基于PLC加热炉温度模糊控制系统的研究_宋乐鹏

中 文 核 心 期 刊《 微 计 算 机 信 息 》（ 测 控 自 动 化 ）２００８ 年 第 ２４ 卷 第 ８－１ 期 表 １ 模糊控制查询表
图 ２ 模糊控制原理框图
图 ３ 隶属函数
技
４ 模糊控制算法
术
本加热炉控制系统的主要目的是控制加热炉的温度恒定，加
热 炉 的 温 度 与 煤 气，空 气 的 供 给 量，工 件 温 度，环 境 温 度 等 因 素 有
２ ＰＬＣ 的温度控制系统
图 １ 是 ＰＬＣ 加 热 炉 温 度 模 糊 控 制 系 统 ， 本 系 统 采 用 ＦＸ２ＮＰＬＣ，配 ＦＸ－ ４ＡＤ、ＦＸ－ ２ＤＡ 两块模拟量输入、输出功能模块。 该 ＰＬＣ 扫描速度快，抗干扰能力强，利用输入点将按等级划分的偏 差转化为开关量信号引入 ＰＬＣ， 然后根 据偏 差 的 大小 决 定 输出 值的大小。在炉温上升到给定值的 ９０％以前，采取全开度控制，节 省升温时间，待炉温上升到给定值的 ９０％时，采用模糊控制，提高 控 制 精 度，当 炉 温 上 升 到 给 定 值 的 １０５％时，采 取 失 度 控 制，使 炉
控制是一种理想的加热炉控制器。
关键词： 模糊控制； ＰＬＣ； 加热炉； 温度控制
中图分类号： ＴＰ２７３
文献标识码： Ｂ
Ａｂｓｔｒ ａｃｔ： Ｃｏｍｂｉｎｅ ａ ｈｅａｖｙ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｏｆ ｔｈｅ ｃｈｏｎｇｑｉｎｇ ｓｑｕｅｅｚｅ ｓｔｅｅｌ ｆａｃｔｏｒｙ ｈｅａｔｅｒ－ ｆｕｒｎａｃｅ ｓｙｓｔｅｍ， ｗｉｔｈ ｉｍｐｒｏｖｅｍｅｎ ｔｈｅ
４，＋５，＋６｝。各模糊子集的隶属函数取三角型函数，如图 ３ 所示。
由 于 在 不 同 的 温 度 下，系 统 要 求 的 工 作 状 态 是 不 同 的，对 误
差及误差变化率的加权值应有所不同，当系统误差较大时，控制
器 的 主 要 任 务 是 快 速 的 消 除 误 差，因 此，应 取 较 大 的 α值，即 加
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控制系统
基于 ＰＬＣ 加热炉温度模糊控制系统ｒａ ｔｅ ｇ ｉｅ ｓ ｆｏ ｒ ｔｅ ｍ ｐ ｅ ｒａ ｔｕ ｒｅ ｏ ｆ ｈ ｅ ａ ｔｅ ｒ－ ｆｕ ｒｎ ａ ｃｅ ｂ ａ ｓ ｅ ｄ ｏ ｎ ＰＬＣ ｓ ｙｓ ｔｅ ｍ
（重庆科技学院） 宋 乐 鹏
Ｓ ＯＮＧ Ｌｅ－ｐｅｎｇ
摘 要： 结 合 重 钢 轧 钢 厂 加 热 炉 温 度 控 制 系 统 ， 以 改 善 加 热 炉 控 制 效 果 ， 该 系 统 采 用 了 一 种 基 于 模 糊 控 制 的 ＰＬＣ 温 度 控 制 系
统 。 该 系 统 充 分 应 用 模 糊 控 制 器 的 智 能 特 点 ， 以 及 ＰＬＣ 的 编 程 维 护 方 便 ， 抗 干 扰 能 力 强 的 优 点 ， 提 高 了 加 热 炉 温 度 控 制 系 统 的 精 度 和 稳 定 性 和 传 统 ＰＩＤ 调 节 器 相 比 ， 模 糊 控 制 的 应 用 大 大 节 约 了 煤 气 供 应 量 ， 从 而 产 生 了 较 高 的 经 济 效 益 ， 因 此 该 模 糊
ａｎｄ ｐｒｏｄｕｃｅｄ ａ ｈｉｇｈｅｒ ｅｃｏｎｏｍｉｃ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ．Ｔｈｅｒｅｆｏｒｅ ｔｈｅ ｆｕｚｚｙ ｃｏｎｔｒｏｌ ｉｓ ａ ｋｉｎｄ ｏｆ ｉｄｅａｌ ｈｅａｔｅｒ－ ｆｕｒｎａｃｅ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ． Ｋｅｙ ｗｏｒ ｄｓ： Ｆｕｚｚｙ ｃｏｎｔｒ ｏｌ； ＰＬＣ； ｈｅａｔｅｒ － ｆｕｒ ｎａｃｅ； ｔｅｍｐｅｒ ａｔｕｒ ｅ ｃｏｎｔｒ ｏｌ
