基于PLC的锅炉温度模糊控制研究与应用-

1、技术创新中文核心期刊微计算机信息(嵌入式与SOC2008年第24卷第9-2期人工智能基于PLC的锅炉温度模糊控制研究与应用The Research and Application of Boiler Fuzzy Tem perature Control System based on PLC(南京信息工程大学林屹张颖超LIN Yi ZHANG Ying-chao摘要:采用SIMATIC S7-300系列PLC设计了一个电加热锅炉的温度模糊控制器,该模糊控制器克服了传统PID控制对被控对象精确数学模型的依赖,通过已编制好的控制程序直接实现智能控制,充分体现出PLC编程方便、组态灵活、适应性好的特

2、点。关键词:PLC;模糊控制器;温度控制中图分类号:TP273.5文献标识码:AAbstract:A kind of boiler fuzzy temperature controller was designed by adopting SIMATIC S7-300series PLC.This fuzzy controller overcame the weakness of traditional PID controller which was based on the accurate mathematic model and it can realize the intelli-g

3、ent control by the control programme,which represent its advantages such as programming convenient,consignment flexible and good adaptability.Key words:PLC;Fuzzy controller;temperature control文章编号:1008-0570(200809-2-0216-02林屹:硕士讲师基金项目:江苏省高校自然科学基金资助项目:基于关系型数据库的模糊查询方法研究与控制接口设计,颁发部门:江苏省教育厅(06KJD520122南

4、京信息工程大学科研基金资助项目1引言在锅炉温度控制系统中,电加热锅炉是过程工业中常用的设备,其温度控制也是过程控制的一个重点。然而,电加热锅炉因其具有大时滞、非线性、难以建立精确数学模型等特点,采用常规PID控制难以达到很好的控制效果。模糊控制是以模糊集合论、模糊语言变量及模糊推理为基础的计算机智能控制,其核心是模糊控制器。作为智能控制的一个分支,模糊控制对于具有大时滞、非线性、参数强耦合等系统具有其明显的控制优势,它不需要考虑被控对象的数学模型,只要依据由操作人员经验而制定的控制规则进行控制。针对电加热锅炉具有大时滞、非线性、难以建立精确的数学模型等特点,本文在研究模糊控制理论的基础上,以电

5、加热锅炉温度控制子系统为研究对象,采用西门子公司的SIMATIC S7-300系列PLC,进行模糊控制算法的研究及应用。2模糊控制系统结构模糊控制是以模糊集合论、模糊语言变量及模糊推理为基础的计算机智能控制,其核心是模糊控制器。锅炉温度模糊控制系统结构如图1所示。通过温度传感器Pt100测量锅炉水温,经温度变送器将温度信号转换为电信号送至模糊控制器,模糊控制器由SIMATIC S7-300PLC编程实现。模糊控制器将此精确值与给定值比较后得到偏差信号e,进行模糊化,即将输入的精确数字量转换成模糊集合的隶属函数,从而把传感器的输入转换为知识库可以理解和操作的变量。然后根据操作员或专家的经验制定出

6、的模糊控制规则进行模糊推理,得到模糊输出集合。最后经过解模糊过程,即将这个输出模糊集合隶属函数转换为精确的数字量,该控制量再经过数模转换器得到4-20mA输出电流信号,该电流信号再经过调压器控制电加热器的电压,从而实现对锅炉水温的控制。3模糊控制器的设计3.1输入参数模糊化进行模糊运算,首先需要将实际偏差和偏差变化率通过各自的量化因子转换为模糊论域。偏差e的语言变量为E,偏差变化率ec的语言变量为EC,输出控制量u的语言变量为U,其相应的模糊子集分别为、和,分别划分为11个等级,即-5,-4,-3,-2,-1,0,+1,+2,+3,+4,+5。语言值分别取为负大,负中,负小,零,正小,正中,正

7、大,记为Nbig,Nmid,Msmall,Zero,Psmall,Pmid,Pbig。把精确值离散化,并将其由基本论域变换到模糊论域之后,分别形成其隶属函数或模糊变量赋值表。3.2模糊控制规则的确定模糊控制器根据其维数,即输入变量的个数,可分为一维模糊控制器、二维模糊控制器和三维模糊控制器。本文中锅炉温度模糊控制系统的控制器采用以偏差和偏差变化率为输入量、控制量的增量为输出量的二维模糊控制器结构,在实际控制中,不仅对被控变量的偏差进行反馈,而且还对其偏差率变化进行反馈。模糊控制规则如下:技术创新如果偏差是“正大(Pbig ”,即温度很高,并且偏差变化率是“正大(Pbig ”,即温度正在不断增大

