摘? 要: 介紹了多級模糊控制" title="模糊控制">模糊控制原理,并針對其特點引入偏移量函數(shù)進行了算法優(yōu)化,詳述了該優(yōu)化算法在PLC爐溫控制系統(tǒng)" title="控制系統(tǒng)">控制系統(tǒng)中的實現(xiàn)并對優(yōu)化效果進行了比較。該優(yōu)化算法在實際應用中取得了很好的控制效果。

　　關鍵詞: PLC? 模糊控制? 優(yōu)化??

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　　隨著現(xiàn)代化生產對溫度控制品質要求的日益提高,一些控制精度差且難以管理的老式電阻爐必須用新技術進行改造,其中控制算法研究處于至關重要的地位。本文主要介紹基于PLC的新的控制策略原理與實現(xiàn),系統(tǒng)控制算法采用變比例因子" title="比例因子">比例因子與量化因子的多級模糊控制,并根據(jù)經驗引入偏移量函數(shù)。該方法在PLC多段電阻爐系統(tǒng)中反復運行證明爐溫上升快,控溫精度高,達到了很好的控制效果。

1 控制系統(tǒng)結構與通斷率控制

　　本控制系統(tǒng)硬件組成分為三個部分:西門子S7-200 CPU224PLC與擴展模塊EM235構成控制器,MOC3061與雙向晶閘管組成執(zhí)行機構,熱電偶與AD595構成溫度檢測變送器,另附加報警、跳閘、過流等保護電路。系統(tǒng)器件的優(yōu)點是集成度高、可靠性高、結構簡單。

　　本系統(tǒng)采用過零觸發(fā)的調功方法,通過改變系統(tǒng)在一個周期內的導通時間比(即通斷率)實現(xiàn)溫度控制?眼1?演。在電阻爐爐溫控制系統(tǒng)中,爐子的功率與通斷率之間的關系見下式:

　　式中,P——電阻爐功率

?　　U_e——輸入電壓有效值

?　　R——爐絲電阻值

?　　n(k)——通斷率,即控制周期內導通半波數(shù)

?　　n(T)——控制周期內工頻半波數(shù)

　　公式推導過程見參考文獻?眼2?演。由式(1)可知控制通斷率即可控制電阻爐的功率,從而達到控制爐溫的目的。本系統(tǒng)控制周期為10s,含有1000個工頻電壓半波(10ms),PLC把算法計算出的通斷率n(k)平均分布在整個控制周期內,輸出開關量信號控制MOC3061與雙向晶閘管組成的執(zhí)行機構。

2 模糊控制算法及優(yōu)化

2.1 模糊控制原理與查表方法

　　模糊控制是基于模糊條件語句描述的語言控制規(guī)則,根據(jù)模糊推理和模糊判決,查詢模糊控制表,解模糊,得到精確的控制量^[3]。模糊控制一般利用偏差e和偏差變化率Δe量化組成二維模糊控制器" title="模糊控制器">模糊控制器,其結構原理圖見圖1虛線框內部分。其簡單過程為:由給定r和反饋值y得到e和Δe,分別利用量化因子K_e和K_ec量化為模糊量和,由模糊判決得到模糊控制量,經比例因子Ku反量化后輸出精確輸出量U^*。

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　　本算法中和論域為[-6,+6]的13級,為[-7,+7]的15級,它們在控制表中的對應關系見表1?？刂票碛呻x線計算得到,為一個13×13的矩陣,由左到右按行序依次存入PLC連續(xù)的內存單元中。執(zhí)行算法時,根據(jù)和的值由式(2)得到模糊控制表的偏移地址:

???

