基于PLC的模糊控制器设计及Simulink仿真

张佳

（中国航发湖南动力机械研究所，湖南株洲，412002）

0 引言

电阻炉是工业上很常见的工业设备，电阻炉主要由电阻材料和保温材料组成，电阻材料作为发热元件使电能转换为热能，当电流流过电阻材料时，电能转换成热能，产生热量，再通过热的传导、对流、辐射，能有效地用来加热特定的试验件，并保持高的效率，此种加热方式称为辐射加温。

辐射加热具有热转换率高、加热温度高等优点，因此是试验车台上使用最广泛的一种加热方式。温度是试验任务中一项很重要的监控指标，很多试验任务要求在特定的温度下才能进行，实际温度值和控制的精度、准确度决定了试验能否进行下去，因此研究温度控制工作原理，寻找合适的控制算法具有重要意义。

辐射加温控制系统是典型的一阶纯滞后环节，可用一阶惯性环节加滞后环节表示，具有升温单向性、大惯性、纯滞后、非线性和时变性等特点，用传统控制方式易导致超调大、调节时间长、控制精度低。其升温、保温是依靠电阻丝加热，当其温度一旦超调就无法用控制手段使其降温。理论和经验表明，传统的PID控制对温度控制系统无法达到理想效果[1-2]。

模糊控制是目前十分成熟的一种智能控制方法，其采用模糊逻辑把人的控制经验归纳为定性描述的一组条件语言，利用模糊集理论，将其定量化，使控制器模仿人的操作策略，模糊控制具有很强的鲁棒性和稳定性，大量的理论研究和实践也充分证明了用模糊控制理论控制电阻炉温度是一种非常好的方法策略[3]。

PLC具有通用性好、性能可靠、编程灵活、扩展方便等优点，在工业控制中广泛使用，PLC指令越来越强大，能够实现许多复杂的控制算法，利用PLC实现模糊控制，结合二者的长处，在工业控制中大有前景。基于上述，本文提出在PLC平台上将模糊控制方法和常规PID控制结合的控制策略。

1 控制策略

当实际温度值和给定温度值偏差较大时，采用模糊控制策略，此时控制器工作在非线性区，辐射加温系统能以最大功率工作，减少加温时间；当实际温度值和给定温度值偏差较小时，采用常规PID控制器，控制器工作在线性区，减少稳态误差，提高系统稳定性及抗干扰能力。采用这样的复合式控制策略，既可以保证系统动态响应效果，又能改善稳态控制精度，系统控制框图如图1所示。其中S为转换开关，其设定值一般取最大误差的10%，本文取20，即给定值和实际值偏差在20℃以内采用PID控制，超过20℃采用模糊控制策略[4]。

图1 温度控制系统原理框图

模糊控制器能在线对PID参数进行修改，进一步完善了传统PID控制器的性能，更好的适应控制系统参数变化和工作条件，如图1所示，模糊控制器由模糊化，模糊推理和解模糊三个环节构成，将工程上的精确量转换为模糊输入信息，利用模糊规则进行模糊推理，经解模糊后转换为精确值，送到被控对象。本文模糊控制器以偏差e和偏差变化率ec作为输入量，u作为输出量，利用模糊理论对u进行修正，u=u′ +Δu其中u′是预先调定的量，Δu为解模糊后的值，u为模糊控制器的输出。

通常在语言变量的论域上将其划分有有限几档，本文将e、ec和u划分五档，为负大，负小，零，正小，正大，其模糊子集为 {PB,PS,ZR,NS,NB}，e和ec的论域{－30,30}，u的论域{0,5}。

输入偏差e、输入变化率ec和输出u的隶属度函数均采用三角形函数,如图2所示。

模糊控制规则的优劣直接关系到模糊控制性能的好坏，是模糊控制器设计中重要的部分。本文的模糊控制规则由专家经验生成，由25条规则组成，这些控制规则采用“IF A AND B THAN C”的形式建立。根据自整定模糊控制的设计思想可得u的模糊控制规则如表1所示[5]，本文采用面重心法清晰化。

