摘要：為將高壓微機(jī)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(jī)實(shí)時監(jiān)測方案。首先，基于模糊PID控制器和預(yù)測控制算法，提出預(yù)測模糊PID控制器；然后根據(jù)高壓微機(jī)調(diào)控機(jī)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(jī)溫濕度調(diào)節(jié)數(shù)學(xué)模型，并進(jìn)一步設(shè)計了預(yù)測模糊PID控制器結(jié)構(gòu)；最后，在PLC系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)預(yù)測模糊PID控制器，并借助LoRa模塊搭建遠(yuǎn)程無線通信系統(tǒng)，完成高壓微機(jī)溫濕度的精準(zhǔn)控制與實(shí)時監(jiān)測。仿真結(jié)果表明，所設(shè)計的預(yù)測模糊PID控制器可恒定控制高壓微機(jī)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(jī)溫濕度控制精度需求，且具有較快的響應(yīng)速度和較高的穩(wěn)定性，為高壓微機(jī)實(shí)時監(jiān)測提供了參考。

關(guān)鍵詞：高壓微機(jī)；實(shí)時監(jiān)測；模糊PID；預(yù)測控制；PLC傳感技術(shù)

中圖分類號：TP273；TQ591文獻(xiàn)標(biāo)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(jī)是一種綜合自動化保護(hù)裝置，融合了計算機(jī)技術(shù)和通信技術(shù)，有效提高了高壓電動機(jī)的運(yùn)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(jī)保護(hù)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。然而，對于保護(hù)裝置而言，一旦自身出現(xiàn)故障，便無法發(fā)揮保護(hù)功能，這無疑會對整個高壓電動機(jī)的運(yùn)行穩(wěn)定性構(gòu)成嚴(yán)重威脅。因此，有必要對高壓微機(jī)進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測。目前，實(shí)時監(jiān)測方案均圍繞著傳感器而進(jìn)行設(shè)計，如徐敬海等通過JSON（JavaScript object notation）傳輸協(xié)議，實(shí)現(xiàn)了復(fù)雜建筑物的實(shí)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(yīng)力的產(chǎn)生、積累和分布情況的影響，實(shí)現(xiàn)了小光纖形狀傳感器封裝過程應(yīng)力的分布式實(shí)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(shí)時監(jiān)測方法，實(shí)現(xiàn)了變壓器油溫度的實(shí)時監(jiān)測[3]。通過上述研究可以發(fā)現(xiàn)，基于傳感器的實(shí)時監(jiān)測方案已在各監(jiān)測領(lǐng)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(jī)實(shí)時監(jiān)測方案。為高壓微機(jī)實(shí)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(shí)現(xiàn)對非線性和大時滯等復(fù)雜問題進(jìn)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(jìn)行模糊化，并確定e和ec的模糊關(guān)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(jìn)行修正，可實(shí)現(xiàn)對控制對象的精確控制[5-6]。

模糊PID控制器具有適應(yīng)性和魯棒性強(qiáng)的優(yōu)勢，因此本研究以模糊PID控制器為基礎(chǔ)，通過控制高壓微機(jī)溫度和濕度，實(shí)現(xiàn)度高壓微機(jī)的實(shí)時監(jiān)測。

1.2預(yù)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(yàn)設(shè)定，可能存在一定的誤差[7]。因此，為解決該問題，研究引入預(yù)測控制對模糊PID控制器進(jìn)行了優(yōu)化。

預(yù)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(biāo)過去狀態(tài)的同時考慮目標(biāo)未來狀態(tài)，盡量減少目標(biāo)值與受控制量的偏差[8]。相較于理想狀態(tài)的控制算法，預(yù)測控制可利用控制器中當(dāng)前和過去的偏差值確定最佳輸入，并利用預(yù)測模型預(yù)測偏差值，從而實(shí)現(xiàn)更精確的系統(tǒng)控制。因此，研究選用預(yù)測控制對模糊PID控制器進(jìn)行優(yōu)化，設(shè)計了預(yù)測模糊PID控制器。

預(yù)測模糊PID控制器使用預(yù)測控制計算實(shí)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(shí)現(xiàn)系統(tǒng)更精確的控制，并提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度和穩(wěn)定性[9]。

在該控制器中，預(yù)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(shí)現(xiàn)控制。當(dāng)控制對象目標(biāo)值與輸出值存在偏差時，預(yù)測控制會預(yù)測未來輸出值，并向模糊PID控制器傳遞預(yù)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(biāo)靠近。

2基于PLC和傳感器的高壓微機(jī)實(shí)時監(jiān)測

2.1高壓微機(jī)調(diào)控機(jī)理建模

根據(jù)高壓微機(jī)溫濕度控制特點(diǎn)和能量守恒定理，構(gòu)建高壓微機(jī)調(diào)控機(jī)理數(shù)學(xué)模型，如式（1），即單位時間內(nèi)流入高壓微機(jī)的能量與單位時間內(nèi)高壓微機(jī)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(jī)被控溫度；T0為環(huán)境溫度；B為高壓微機(jī)傳熱系數(shù)；A為傳熱面積；Q為單位時間內(nèi)加熱設(shè)備產(chǎn)生的熱量。

當(dāng)高壓微機(jī)逐漸達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)時，Ti與Q均達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，則[11]