??? 式中,13(+6)為所屬行在內存中的偏移地址,(+6)為所屬列在該行的偏移地址。

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2.2 多級模糊控制

　　由于偏差e、偏差變化率Δe的論域只有13級,覆蓋域有限,控制顯得很粗糙,升溫速度較慢,需長時間才能進入穩(wěn)態(tài),且穩(wěn)態(tài)誤差大,雖然增加論域中的元素可提高控制精度,但使計算復雜,且控制效果沒有明顯增強。為了進一步提高控制質量,采用了多級模糊控制器,即參數(shù)因子自修正的模糊控制^[4]。多級模糊控制器是將e和Δe的變動范圍分為嵌套的多個層次,各層具有不同論域。當系統(tǒng)軌跡進入某一層時,控制器就采用所在層的范圍作為新的論域,并修改參數(shù)Ke、Kec和Ku。在常規(guī)模糊控制時,量化因子Ke、Kec和比例因子Ku的過大或過小,會產生快速性和穩(wěn)態(tài)精度及穩(wěn)定時間之間的矛盾,很難協(xié)調三者關系。而實際中,系統(tǒng)應根據(jù)各階段的要求不同達到不同的控制效果,在上升階段重點要求快速性,而在穩(wěn)態(tài)時又要求精度和調整時間高一些。本系統(tǒng)在偏差e的不同范圍采用不同的參數(shù)Ke、Kec、Ku,具體可參看圖2,而模糊控制表都相同,由模糊算法計算實時控制量(通斷率n(k)),輸出控制電阻爐。這樣在偏差e的不同范圍采用不同參數(shù)的模糊控制,減小了穩(wěn)態(tài)誤差,提高系統(tǒng)的控制精度。

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2.3 多級模糊控制的優(yōu)化

　　由于一般模糊控制器是以e和Δe作為輸入量,即只具有比例微分作用,缺少積分控制,模糊控制器動態(tài)性能好;但穩(wěn)態(tài)誤差較大,消除時間長,采用多級模糊控制仍然存在穩(wěn)態(tài)誤差。因此根據(jù)前饋控制原理引入了函數(shù)U_g。U_g是給定溫度值r的函數(shù),U_g與r的關系隨系統(tǒng)變化而變化,U_g的取值對系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度也有很大影響。為簡單起見,取U_g=r/k(k為對象的放大倍數(shù),實際應用可估計為穩(wěn)態(tài)溫度值與輸出通斷率的比值)。同時為保證Ug的跟隨性,采用在線修改方法,依據(jù)下式進行:

???

式中,Kg為經驗值,取為0.8,(k)為多級模糊控制器中采樣時刻KT的輸出量,Ug^*為偏移量函數(shù)。

　　優(yōu)化后的多級模糊控制原理框圖見圖1。實際運用中需對Ug進行限幅,可取Ugmax=r/(K-0.3),Ugmin=r/(K+0.3)。本系統(tǒng)的精確輸出量表達式如下:

式中,Round()為PLC指令中的取整操作。

　　實踐證明,優(yōu)化后的多級模糊控制大大改善了系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能與穩(wěn)態(tài)精度。

3 優(yōu)化的多級模糊控制算法在PLC上的實現(xiàn)

　　本系統(tǒng)算法分別實現(xiàn)了對兩臺多段電阻爐和兩臺單相電阻爐的控制,現(xiàn)以控制兩臺相同單相電阻爐為例進行說明。系統(tǒng)控制周期為10s,由10ms定時中斷進行通斷率計數(shù),每當控制周期結束時發(fā)送數(shù)據(jù),計算下一周期通斷率。由于PLC定時中斷最大為255ms,因此10s中斷由50次200ms定時中斷完成。控制程序包括主程序、初始化子程序" title="子程序">子程序、10ms中斷子程序、200ms中斷子程序、報警跳閘子程序。模糊算法由200ms中斷子程序完成。

　　在200ms中斷程序中設置計數(shù)單元c,初始值為50,每次中斷后c減1。c=0時,計時已到10s,則進行數(shù)據(jù)處理。設置相應參數(shù)、模糊化偏差e和偏差變化率Δe,由式(2)計算偏移量地址,查表得模糊控制量U?觹,同時由式(3)計算Ug,根據(jù)式(4)求得精確控制量U,即通斷率n(k)存入相應的10ms中斷計數(shù)單元。200ms定時中斷子程序的實現(xiàn)流程圖見圖2。