ｎｉｅｎｔ， ｔｈｅ ａｎｔｉ－ ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ ａｂｉｌｉｔｙ ｓｔｒｏｎｇ ａｄｖａｎｔａｇｅ， ａｃｃｕｒａｃｙ ａｎｄ ｓｔａｂｉｌｉｔｙ ａｎｄ ｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌ ＰＩＤ ｍｏｄｕｌａｔｏｒ ｗｈｉｃｈ ｒａｉｓｅｄ ｔｈｅ ｈｅａｔｅｒ－ ｆｕｒ－
术 ｎａｃｅ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ａ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ ｃｏｍｐａｒｅ ａｎｄ ｔｈｅ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ｆｕｚｚｙ ｃｏｎｔｒｏｌ ｃｏｎｓｕｍｅｄｌｙ ｅｃｏｎｏｍｉｚｅｄ ａ ｃｏａｌ ｇａｓ ｓｕｐｐｌｙ ｑｕａｎｔｉｔｙ
宋乐鹏： 讲师 研究生 基金项目：重庆市教委科学技术研究基金（ＫＪ ０７１４１１）； 重 庆 市 高 等 教 育 教 学 改 革 基 金 （０６３３１１４）
图 １ ＰＬＣ 温 度 控 制 系 统
《 Ｐ ＬＣ 技术应用 ２００ 例》
邮局订阅号： ８２－９４６ ３６０ 元 ／ 年 － ６７ －
控制系统
阀 门 开 度 增 量△Ｕ，再 按 最 大 隶 属 度 原 则 解 模 糊，选 择 隶 属 度 最
大 的 元 素 为 精 确 控 制 信 号，乘 以 比 例 因 子 Ｋｕ，既 为 实 际 煤 气 量
阀 门 开 度 控 制 信 号，所 以 阀 门 开 度 控 制 信 号 Ｕ（ｋ）＝Ｕ（ｋ－ １）＋△Ｕ，
－ ６８ － ３６０元 ／ 年 邮局订阅号： ８２－９４６
《 现场总线技术应用 ２００ 例》
数采与监测
中 文 核 心 期 刊《 微 计 算 机 信 息 》（ 测 控 自 动 化 ）２００８ 年 第 ２４ 卷 第 ８－１ 期
ＣＭＤ［３］ ＝ （（ａｄｄｒ ＆ ０ｘ００００ＦＦ００） ＞＞ ８）； ＳＤ＿Ｒｅａｄ＿Ｂｌｏｃｋ （ＣＭＤ，Ｂｕｆｆｅｒ，５１２）； ｝ 与读块函数类似， 写块函数原型为： ＳＤ＿Ｗｒｉｔｅ＿Ｂｌｏｃｋ （ｕｎｓｉｇｎｅｄ ｃｈａｒ ＊ＣＭＤ， ｕｎｓｉｇｎｅｄ ｃｈａｒ ＊Ｂｕｆｆｅｒ， ｕｎｓｉｇｎｅｄ ｉｎｔ Ｂｙｔｅｓ） 写块步骤如下： 发写块命令， 当单片机查询到返回值为 ０ 时 ， 写块 起 始 字节 ０ｘＦＥ， 接 下 来写 一 共 Ｂｙｔｅｓ 个 字 节 的 数 据 ， 最 后再写入两个 ＣＲＣ 字节。写 ＳＤ 卡的一个扇区： ＳＤ＿Ｗｒｉｔｅ＿Ｓｅｃｔｏｒ （ｕｎｓｉｇｎｅｄ ｌｏｎｇ ａｄｄｒ， ｕｎｓｉｇｎｅｄ ｃｈａｒ ＊Ｂｕｆｆｅｒ） ｛ Ｕｎｓｉｇｎｅｄ ｃｈａｒ ＣＭＤ［］＝｛０ｘ５８，０ｘ００，０ｘ００， ０ｘ００，０ｘ００，０ｘＦＦ｝； ／／ＣＭＤ２４ 写单个块 ａｄｄｒ＜＜＝９； ／／ａｄｄｒ＝ａｄｄｒ＊５１２ 将 逻 辑 块 地 址 转 换 为 ３２ 位 物 理地址
经 ＦＸ－ ２ＤＡ 转 换 为 模 拟 量 控 制 煤 气 阀 门 的 开 度，从 而 达 到 控 制
加热炉温度的目的。
图 ４ ＰＬＣ 控制器软件的实现流程
５ 软件设计
ＰＬＣ 软件设计的功能包括， 设 置 加热 炉 温 度控 制 系 统的 给 定值（ｓｐ）、报警、数据采集、模糊控制的数据处理。ＰＬＣ 控制器软 件的实现流程图如图 ４ 所示。其中 Ｕｆ 为加热炉温度的实测值。