當(dāng)加熱設(shè)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(guān)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(shè)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(fù)大（NB）、正中（PM）、負(fù)中（NM）、正?。≒S）、負(fù)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(jìn)而建立模糊控制器，實(shí)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(shè)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(yīng)速度，減小穩(wěn)態(tài)誤差[15]。但過大的kp可能導(dǎo)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(shè)置不同kp值觀察系統(tǒng)控制性能，如圖2所示。當(dāng)kp=7時，系統(tǒng)控制性能最好，因此研究設(shè)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(jìn)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(shè)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(dāng)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(yīng)速度方面均具有一定有優(yōu)勢。因此，本研究設(shè)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(yīng)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(jìn)行確定。當(dāng)kd=11時，控制器對系統(tǒng)的控制性能最好。因此，本研究設(shè)定kd=11。

2.3控制器在PLC中的實(shí)現(xiàn)

在預(yù)測模糊PID控制器實(shí)時控制中，首先將采集的輸入量進(jìn)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(fù)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(jìn)行調(diào)用，即實(shí)現(xiàn)了預(yù)測模糊PID控制器[18]。在整個實(shí)現(xiàn)過程中，采用循環(huán)執(zhí)行方式進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集與傳輸，以及PLC程序的控制。

3仿真實(shí)驗(yàn)

3.1實(shí)驗(yàn)環(huán)境搭建

本次實(shí)驗(yàn)基于MATLAB軟件的Simulink模塊搭建模糊預(yù)測PID控制模型，并在PLC中進(jìn)行實(shí)現(xiàn)，同時為實(shí)現(xiàn)高壓微機(jī)遠(yuǎn)程實(shí)時檢測，基于LoRa模塊搭建遠(yuǎn)程無線通信系統(tǒng)，如圖4所示[19-20]。

3.2參數(shù)設(shè)置

本次實(shí)驗(yàn)設(shè)置預(yù)測模糊PID控制器的控制時域和預(yù)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(yàn)證

為檢驗(yàn)所設(shè)計的預(yù)測模糊PID控制器的有效性，研究對比了預(yù)測模糊PID控制器、模糊PID控制器、PID控制器在同一坐標(biāo)系中的控制效果，其結(jié)果為：所設(shè)計的預(yù)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(shè)計的預(yù)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(yīng)速度最快，具有一定的優(yōu)越性。

4.2溫度控制結(jié)果

為驗(yàn)證所設(shè)計的預(yù)測模糊PID控制器對溫度的控制效果，研究設(shè)置目標(biāo)溫度為27℃，并使用預(yù)測模糊PID控制器進(jìn)行控制，進(jìn)而發(fā)現(xiàn)，預(yù)測模糊PID控制器控制約6s后，系統(tǒng)首次達(dá)到設(shè)定溫度；控制后期，系統(tǒng)溫度與設(shè)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(yàn)證所設(shè)計的預(yù)測模糊PID控制器對濕度的控制效果，研究設(shè)定溫度為27℃，濕度為32%RH，使用預(yù)測模糊PID控制器進(jìn)行控制，得到預(yù)測模糊PID控制器控制210 s左右，溫濕度開始達(dá)到設(shè)定值，后期穩(wěn)定在設(shè)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(shè)計的預(yù)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(jī)實(shí)時監(jiān)測方法。該方法通過構(gòu)建預(yù)測模糊PID控制器，并在PLC上實(shí)現(xiàn)其控制算法，實(shí)現(xiàn)了對高壓微機(jī)溫濕度的恒定控制。經(jīng)實(shí)踐驗(yàn)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(jī)溫濕度的控制精度要求，同時具備響應(yīng)速度快、穩(wěn)定性高的特點(diǎn)。與傳統(tǒng)的模糊PID控制器和PID控制器相比，本研究設(shè)計的預(yù)測模糊PID控制器在控制效果上更勝一籌，響應(yīng)速度更快，穩(wěn)定性更高，能夠切實(shí)滿足實(shí)際高壓微機(jī)溫濕度控制的需求，為高壓微機(jī)實(shí)時監(jiān)測工作奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

【參考文獻(xiàn)】

[1]徐敬海，杜東升，李枝軍，等.一種應(yīng)用傳感器網(wǎng)和實(shí)景三維模型的復(fù)雜建筑物實(shí)時動態(tài)監(jiān)測方法[J].武漢大學(xué)學(xué)報（信息科學(xué)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(yīng)力的分布式實(shí)時監(jiān)測[J].光學(xué)學(xué)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(shí)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(yàn)臺抓手定位精度的模糊PID控制[J].機(jī)床與液壓，2023，51（16）：67-75.

[5]趙劍橋，嚴(yán)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(xué)學(xué)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(fù)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(jī)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(xué)學(xué)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(shè)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(jī)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(jī)的擠壓力研究[J].工程設(shè)計學(xué)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(shè)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(jī)調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計[J].西安文理學(xué)院學(xué)報（自然科學(xué)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(xué)學(xué)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(shè)計與仿真[J].長春理工大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2023，46（4）：83-90.

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

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

[18]羅明達(dá)，鄧?yán)^忠，霍靜朗，等.基于復(fù)合模糊PID的植保無人機(jī)變量噴霧系統(tǒng)設(shè)計[J].農(nóng)機(jī)化研究，2024，46（2）：9-15.

[19]樊琛，王毅.基于浮游式變壓器巡檢機(jī)器人系統(tǒng)設(shè)計與試驗(yàn)[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(shè)備狀態(tài)監(jiān)測及故障檢修管理系統(tǒng)仿真設(shè)計[J].粘接，2022，49（10）：176-179.

（責(zé)任編輯：李睿）