8、,那么控制量迅速减小(Nbig ,即迅速减少加热。如果偏差是“正大(Pbig ”,即温度很高,并且偏差变化率是“负小(Nsmall ”,即温度正在缓慢减小,那么控制量适当减小(Nmid ,即适当减少加热。如果偏差是“负大(Nbig ”,即温度很低,并且偏差变化率是“负大(Nbig ”,即温度很快下降,那么控制量迅速增加(Pbig ,即快速加热。依次类推,可得到模糊控制规则表,如表1所示。表1模糊控制规则表3.3模糊推理及解模糊根据确定的模糊控制规则表,运用模糊数学理论对模糊控制规则进行计算推理,得到一个定性的用语言表示的决策输出量。将模糊输出量的量值从内部论域转化为相应的实际论域,从模糊推理结

9、果中产生精确的输出控制量。通过查询将当前时刻模糊控制器的输入量(偏差及偏差的变化量所对应的控制输出值作为模糊控制器的最终输出,从而达到快速、实时控制。4模糊控制器的软件设计首先在STEP7软件中对系统进行硬件组态,然后对PLC 进行用户程序的编写。锅炉温度模糊控制程序流程图如图2所示。糊控制器采用二维结构,即通过温度传感器采样到被控变量锅炉水温的精确值,将此精确值与给定值比较后得到偏差信号e 以及偏差的变化率ec ,将其经过模数转换器转换成精确的数字量送至模糊控制器。所以通过在主程序OB1中调用中断组织块OB35来进行每隔20ms 的偏差信号e 及偏差的变化率ec 的采样。计算关系如下:其中,

10、T(k为测量值,SP 值为锅炉温度的设定值,20ms 为采样时间,可在硬件组态时设定。根据上述计算关系,建立数据块DB3,将测量值AI0、设定值SP 、偏差E_K,E_K_1,以及偏差变化率存放于DB3数据块中。在锅炉温度模糊控制系统中,温度传感器Pt100测量锅炉水温,经温度变送器将0100的温度信号转换为420mA 的电信号被模拟量输入输出模块SM334采集,其数据范围是553027648。首先通过编写功能FC201把553027648的数据转换成更符合控制习惯的0100的数据。然后,采用逐项比较法的方法,调用FC1对采样得到的温度偏差e 以及偏差的变化率ec 进行模糊化。在FC2中建立模

11、糊查询表,通过调用FC2进行模糊推理。解模糊过程,即将通过模糊控制表查询得到的输出量的模糊值U 转换为精确的数字量u 。查询模糊控制得到的模糊输出量U 为010的双整型数据,首先需要将其转换为实型数据,然后通过编写的数据转换功能FC3,将输出量转换成范围为553027648的数据,其经过数模转换器,转换为420mA 的电流信号送到执行机构调压器,调压器的输出控制电加热器的端电压,从而实现对电加热锅炉水温的控制。用户程序编写完成之后,将其通过MPI 电缆下载到PLC 中运行。监控界面的设计与实现在组态王软件中进行。通过设备连接、数据词典的编写以及画面的建立,运行组态王,即可进入该锅炉温度模糊控制

12、系统的监控环境。锅炉温度的设定值以及实时测量值在该监控界面中得以实时显示。该锅炉温度模糊控制系统某段时间内的实时曲线如图3所示。图中可以观测到温度测量值跟踪设定值变化的运行情况。 5结束语 模糊控制是以模糊集合论 、模糊语言变量及模糊推理为基础的计算机智能控制。本文的创新之处在于在研究模糊控制理论的基础上,以电加热锅炉为研究对象,详细介绍采用SIMAT-IC S7-300系列PLC 进行二维模糊控制器的设计及实现方法,(下转第213页技术创新图4程序流程图参考文献1(加拿大R.Mohan Mathur,(印度Rajiv K.Varma 著.马思尔,瓦马,徐政译.基于晶闸管的柔性交流输电控制装置