新
３ 模糊控制原理
模糊控制的基本原理如图 ２ 所示 ＰＬＣ 通过采样获取被控量的精 确值， 然 后 将此 量 与 给定 值 比较得到误差信号 ｅ， 把误差信号的精确 量 模糊 化 变 成模 糊 量， 得到误差 ｅ 的模糊语言集合的一个子集 Ｅ。再由 ｅ 模糊控制规 则 Ｒ（模 糊 关 系），根 据 推 理 合 成 规 则 进 行 决 策，得 到 模 糊 控 制 量 为 ｕ＝ＥｏＲ（式中 ｕ 为模糊量）。为了对被控对象施加精确的 控 制， 还需将模糊量 ｕ 转 化 为精 确 的 数字 量，经 Ｄ／Ａ 转换，送 给 执行 机 构，从而对被控对象实施控制。
－ ＜α２Ｅ＋（１－ α２）ＥＣ＞，Ｅ＝±２， ±３
其中 α１ ， α２ 为 ０ 到 １ 之间的实数且 α１＜α２。 一般情况下，选取 α１≤０．５ 和 α２≥０．５。本控制系统中取 α１＝ ０．４ 和 α２＝０．６ 建立模糊控制查询表如表 １： 在实 际 应用 中， 如 已知 Ｅ 和 ＥＣ 则 可 通 过 表 一 求 得 煤 气 量
温快速下降。设定温度 １０５０ｏＣ，加热偏电势（０￣４５．１０８ｍｖ）送给放 大电路放大，放大电路输出信号与基准电压 ２．５Ｖ 比较，转换为高 低 电 平 信 号 送 给 ＰＬＣ，ＰＬＣ 得 到 的 信 号 来 执 行 模 糊 算 法 的 控 制 程序，然后输出信号经放大，通过炉气开关阀开度控制炉温。
根据实际控制要求，本模糊控制器温度值与给定值的偏差 Ｅ
的语言变量值取（负大，负 中，负小，零，正 小，正 中，正 大 ），偏 差 的 变
化率 ＥＣ 及阀门开度增量△Ｕ 的语言 变 量 值取（负 大，负中，负 小，
零，正小，正中，正大），量化等级都取｛－ ６，－ ５，－ ４，－ ３，－ ２，－ １，０，＋１，＋２，＋３，＋
技 ｈｅａｔｅｒ－ ｆｕｒｎａｃｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｅｆｆｅｃｔ， ｔｈａｔ ｓｙｓｔｅｍ ａｄｏｐｔｅｄ ｏｎｅ ｋｉｎｄ ｔｏ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ ａｃｃｏｒｄｉｎｇ ｔｏ ｔｈｅ ＰＬＣ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｏｆ ｔｈｅ ｆｕｚｚｙ ｃｏｎｔｒｏｌ．
Ｔｈｅ ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｃｅ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ｔｈａｔ ｓｙｓｔｅｍ ｗｅｌｌ ａｐｐｌｉｅｄ ｆｕｚｚｙ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ．ｔｈｅ ＰＬＣ ｗｒｉｔｅｉｎｇ ｐｒｏｃｅｄｕｒｅ ａｎｄ ｍａｉｎｔｅｎａｎｃｅ ｂｅ ｃｏｎｖｅ－
创 关，温度控制系统具有强时滞、非线性的特点。因此采用常规 ＰＩＤ
控制无法达到满意的控制效果。为了解决这一难点，本系统采用
新 了模糊控制算法。模糊控制算法结合了专家知识经验与现场熟
练工人的经验，模仿人的大脑进行决策，不需要被控对象的精确
数 学 模 型，对 强 时 滞 、非 线 性 的 被 控 对 象 具 有 很 好 的 控 制 效 果 。
创
１ 引言
加热炉温度控制系统广泛应用于冶金、化工等工业生产 过 程 中，加 热 炉 的 温 度 是 生 产 工 艺 的 一 项 重 要 指 标，温 度 控 制 是否精确直接影响产品的质量。根据产品不同的应用目的，将 材料及其制品加热到相应的温度并保温， 是生产工艺经常要 认真对待的问题。