摘 要:本文構(gòu)建了基于
PC-based自動化控制系統(tǒng)新型結(jié)構(gòu),針對帶夾套加熱爐溫度系統(tǒng)的慣性大、非線性、數(shù)學(xué)模型難以建立等特點,提出了模糊控制策略,給出了系統(tǒng)解決方案,實現(xiàn)了加熱爐溫度系統(tǒng)的有效控制。
關(guān)鍵詞:PC-based自動化; 模糊控制; 溫度控制系統(tǒng)
1 引言
帶夾套的加熱爐在工業(yè)現(xiàn)場和高校的過程控制實驗室廣泛應(yīng)用,但普遍存在著慣性大、非線性、參數(shù)時變、數(shù)學(xué)模型難以建立等特點,采用傳統(tǒng)的PID控制難以滿足現(xiàn)場的要求。本設(shè)計針對加熱爐溫度控制的特點與難點,構(gòu)建了PC-based的溫度控制系統(tǒng)新型結(jié)構(gòu),提出了模糊智能控制策略,對帶夾套加熱爐的溫度實現(xiàn)了有效的控制。這種基于
PC-based自動化控制系統(tǒng)新型結(jié)構(gòu),特別適合于溫度、壓力、流量等過程控制系統(tǒng);適合于工業(yè)企業(yè)培訓(xùn)中心、高等院校實踐教學(xué)的工程技術(shù)人才培養(yǎng),具有一定的推廣與應(yīng)用價值。
2 基于PC-based溫度系統(tǒng)組成
基于PC-based的現(xiàn)場總線溫度控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。上位機(或工業(yè)PC)裝有INTELLUTION FIX32監(jiān)控軟件、BECKHOFF PC-based自動化工控軟件,完成系統(tǒng)的控制程序設(shè)計,實施模糊控制算法;系統(tǒng)工況監(jiān)視,參數(shù)設(shè)定,數(shù)據(jù)采集,趨勢顯示,打印報表等功能??刂破鞑捎肞C-based智能控制模塊,由帶Profibus通訊的總線耦合器,K1408開關(guān)量輸入模塊,K2424開關(guān)量輸出模塊,K3052模擬量輸入模塊,K4022模擬量輸出模塊,結(jié)尾模塊等組成,完成系統(tǒng)的啟動、停止、保護控制;并輸出控制量控制晶閘管調(diào)功器的導(dǎo)通角,來控制加熱器上電壓的高低;接收加熱爐溫度變送器的現(xiàn)場檢測信號,構(gòu)成溫度閉環(huán)控制系統(tǒng)?,F(xiàn)場被控對象由帶夾套加熱爐(有內(nèi)膽和外膽)、水系統(tǒng)、加熱器、pt100溫度檢測等組成。
基于PC-based的
現(xiàn)場總線溫度控制系統(tǒng)的優(yōu)點:(1)PC機(或工業(yè)PC)存儲空間大、可視化好、運行速度快和豐富的軟件資源,可采用VC++、VB、軟PLC等多種語言進行程序設(shè)計,易于實現(xiàn)復(fù)雜的控制算法、遠程診斷、上位監(jiān)控與控制系統(tǒng)功能;(2)開放的現(xiàn)場總線Profibus通訊方式,傳輸速率快;(3)系統(tǒng)的實時性好,執(zhí)行任務(wù)的時間短。
[align=center]

圖1 加熱爐溫度系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖[/align]
3 模糊控制器的設(shè)計
3.1 設(shè)計思想
加熱爐溫度控制系統(tǒng)方框圖如圖2所示,由模糊控制器、晶閘管調(diào)功器、加熱爐和溫度變送器等組成。溫度給定量R[sub]T[/sub]與溫度反饋量y[sub]T[/sub]比較后得到誤差信號e和誤差變化率信號ec。經(jīng)過將e和ec模糊化,建立模糊控制規(guī)則,模糊關(guān)系集與推理合成,模糊決策等過程,得到清晰化的模糊控制器輸出的控制量U[sub]K[/sub],來控制晶閘管調(diào)功器的導(dǎo)通角,從而控制加熱爐內(nèi)膽加熱器上的電壓,實時控制溫度被控量Y[sub]T[/sub]。
[align=center]

