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优化算法在PLC炉温控制系统中的实现
日期:2008-6-21 20:36:57 来源:本站整理  
点击: 作者:未知
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 随着现代化生产对温度控制品质要求的日益提高,一些控制精度差且难以管理的老式电阻炉必须用新技术进行改造,其中控制算法研究处于至关重要的地位。本文主要介绍基于 PLC的新的控制策略原理与实现,系统控制算法采用变化例因子与量化因子的多级模糊控制,并根据经验引入偏移量函数。该方法在PLC多段电阻炉系统中反复运行证明炉温上升快,控制温度高,达到了很好的控制效果。
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1、控制系统结构与通断率控制
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    本控制系统硬件组成为三个部分:西门子S7-200CPU224PLC与扩展模块EM235构成控制器,MOC3061与双向晶闸管组成执行机构,热电偶与AD595构成温度检测变送器,另附加报警、跳闸、过流等保护电路。系统器件的优点是集成度高、可靠性高、结构简单。
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    本系统采用过零触发的调功方法,通过改变系统在一个周期内的导通时间比(即通断率)实现温度控制[1]。在电阻炉炉温控制系统中,炉子的功率与通断率之间的关系见下式:
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    式中,P——电阻炉功率
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    Ue——输入电阻有效值
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    R——炉丝电阻值
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    n(k)——通断率,即控制周期内导通半波数
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    n(T)——控制周期内工频半波数
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    公式推导过程见参考文献[2]。由式(1)可知控制通断率即可控制电阻炉的功率,从而达到控制炉温的目的。本系统控制周期为10s,含有1000个工频电压半波(10ms),PLC把算法计算出的通断率n(k)平均分布在整个控制周期内,输出开关量信号控制MOC3061与双向晶闸管组成的执行机构。
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2、模糊控制算法及优化
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    2. 1 模糊控制原理与查表方法
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    模糊控制是基于模糊条件语句描述的语言控制规则,根据模糊推理和模糊判决,查询模糊控制表,解模糊,得到精确的控制量[3]。模糊控制一般利用偏差e和偏差变化率Δe量化组成二维模糊控制器,其结构原理图见图1虚线框内部分。其简单过程为:由给定r和反馈值y得到e和Δe,分别利用量化因子Ke和Kec量化为模糊量e和Δe,由模糊判决得到模糊控制量U,经比例因子Ku反量化后输出精确输出量U*。
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表1 模糊控制规则表
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    本算法中e和Δe论域为[-6,+6]的13级,U为[-7,+7]的15级,它们在控制表中的对应关系见表1。控制表由离线计算得到,为一个13×13的矩阵,由左到右按行序依次存入PLC连续的内存单元中。执行算法时,根据e和Δe的值由式(2)得到模糊控制表的偏移地址
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    Table=13(e+6)+(Δe+6)     (2)
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    式中,13(e+6)为所属行的内存偏移地址,(Δe+6Δ)为U所属列在该行的偏移地址。
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    2.2 多级模糊控制
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    由于偏差e、偏差变化率Δe的论域只有13级,覆盖域有限,控制显得很粗糙,升温速率较慢,需长时间才能进入稳态,且稳态误差大,虽然增加论域中的元素可提高控制精度,但使计算复杂,且控制效果没有明显增强。为了进一步提高控制质量,采用了多级模糊控制器,即参数因子自修正的模糊控制[4]。多级模糊控制器是将e和Δe的变动范围分为嵌套的多个层次,各层且有不民论域。当系统轨迹进入某一层时,控制器就采用所在层的范围作为新的论域,并修改参数Ke、Kec和Ku。在常规模糊控制时,量化因子Ke、Kec和比例因子Ku的过大或过小,会产生快速性和稳态精度及稳定时间之间的矛盾,很难协调三者关系。而实际中,系统应根据各阶段的要求不民达到不同的控制效果,在上升阶段重点要求快速性,而在稳态时又要求精度和调整时间高一些。本系统在偏差e的不同范围采用不同的参数Ke、Kec、Ku,具体可参看图2,而模糊控制表都相同,由模糊算法计算实时控制量(通断率n(k)),输出控制电阻炉。这样在偏差e的不同范围采用不同参数的模糊控制,减小了稳态误差,提高系统的控制精度。
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    2.3 多级模糊控制的优化
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    由于一般模糊控制器是以e和Δe作为输入量,即只具而比例微分作用,缺少积分控制,模糊控制器动态性能好;但稳态误差较大,消除时间长,采用多级模糊控制仍然存在稳态误差。因此根据前馈控制原理引入了函数Ug。Ug是给定温度值r的函数,Ug与r的关系随系统变化而变化,Ug的取值对系统的稳态精度也而很大影响。为简单起见,取Ug=r/k(k为对象的放大倍数,实际应用可估计为稳态温度值与输出通断率的比值)。同时为保证Ug的跟随性,采用在线修改方法,依据下式进行:
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    Ug(k)=Ug*+Kg×U(k) (3)
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    式中,Kg为经验值,取为0.8,U(k)为多级模糊控制器中采样时刻KT的输出量,Ug*为偏移量函数。
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    优化后的多级模糊控制原理框图见图1。实际运用中需对Ug进行限幅,可取Ugmax=r/(K-0.3),Ugmin=r/(K+0.3)。本系统的精确输出量表达式如下:
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    U=Round(U*+Ug)=Round(Ku×U+Ug*+Kg×U) (4)
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    式中,Round( )为PLC指令中的取整操作。
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    实践证明,优化后的多级模糊控制大大改善了系统的稳态性能与稳态精度。
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3、优化的多级模糊控制算法在PLC上的实现
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    本系统算法分别实现了对两台多段电阻炉和两台单相电阻炉的控制,现以控制两台相同单相电阻炉为例进行说明。系统控制周期为10s,由10ms定时中断进行通断率计数,每当控制周期结束时发送数据,计算下一周期通断率。由于PLC定时中断最大为255ms,因此10s中断由50次200ms定时中断完成。控制程序包括主程序、初始化子程序、10ms中断子程序、200ms中断子程序、报警跳闸子程序。模糊算法由200ms中断子程序完成。
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    在200ms中断程序中设置计数单元c,初始值为50,每次中断后c减1。c=0时,计时已到10s,则进行数据处理。设置相应参数、模糊化偏差e和偏差变化率Δe,由式(2)计算偏移量地址,查表得模糊控制量U*,同时由式(3)计算Ug,根据式(4)求得精确控制量U,即通断率n(k)存入相应的10ms中断计数单元。200ms定时中断子程序的实现流程图见图2。

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