基于PLC的模糊控制器設(shè)計及Simulink仿真

張佳

（中國航發(fā)湖南動力機械研究所，湖南株洲，412002）

0 引言

電阻爐是工業(yè)上很常見的工業(yè)設(shè)備，電阻爐主要由電阻材料和保溫材料組成，電阻材料作為發(fā)熱元件使電能轉(zhuǎn)換為熱能，當(dāng)電流流過電阻材料時，電能轉(zhuǎn)換成熱能，產(chǎn)生熱量，再通過熱的傳導(dǎo)、對流、輻射，能有效地用來加熱特定的試驗件，并保持高的效率，此種加熱方式稱為輻射加溫。

輻射加熱具有熱轉(zhuǎn)換率高、加熱溫度高等優(yōu)點，因此是試驗車臺上使用最廣泛的一種加熱方式。溫度是試驗任務(wù)中一項很重要的監(jiān)控指標(biāo)，很多試驗任務(wù)要求在特定的溫度下才能進行，實際溫度值和控制的精度、準(zhǔn)確度決定了試驗?zāi)芊襁M行下去，因此研究溫度控制工作原理，尋找合適的控制算法具有重要意義。

輻射加溫控制系統(tǒng)是典型的一階純滯后環(huán)節(jié)，可用一階慣性環(huán)節(jié)加滯后環(huán)節(jié)表示，具有升溫單向性、大慣性、純滯后、非線性和時變性等特點，用傳統(tǒng)控制方式易導(dǎo)致超調(diào)大、調(diào)節(jié)時間長、控制精度低。其升溫、保溫是依靠電阻絲加熱，當(dāng)其溫度一旦超調(diào)就無法用控制手段使其降溫。理論和經(jīng)驗表明，傳統(tǒng)的PID控制對溫度控制系統(tǒng)無法達到理想效果[1-2]。

模糊控制是目前十分成熟的一種智能控制方法，其采用模糊邏輯把人的控制經(jīng)驗歸納為定性描述的一組條件語言，利用模糊集理論，將其定量化，使控制器模仿人的操作策略，模糊控制具有很強的魯棒性和穩(wěn)定性，大量的理論研究和實踐也充分證明了用模糊控制理論控制電阻爐溫度是一種非常好的方法策略[3]。

PLC具有通用性好、性能可靠、編程靈活、擴展方便等優(yōu)點，在工業(yè)控制中廣泛使用，PLC指令越來越強大，能夠?qū)崿F(xiàn)許多復(fù)雜的控制算法，利用PLC實現(xiàn)模糊控制，結(jié)合二者的長處，在工業(yè)控制中大有前景。基于上述，本文提出在PLC平臺上將模糊控制方法和常規(guī)PID控制結(jié)合的控制策略。

1 控制策略

當(dāng)實際溫度值和給定溫度值偏差較大時，采用模糊控制策略，此時控制器工作在非線性區(qū)，輻射加溫系統(tǒng)能以最大功率工作，減少加溫時間；當(dāng)實際溫度值和給定溫度值偏差較小時，采用常規(guī)PID控制器，控制器工作在線性區(qū)，減少穩(wěn)態(tài)誤差，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性及抗干擾能力。采用這樣的復(fù)合式控制策略，既可以保證系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)效果，又能改善穩(wěn)態(tài)控制精度，系統(tǒng)控制框圖如圖1所示。其中S為轉(zhuǎn)換開關(guān)，其設(shè)定值一般取最大誤差的10%，本文取20，即給定值和實際值偏差在20℃以內(nèi)采用PID控制，超過20℃采用模糊控制策略[4]。

圖1 溫度控制系統(tǒng)原理框圖

模糊控制器能在線對PID參數(shù)進行修改，進一步完善了傳統(tǒng)PID控制器的性能，更好的適應(yīng)控制系統(tǒng)參數(shù)變化和工作條件，如圖1所示，模糊控制器由模糊化，模糊推理和解模糊三個環(huán)節(jié)構(gòu)成，將工程上的精確量轉(zhuǎn)換為模糊輸入信息，利用模糊規(guī)則進行模糊推理，經(jīng)解模糊后轉(zhuǎn)換為精確值，送到被控對象。本文模糊控制器以偏差e和偏差變化率ec作為輸入量，u作為輸出量，利用模糊理論對u進行修正，u=u′ +Δu其中u′是預(yù)先調(diào)定的量，Δu為解模糊后的值，u為模糊控制器的輸出。

通常在語言變量的論域上將其劃分有有限幾檔，本文將e、ec和u劃分五檔，為負大，負小，零，正小，正大，其模糊子集為 {PB,PS,ZR,NS,NB}，e和ec的論域{－30,30}，u的論域{0,5}。

輸入偏差e、輸入變化率ec和輸出u的隸屬度函數(shù)均采用三角形函數(shù),如圖2所示。

模糊控制規(guī)則的優(yōu)劣直接關(guān)系到模糊控制性能的好壞，是模糊控制器設(shè)計中重要的部分。本文的模糊控制規(guī)則由專家經(jīng)驗生成，由25條規(guī)則組成，這些控制規(guī)則采用“IF A AND B THAN C”的形式建立。根據(jù)自整定模糊控制的設(shè)計思想可得u的模糊控制規(guī)則如表1所示[5]，本文采用面重心法清晰化。

