基于PLC的炉温多级模糊控制的优化与实现

1、    基于PLC的炉温多级模糊控制的优化与实现    基于PLC的炉温多级模糊控制的优化与实现    类别：传感与控制      作者：长沙中南大学主校区信息科学与工程学院（41083）成晓明    柳爱美 田淑杭    来源：电子技术应用        &

2、#160;                                               摘要：介绍了多级模糊控制原

3、理，并针对其特点引入偏移量函数进行了算法优化，详述了该优化算法在PLC炉温控制系统中的实现并对优化效果进行了比较。该优化算法在实际应用中取得了很好的控制效果。             关键词：PLC    模糊控制 优化         随着现代化生产对温度控制品质要求的日益提高，一些控制精度差且难以管理的老式电阻炉必须用新技术进行改造，其中控制算法研究处于

4、至关重要的地位。本文主要介绍基于    PLC的新的控制策略原理与实现，系统控制算法采用变化例因子与量化因子的多级模糊控制，并根据经验引入偏移量函数。该方法在PLC多段电阻炉系统中反复运行证明炉温上升快，控制温度高，达到了很好的控制效果。     1 控制系统结构与通断率控制    本控制系统硬件组成为三个部分：西门子S7-200CPU224PLC与扩展模块EM235构成控制器，MOC3061与双向晶闸管组成执行机构，热电偶与AD595构成温度检测变送器，另附加报警、跳闸、过

5、流等保护电路。系统器件的优点是集成度高、可靠性高、结构简单。    本系统采用过零触发的调功方法，通过改变系统在一个周期内的导通时间比（即通断率）实现温度控制1。在电阻炉炉温控制系统中，炉子的功率与通断率之间的关系见下式：     式中，P电阻炉功率    Ue输入电阻有效值    R炉丝电阻值    n(k)通断率，即控制周期内导通半波数    n(T)控

6、制周期内工频半波数    公式推导过程见参考文献2。由式（1）可知控制通断率即可控制电阻炉的功率，从而达到控制炉温的目的。本系统控制周期为10s，含有1000个工频电压半波（10ms），PLC把算法计算出的通断率n(k)平均分布在整个控制周期内，输出开关量信号控制MOC3061与双向晶闸管组成的执行机构。    2 模糊控制算法及优化    2. 1 模糊控制原理与查表方法    模糊控制是基于模糊条件语句描述的语言控制规则，根据模糊推

7、理和模糊判决，查询模糊控制表，解模糊，得到精确的控制量3。模糊控制一般利用偏差e和偏差变化率e量化组成二维模糊控制器，其结构原理图见图1虚线框内部分。其简单过程为：由给定r和反馈值y得到e和e，分别利用量化因子Ke和Kec量化为模糊量e和e，由模糊判决得到模糊控制量U，经比例因子Ku反量化后输出精确输出量U*。     表1 模糊控制规则表        e    U    e 

8、0;  -6    -5    -4    -3    -2    -1    0    +1    +2    +3    +4    +

9、5    +6        -6    7    6    7    6    7    7    7    4    

10、;4    2    0    0    0        -5    6    6    6    6    6    

11、;6    6    4    4    2    0    0    0        -4    7    6    

12、;7    6    7    7    7    4    4    2    0    0    0        

13、-3    6    6    6    6    6    6    6    3    2    0    -1   

14、0;-1    -1        -2    4    4    4    5    4    4    4    1   &#

15、160;0    0    -1    -1    -1        -1    4    4    4    5    4   

16、; 4    1    0    0    0    -3    -2    -1        0    4    4  

17、60; 4    5    1    1    0    -1    -1    -1    -4    -4    -4     

18、0;  +1    2    2    2    2    0    0    -1    -4    -4    -3    -4

19、0;   -4    -4        +2    1    1    1    -2    0    -3    -4    

20、-4    -4    -3    -4    -4    -4        +3    0    0    0    0   

21、 -3    -3    -6    -6    -6    -6    -6    -6    -6        +4    0 

22、60;  0    0    -2    -4    -4    -7    -7    -7    -6    -7    -6    -

23、7        +5    0    0    0    -2    -4    -4    -6    -6    -6   

24、 -6    -6    -6    -6        +6    0    0    0    -2    -4    -4  

25、;  -7    -7    -7    -6    -7    -6    -7     本算法中e和e论域为-6,+6的13级，U为-7,+7的15级，它们在控制表中的对应关系见表1。控制表由离线计算得到，为一个13×13的矩阵，由左到右按行序依次存入PLC连续的内存单元中。执行算法时