图2 三角形函数隶属度示意图

表1 模糊控制规则表

2 控制策略实现

PID控制器是比例-积分-微分控制器的简称，比例控制器可以迅速响应误差，积分控制器可以消除系统的静差，微分控制器可以改善系统的动态响应速度，比例、积分、微分三者有效组合可以满足不同的控制要求，将比例、积分和微分控制器线性组合，便构造PID控制器，实现了对被控对象的控制，在PLC软件内部有专门的PID编程指令可供使用，因此本部分着重介绍在PLC中实现模糊控制的方法[6]。

在工程应用中，用PLC组成硬件部分，在MATLAB中离线计算模糊控制规则表，将模糊控制查询表中的元素和输入量e、ec分别量化至模糊语言变量的论域中，逐行写入PLC，查询模糊控制表，输出控制量化值，即在软件上用模糊算法取代原来数字控制器的控制算法，由此便组成一个PLC的模糊控制系统，此种方法灵活度高，但操作不方便，对编程人员要求高，工作量大[7-8]。

本文介绍西门子公司针对PLC开发的模糊控制系统设计平台FuzzyControl++，用户不需要专门的编程工具就能对模糊单元编程、建立知识库，方便用户。

FuzzyControl++采用FPL语言来描述模糊控制，并被封闭。用户只需在图形化界面中简单的定义两个输入与一个输出的隶属度函数和模糊控制规则表就可以得到输出，如图3所示。

该软件为方便使用，提供了功能块FB30，并定义了其背景数据块DB30，和模拟量输入处理模块FC30和模拟量输出处理模块FC31。

图3 模糊控制器实现

模块FC30完成模拟量输入数据的规格化，功能模块FB30进行模糊运算，模块FC31完成规格化数据到实际输出的转换，中间的输入、输出均以数据模块DB30为桥梁，DB30数据块的结构如图4所示。

图4 DB30数据块的结构

从DB30数据块可以看到，该软件支持8输入、4输出的模糊运算，其中间数据交换和计算结果位于该数据块字节地址DBB52-DBB2126之间。

经FC30规格化，在组织块OB1中调用FB30的程序如图5所示。

由数据块DB30的DB30.DBB32处获得经模糊运算后的输出控制量，可由功能块FC31规格化后经模拟量输出模块输出，作为固态继电器输入信号，实现对温度的加热。

图5 模糊控制算法调用程序

图6 辐射加温系统仿真框图

3 控制系统仿真

辐射加温系统，电加热炉功率为10kW，由220V交流电供电。由阶跃响应飞升曲线离线测得被控对象的传递函数为：

Matlab的Simulink工具箱是一个对动态系统进行建模、仿真和分析的软件包，为用户提供了用方框图进行建模的接口，使系统模型建立非常容易。

为验证所设计辐射加温系统控制器的性能，采用MATLAB/Simulink中的软件包和模糊逻辑工具箱FIS来模拟该控制系统的仿真环境，在Simulink中建立辐射加温控制系统的仿真框图，如图6所示。

图7 辐射加温系统响应曲线图

模拟实际工况，在10秒时给辐射加温系统设定200℃目标温度。由图7可知，辐射加温系统经过0.62秒的延迟后，模糊控制器启动工作，在17.5秒时，给定温度值和实际温度值偏差在20℃，此时切换开关动作，PID控制器启动工作，约在27秒系统达到稳定状态，整个控制过程无超调，响应速度快，证明控制策略选择合理、可行。

4 结论

辐射加温系统在试验车台上广泛应用，温度是试验监测的一项重要指标，其控制精度和准确度影响试验能否进行。辐射加温系统是典型的时滞、非线性系统，传统的PID控制器效果不明显。模糊控制具有响应速度快、抗干扰能力强和自适应能力强等特点，鉴于此，本文提出将模糊控制和PID控制相结合的控制策略，给定温度值和实际温度值偏差大于20℃时，采用模糊控制策略，偏差在20℃以内时，采用PID控制策略，由仿真可知，该控制策略合理、可行，并介绍了在PLC中模糊控制策略实现的方法。