圖2 三角形函數(shù)隸屬度示意圖

表1 模糊控制規(guī)則表

2 控制策略實現(xiàn)

PID控制器是比例-積分-微分控制器的簡稱，比例控制器可以迅速響應(yīng)誤差，積分控制器可以消除系統(tǒng)的靜差，微分控制器可以改善系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)速度，比例、積分、微分三者有效組合可以滿足不同的控制要求，將比例、積分和微分控制器線性組合，便構(gòu)造PID控制器，實現(xiàn)了對被控對象的控制，在PLC軟件內(nèi)部有專門的PID編程指令可供使用，因此本部分著重介紹在PLC中實現(xiàn)模糊控制的方法[6]。

在工程應(yīng)用中，用PLC組成硬件部分，在MATLAB中離線計算模糊控制規(guī)則表，將模糊控制查詢表中的元素和輸入量e、ec分別量化至模糊語言變量的論域中，逐行寫入PLC，查詢模糊控制表，輸出控制量化值，即在軟件上用模糊算法取代原來數(shù)字控制器的控制算法，由此便組成一個PLC的模糊控制系統(tǒng)，此種方法靈活度高，但操作不方便，對編程人員要求高，工作量大[7-8]。

本文介紹西門子公司針對PLC開發(fā)的模糊控制系統(tǒng)設(shè)計平臺FuzzyControl++，用戶不需要專門的編程工具就能對模糊單元編程、建立知識庫，方便用戶。

FuzzyControl++采用FPL語言來描述模糊控制，并被封閉。用戶只需在圖形化界面中簡單的定義兩個輸入與一個輸出的隸屬度函數(shù)和模糊控制規(guī)則表就可以得到輸出，如圖3所示。

該軟件為方便使用，提供了功能塊FB30，并定義了其背景數(shù)據(jù)塊DB30，和模擬量輸入處理模塊FC30和模擬量輸出處理模塊FC31。

圖3 模糊控制器實現(xiàn)

模塊FC30完成模擬量輸入數(shù)據(jù)的規(guī)格化，功能模塊FB30進行模糊運算，模塊FC31完成規(guī)格化數(shù)據(jù)到實際輸出的轉(zhuǎn)換，中間的輸入、輸出均以數(shù)據(jù)模塊DB30為橋梁，DB30數(shù)據(jù)塊的結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 DB30數(shù)據(jù)塊的結(jié)構(gòu)

從DB30數(shù)據(jù)塊可以看到，該軟件支持8輸入、4輸出的模糊運算，其中間數(shù)據(jù)交換和計算結(jié)果位于該數(shù)據(jù)塊字節(jié)地址DBB52-DBB2126之間。

經(jīng)FC30規(guī)格化，在組織塊OB1中調(diào)用FB30的程序如圖5所示。

由數(shù)據(jù)塊DB30的DB30.DBB32處獲得經(jīng)模糊運算后的輸出控制量，可由功能塊FC31規(guī)格化后經(jīng)模擬量輸出模塊輸出，作為固態(tài)繼電器輸入信號，實現(xiàn)對溫度的加熱。

圖5 模糊控制算法調(diào)用程序

圖6 輻射加溫系統(tǒng)仿真框圖

3 控制系統(tǒng)仿真

輻射加溫系統(tǒng)，電加熱爐功率為10kW，由220V交流電供電。由階躍響應(yīng)飛升曲線離線測得被控對象的傳遞函數(shù)為：

Matlab的Simulink工具箱是一個對動態(tài)系統(tǒng)進行建模、仿真和分析的軟件包，為用戶提供了用方框圖進行建模的接口，使系統(tǒng)模型建立非常容易。

為驗證所設(shè)計輻射加溫系統(tǒng)控制器的性能，采用MATLAB/Simulink中的軟件包和模糊邏輯工具箱FIS來模擬該控制系統(tǒng)的仿真環(huán)境，在Simulink中建立輻射加溫控制系統(tǒng)的仿真框圖，如圖6所示。

圖7 輻射加溫系統(tǒng)響應(yīng)曲線圖

模擬實際工況，在10秒時給輻射加溫系統(tǒng)設(shè)定200℃目標(biāo)溫度。由圖7可知，輻射加溫系統(tǒng)經(jīng)過0.62秒的延遲后，模糊控制器啟動工作，在17.5秒時，給定溫度值和實際溫度值偏差在20℃，此時切換開關(guān)動作，PID控制器啟動工作，約在27秒系統(tǒng)達到穩(wěn)定狀態(tài)，整個控制過程無超調(diào)，響應(yīng)速度快，證明控制策略選擇合理、可行。

4 結(jié)論

輻射加溫系統(tǒng)在試驗車臺上廣泛應(yīng)用，溫度是試驗監(jiān)測的一項重要指標(biāo)，其控制精度和準(zhǔn)確度影響試驗?zāi)芊襁M行。輻射加溫系統(tǒng)是典型的時滯、非線性系統(tǒng)，傳統(tǒng)的PID控制器效果不明顯。模糊控制具有響應(yīng)速度快、抗干擾能力強和自適應(yīng)能力強等特點，鑒于此，本文提出將模糊控制和PID控制相結(jié)合的控制策略，給定溫度值和實際溫度值偏差大于20℃時，采用模糊控制策略，偏差在20℃以內(nèi)時，采用PID控制策略，由仿真可知，該控制策略合理、可行，并介紹了在PLC中模糊控制策略實現(xiàn)的方法。