4 多級模糊算法優(yōu)化前后對控制效果的影響

　　為驗證優(yōu)化的多級模糊控制器的控制效果,我們做了下列比較實驗。電阻爐給定溫度為1#爐300℃、2#爐200℃,當偏差e(k)>-200℃時開始模糊控制。以下全部為在線實時結果。

4.1 單級模糊控制

　　單級模糊控制參數(shù)為:當e(k)<-200℃時,n(k)=1000;當e(k)>-200℃時,Ke=30,Kec=2.0,Ku=120。溫度曲線見圖3,該曲線為Dephi監(jiān)控界面根據(jù)PLC發(fā)送的數(shù)據(jù)實時繪制。由圖3可見,系統(tǒng)升溫速度慢,過渡過程長,穩(wěn)態(tài)性較好,升溫70分鐘后可達到給定值。但有超調且消除時間長,穩(wěn)態(tài)誤差較大。

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4.2 多級模糊控制

　　系統(tǒng)采用三極模糊控制,具體參數(shù)為:

　　溫度曲線見圖4。

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　　可見系統(tǒng)升溫速度明顯加快,20分鐘即可進入穩(wěn)態(tài),穩(wěn)定性變好;1#爐沒有超調,2#爐有較小超調。但穩(wěn)態(tài)誤差仍然沒有消除。

4.3 優(yōu)化后的多級模糊控制

　　算法中加入Ug,Ug=r/3.2,Kg=0.8,控制器精確輸出控制量見式(4),其余所有參數(shù)同4.2節(jié)。溫度曲線見圖5。與圖4相比,升溫速度接近,穩(wěn)定性更好,且穩(wěn)態(tài)誤差很小,大小在2℃以內,達到了極好的控制效果,且給定值大時穩(wěn)態(tài)性能更好。2#爐(給定200℃)比1#爐(給定300℃)提前到達穩(wěn)態(tài),但第一次到達峰值時略有超調,且曲線的過渡過程比1#爐明顯,最后兩電阻爐基本穩(wěn)定在給定值。

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　　對以上曲線圖進行比較可見:多級模糊控制(控制曲線見圖4)的動態(tài)性能和穩(wěn)態(tài)性能比單級模糊控制(控制曲線見圖3)有很大增強,但仍存在較大穩(wěn)態(tài)誤差。雖然該誤差可通過改變穩(wěn)態(tài)參數(shù)減小,但參數(shù)選擇難度較大。而同樣參數(shù)下采用算法優(yōu)化后,穩(wěn)態(tài)誤差基本消除(控制曲線見圖5)。可見Ug的引入減小了參數(shù)選擇難度,雖然升溫速度略有下降,但不影響控制品質。

由上述比較實驗和在PLC多段電阻爐溫控系統(tǒng)中的實際運行,證明Ug的引入是成功的,極大改善了系統(tǒng)的動態(tài)性能和穩(wěn)態(tài)性能。同時該方法在給定值更大時效果也很好。

　　引入通斷率偏移量函數(shù)Ug的多級模糊控制算法克服了普通模糊控制器連續(xù)變量模糊化為有限的離散值所造成的精度低的問題。加入Ug對清除穩(wěn)態(tài)誤差與穩(wěn)態(tài)震顫現(xiàn)象的效果明顯;加上多級自修正量化因子和比例因子,可明顯提高系統(tǒng)快速性,且系數(shù)修改無復雜運算,便于在PLC上實現(xiàn)。本系統(tǒng)采用的PLC及高集成化元件結構簡單,抗干擾性好,控制算法滿足快速性與高精度控制的要求,調整方便,具有普遍應用意義和推廣前景。

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參考文獻

1 袁南兒.計算機新型控制策略及其應用.北京:清華大學出版社,1998

2 成曉明.PLC多段電阻爐爐溫控制系統(tǒng).有色金屬學報,1998增刊

3 何立民.單片機應用技術選編5.北京:北京航天航空大學出版社,1997