圖2 加熱爐溫度控制系統(tǒng)方框圖[/align]
3.2 模糊控制算法
模糊控制器選用雙輸入單輸出控制方式,以溫度誤差e和誤差變化率ec作為輸入變量,以U[sub]k[/sub]作為輸出變量。模糊子集為E=EC=U[sub]K[/sub]={NB,NM,NS,ZE,PS,PM,PB}=﹛負大,負中,負小,零,正小,正中,正大﹜,其論域為e=ec=u[sub]K[/sub] {-3,-2,-1,0,1,2,3},或?qū)懗蒭:[-X[sub]e[/sub],X[sub]e[/sub]], 變化率ec:[ -X[sub]ec[/sub],X[sub]ec[/sub]], u[sub]K[/sub]:[-Y[sub]u[/sub],Y[sub]u[/sub]]。隸屬度函數(shù)采用三角分布函數(shù),如圖3所示。
[align=center]

圖3 隸屬度函數(shù)[/align]
根據(jù)實際經(jīng)驗總結(jié)得到49條推理語言規(guī)則,采用if— then語句表達形式,得到控制變量U[sub]K[/sub]的模糊控制規(guī)則表,如表1所示。
?。?)if E is NB and EC is NB then U[sub]K[/sub] is PB;
?。?)if E is NB and EC is NM then U[sub]K[/sub] is PB;
┇
?。?9)if E is PB and EC is PB then U[sub]K[/sub] is NB。
[align=center]表1 模糊控制規(guī)則表

[/align]
根據(jù)模糊規(guī)則歸納出模糊關(guān)系,采用Mamdani的模糊推理與合成運算,得到對應(yīng)U[sub]K[/sub]論域元素的μ[sub]UK[/sub](E,EC)的隸屬度,采用加權(quán)平均法進行解模糊運算,得到清晰化的控制量U[sub]k[/sub] 。
3.3 控制程序設(shè)計
在PC-based工控軟件平臺上采用軟PLC的ST語言進行控制程序設(shè)計,包括主程序、模糊控制算法、中斷服務(wù)程序、操作與報警程序等。通過現(xiàn)場總線Profibus與總線耦合器進行信息交互,程序運行,算法實施等。模糊控制算法流程圖如圖4所示。
[align=center]

圖4 模糊控制算法流程圖[/align]
4 實際控制效果
采用FIX32組態(tài)軟件進行了上位監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計,包括工藝組態(tài)、爐溫監(jiān)視、趨勢顯示、事件報警、記錄打印等五個功能模塊,直接反映加熱爐的工作狀態(tài)、變化趨勢及實時控制等狀況。當內(nèi)膽溫度給定值為50℃時,從監(jiān)控系統(tǒng)的歷史趨勢中直接看出,Y[sub]T[/sub]被控量的控制精度在±1.5℃以內(nèi),在不同的位置加擾動,系統(tǒng)克服擾動的能力較強,內(nèi)膽溫度輸出特性如圖5所示。
[align=center]

圖5 加不同擾動的加熱爐溫度輸出特性[/align]
5 結(jié)束語
系統(tǒng)的創(chuàng)新點是采用了基于PC-based的溫度控制系統(tǒng)新型結(jié)構(gòu)、模糊控制策略和現(xiàn)場總線Profibus通訊技術(shù);充分利用了PC機 速度快、可視化好、易于實現(xiàn)復(fù)雜的模糊控制算法的優(yōu)點,使系統(tǒng)的實時性與魯棒性好。通過軋鋼廠培訓(xùn)中心和高校過程控制實驗室的溫度控制應(yīng)用實踐,證明了該系統(tǒng)方案具有較好的控制效果。
參考文獻:
[1] 劉惠康,等. 通孔井式加熱爐模糊控制研究,微計算機信息,2006年7期,62—64頁。
[2] 何衍慶. 工業(yè)生產(chǎn)過程控制. 化學(xué)工業(yè)出版社. 2004年
[3] 高東杰. 應(yīng)用先進控制技術(shù). 國防工業(yè)出版社. 2003年
基于PC-based的溫度智能控制系統(tǒng)研究資料下載