26、，根据e和e的值由式（2）得到模糊控制表的偏移地址：    Table=13(e+6)+(e+6)    (2)    式中，13（e+6）为所属行的内存偏移地址，（e+6）为U所属列在该行的偏移地址。    2.2 多级模糊控制    由于偏差e、偏差变化率e的论域只有13级，覆盖域有限，控制显得很粗糙，升温速率较慢，需长时间才能进入稳态，且稳态误差大，虽然增加论域中的元素可提高控制精度，但使计

27、算复杂，且控制效果没有明显增强。为了进一步提高控制质量，采用了多级模糊控制器，即参数因子自修正的模糊控制4。多级模糊控制器是将e和e的变动范围分为嵌套的多个层次，各层且有不民论域。当系统轨迹进入某一层时，控制器就采用所在层的范围作为新的论域，并修改参数Ke、Kec和Ku。在常规模糊控制时，量化因子Ke、Kec和比例因子Ku的过大或过小，会产生快速性和稳态精度及稳定时间之间的矛盾，很难协调三者关系。而实际中，系统应根据各阶段的要求不民达到不同的控制效果，在上升阶段重点要求快速性，而在稳态时又要求精度和调整时间高一些。本系统在偏差e的不同范围采用不同的参数Ke、Kec、Ku，具体可参看图2，而模糊

28、控制表都相同，由模糊算法计算实时控制量（通断率n(k)），输出控制电阻炉。这样在偏差e的不同范围采用不同参数的模糊控制，减小了稳态误差，提高系统的控制精度。                    2.3 多级模糊控制的优化    由于一般模糊控制器是以e和e作为输入量，即只具而比例微分作用，缺少积分控制，模糊控制器动态性能好；但稳态误差较大，消除时间长，采用

29、多级模糊控制仍然存在稳态误差。因此根据前馈控制原理引入了函数Ug。Ug是给定温度值r的函数，Ug与r的关系随系统变化而变化，Ug的取值对系统的稳态精度也而很大影响。为简单起见，取Ug=r/k（k为对象的放大倍数，实际应用可估计为稳态温度值与输出通断率的比值）。同时为保证Ug的跟随性，采用在线修改方法，依据下式进行：    Ug(k)=Ug*+Kg×U(k) (3)    式中，Kg为经验值，取为0.8，U（k）为多级模糊控制器中采样时刻KT的输出量，Ug*为偏移量函数。   

30、 优化后的多级模糊控制原理框图见图1。实际运用中需对Ug进行限幅，可取Ugmax=r/(K-0.3),Ugmin=r/(K+0.3)。本系统的精确输出量表达式如下：    U=Round(U*+Ug)=Round(Ku×U+Ug*+Kg×U) （4）    式中，Round( )为PLC指令中的取整操作。    实践证明，优化后的多级模糊控制大大改善了系统的稳态性能与稳态精度。    3 优化的多级模糊控制

31、算法在PLC上的实现    本系统算法分别实现了对两台多段电阻炉和两台单相电阻炉的控制，现以控制两台相同单相电阻炉为例进行说明。系统控制周期为10s，由10ms定时中断进行通断率计数，每当控制周期结束时发送数据，计算下一周期通断率。由于PLC定时中断最大为255ms，因此10s中断由50次200ms定时中断完成。控制程序包括主程序、初始化子程序、10ms中断子程序、200ms中断子程序、报警跳闸子程序。模糊算法由200ms中断子程序完成。          

32、;          在200ms中断程序中设置计数单元c，初始值为50,每次中断后c减1。c=0时，计时已到10s，则进行数据处理。设置相应参数、模糊化偏差e和偏差变化率e，由式（2）计算偏移量地址，查表得模糊控制量U*，同时由式（3）计算Ug，根据式（4）求得精确控制量U，即通断率n(k)存入相应的10ms中断计数单元。200ms定时中断子程序的实现流程图见图2。    4    多级模糊算法优化前后对控制效果的

33、影响    为验证优化的多级模糊控制器的控制效果，我们做了下列比较实验。电阻炉给定温度为1#炉300、2#炉200，当偏差e(k)>-200时开始模糊控制。以下全部为在线实时结果。    4.1 单级模糊控制    单级模糊控制参数为：当e(k)<-200时，n(k)=1000；当e(k)>-200时，Ke=30，Kec=2.0,Ku=120。温度曲线见图3，该曲线为Dephi监控界面根据PLC发送的数据实时绘制。由图3可见，系统升温速率慢，过渡过程长，稳态性较好，升温70分钟后可到给定值。但而超调且消除时间长，稳态误差较在。    4.2 多级模糊控制    系统采用三极模糊控制，具体参数为：    当e(k)<-200时，n(k)=1000;    当