13、.机械工业出版社,20052苏奎峰,吕强,耿庆峰,陈圣俭.TMS320F2812原理与开发/DSP 应用丛书.电子工业出版社,20053陈奇.模糊控制TSC 无功补偿控制器设计.电力电子技术.2005,(44曾光,苏彦民,柯树敏,张静刚.用于无功静补系统的模糊-PID 控制方法.电工技术学报.2006,(65海涛,徐嫣,骆武宁,高翔,文志刚.基于模糊控制的电容器投切控制算法.广西大学学报(自然科学版.2005,(36许胜,黄锦安,李雪.一种基于DSP 的动态无功补偿装置.电力电子技术.2006,(27侯勇严,郭文强.一种模糊PID 控制器的设计方法研究.陕西科技大学学报.2005,(48司栋森

14、,李增智,午胜芬,贾运红.基于双DSP 的高压无功补偿装置设计与实现.微计算机信息,2006,7-2:176-179。作者简介:肖长河,男,1976-,湖南大学硕士研究生,研究方向为:电气工程及其自动化;向阳,男,湖南大学副教授,硕士生导师;何怡刚,男,1966-,湖南大学教授、博士生导师,主持完成了863、国家自然科学基金等26项课题的研究Biography:XIAO Chang-he (1976-,Man (Hanzu,Graduate student of Hunan University,Engineering area:Electric Power and Electron Tech

15、nology;He yigang(1966-,Prof.,Supervisor of Ph.D,Man (Hanzu,Work:Testing Technology of Circuits &Systems.(410082湖南大学电气与信息工程学院肖长河向阳何怡刚谢雁鹰齐绍忠(Electrical&InformationEngineering Institute ,HunanUniversity,410082,ChinaXIAO Chang -he XIANG Yang HE Yi-gang XIE Yan-ying Qi Shao-zhong通讯地址:(410082湖南大学1

16、4舍225寝室肖长河(收稿日期:2008.08.23(修稿日期:2008.10.05(上接第217页通过已编制好的控制程序直接实现电加热锅炉温度的智能控制,充分体现出PLC 编程方便、组态灵活、适应性好的特点。该模糊控制策略较常规PID 控制策略的明显优势在于,在锅炉温度的控制过程中,不再依赖于监控人员进行的精确的P 、I 、D 参数的实时调节,而是直接通过已编制好的控制程序直接实现控制,对于像电加热锅炉这样的具有大时滞、非线性、难以建立精确的数学模型的被控对象,模糊控制有较好的控制优势。参考文献1寇振中.模糊控制技术及其应用.北京:北京航空航天大学出版社,19952韩峻峰,李玉惠等.模糊控制

17、技术.重庆:重庆大学出版社,20033严盈富.基于PLC 和组态软件的包衣系统研究.微计算机信息,2006,11-1:67694张雪平,王志斌.基于模糊控制的PLC 在温度控制中的应用.电气传动,2005,35(8:5455作者简介:林屹,女,1977年生,硕士,讲师,主要从事计算机控制的教学与研究。张颖超,男,1960年生,教授,主要研究方向:工业控制与应用等。Biography:LIN Yi (1977-,Female,Master ,Lecturer,Main-ly for teaching and research on control with computer.(210044南京信

18、息工程大学信息与控制学院江苏南京林屹(College of Information and Control,Nanjing University of Information Science &Technology,Nanjing 210044,ChinaLIN Yi通讯地址:(210044南京信息工程大学信息与控制学院江苏南京林屹(收稿日期:2008.08.23(修稿日期:2008.09.05(上接第246页2郑启忠.2.4GHz 无线数字音频芯片nRF24Z1及其应用国电子网.2005.21IC 中作者简介:刘云飞(1983-,男,汉族,山东高密人,硕士研究生,主要从事电子与通信技术方面的研究。熊建设(1966-,男,汉族,硕士生导师,副教授,主要从事视频会议系统与多媒体通信方面的研究。高翔(1972-,男,汉族,山东烟台人,硕士研究生,研究方向为计算机网络与通信。王曦(1980-,男,汉族,山东青岛人,硕士研究生,研究方向为计算机网络与多媒体通信。Biography:LIU Yun -fei (1983-,male,the Han nationality,Gaomi of Shando