)在界面的下方，對(duì)系統(tǒng)信息如加熱爐模型的傳遞函數(shù)、期望的閉環(huán)控制系統(tǒng)傳遞函數(shù)以及上位機(jī)與PLC的數(shù)據(jù)交換地址等進(jìn)行說明。該界面力求形象生動(dòng)、信息完整，具有良好的可視性、操作性、通用性。

圖2 監(jiān)控界面

3 加熱爐對(duì)象模擬

其差分方程為

式（2）即為加熱爐的差分模型。根據(jù)此方程可在 Visual Basic編程環(huán)境下實(shí)現(xiàn)對(duì)加熱爐模型的仿真模擬。試驗(yàn)平臺(tái)計(jì)算子程序流程圖如圖3所示。

圖3 計(jì)算子程序流程圖

4 控制范例

如文獻(xiàn)[1-3，10-11]所述，基于PLC的溫度控制算法有很多，本文以大林算法為例實(shí)現(xiàn)溫度控制。1968年Dahlin針對(duì)工業(yè)生產(chǎn)過程中遇到的含純滯后控制對(duì)象提出了一種具有消除余差和對(duì)純滯后有補(bǔ)償作用的算法。大林算法的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則是，以大林算法為核心的數(shù)字控制器，使閉環(huán)系統(tǒng)的特性為具有時(shí)間滯后的一階慣性環(huán)節(jié)，且滯后時(shí)間與被控對(duì)象的滯后時(shí)間相同[12]。

大林算法在PLC中實(shí)現(xiàn)的流程如圖4所示。需要注意的是，為實(shí)現(xiàn)精確控制，應(yīng)在PLC中采用浮點(diǎn)運(yùn)算，但是在PLC與上位機(jī)的參數(shù)傳遞中整型數(shù)據(jù)較為方便和快捷，因此數(shù)據(jù)發(fā)送方可以將含有小數(shù)的數(shù)值在數(shù)據(jù)傳遞前擴(kuò)大一定的倍數(shù)，然后作為整型數(shù)據(jù)傳遞，數(shù)據(jù)接收方收到數(shù)據(jù)后再將數(shù)據(jù)縮小相同的倍數(shù)以恢復(fù)原值。

圖4 基于PLC的大林算法流程圖

在試驗(yàn)平臺(tái)中設(shè)置系統(tǒng)參數(shù)如下：加熱爐模型純滯后時(shí)間常數(shù)τ=5s，比例系數(shù)K=100，慣性時(shí)間常數(shù)TD=10s；期望的閉環(huán)控制系統(tǒng)慣性時(shí)間常數(shù)TC=2s；系統(tǒng)采樣周期T=0.1s。將設(shè)定溫度分別設(shè)置為200℃、360℃時(shí)運(yùn)行PLC大林算法控制程序，得到的溫度曲線截圖如圖5（a）、（b）所示，其超調(diào)量分別為 0.8℃和 1.3℃，溫度調(diào)節(jié)穩(wěn)態(tài)誤差均為0.0℃。從運(yùn)行結(jié)果可以看出，將大林算法應(yīng)用于基于PLC的加熱爐溫度控制系統(tǒng)中，響應(yīng)速度快，超調(diào)量小，穩(wěn)態(tài)溫差??；并且其控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，根據(jù)需要可以很好的應(yīng)用到工業(yè)控制中。

圖5 大林算法溫度控制響應(yīng)曲線

5 結(jié)論

該試驗(yàn)平臺(tái)充分利用 Visual Basic的軟件優(yōu)勢(shì)開發(fā)了基于PLC的溫度控制系統(tǒng)監(jiān)控界面，使之具有良好的可視性、操作性；并且Visual Basic語(yǔ)言具有較好的通用性，能夠很方便的實(shí)現(xiàn)與其他類型PLC或其他控制器的兼容。本文給出了大林算法溫度控制范例，達(dá)到了較好的控制效果；同時(shí)該平臺(tái)還可以用來實(shí)現(xiàn)其他先進(jìn)控制算法如模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制等，具有一定的開放性。

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