基于PC-based的温度智能控制系统研究

摘 要：本文构建了基于PC-based自动化控制系统新型结构，针对带夹套加热炉温度系统的惯性大、非线性、数学模型难以建立等特点，提出了模糊控制策略，给出了系统解决方案，实现了加热炉温度系统的有效控制。关键词：PC-based自动化; 模糊控制; 温度控制系统1 引言　　带夹套的加热炉在工业现场和高校的过程控制实验室广泛应用，但普遍存在着惯性大、非线性、参数时变、数学模型难以建立等特点，采用传统的PID控制难以满足现场的要求。本设计针对加热炉温度控制的特点与难点，构建了PC-based的温度控制系统新型结构，提出了模糊智能控制策略，对带夹套加热炉的温度实现了有效的控制。这种基于PC-based自动化控制系统新型结构，特别适合于温度、压力、流量等过程控制系统;适合于工业企业培训中心、高等院校实践教学的工程技术人才培养，具有一定的推广与应用价值。2 基于PC-based温度系统组成　　基于PC-based的现场总线温度控制系统结构如图1所示。上位机（或工业PC）装有INTELLUTION FIX32监控软件、BECKHOFF PC-based自动化工控软件，完成系统的控制程序设计，实施模糊控制算法;系统工况监视，参数设定，数据采集，趋势显示，打印报表等功能。控制器采用PC-based智能控制模块，由带Profibus通讯的总线耦合器，K1408开关量输入模块，K2424开关量输出模块，K3052模拟量输入模块，K4022模拟量输出模块，结尾模块等组成，完成系统的启动、停止、保护控制;并输出控制量控制晶闸管调功器的导通角，来控制加热器上电压的高低;接收加热炉温度变送器的现场检测信号，构成温度闭环控制系统。现场被控对象由带夹套加热炉（有内胆和外胆）、水系统、加热器、pt100温度检测等组成。　　基于PC-based的现场总线温度控制系统的优点：（1）PC机（或工业PC）存储空间大、可视化好、运行速度快和丰富的软件资源，可采用VC++、VB、软PLC等多种语言进行程序设计，易于实现复杂的控制算法、远程诊断、上位监控与控制系统功能;（2）开放的现场总线Profibus通讯方式，传输速率快;（3）系统的实时性好，执行任务的时间短。[align=center]图1 加热炉温度系统结构图[/align]3 模糊控制器的设计　　3.1 设计思想　　加热炉温度控制系统方框图如图2所示，由模糊控制器、晶闸管调功器、加热炉和温度变送器等组成。温度给定量R[sub]T[/sub]与温度反馈量y[sub]T[/sub]比较后得到误差信号e和误差变化率信号ec。经过将e和ec模糊化，建立模糊控制规则，模糊关系集与推理合成，模糊决策等过程，得到清晰化的模糊控制器输出的控制量U[sub]K[/sub]，来控制晶闸管调功器的导通角，从而控制加热炉内胆加热器上的电压，实时控制温度被控量Y[sub]T[/sub]。[align=center]图2 加热炉温度控制系统方框图[/align]　　3.2 模糊控制算法　　模糊控制器选用双输入单输出控制方式，以温度误差e和误差变化率ec作为输入变量，以U[sub]k[/sub]作为输出变量。模糊子集为E=EC=U[sub]K[/sub]=｛NB，NM，NS，ZE，PS，PM，PB｝=﹛负大，负中，负小，零，正小，正中，正大﹜，其论域为e=ec=u[sub]K[/sub] ｛-3，-2，-1，0，1，2，3｝，或写成e：[-X[sub]e[/sub]，X[sub]e[/sub]], 变化率ec:[ -X[sub]ec[/sub]，X[sub]ec[/sub]]， u[sub]K[/sub]：[-Y[sub]u[/sub]，Y[sub]u[/sub]]。隶属度函数采用三角分布函数，如图3所示。[align=center]图3 隶属度函数[/align]　　根据实际经验总结得到49条推理语言规则，采用if— then语句表达形式，得到控制变量U[sub]K[/sub]的模糊控制规则表，如表1所示。　　（1）if E is NB and EC is NB then U[sub]K[/sub] is PB;　　（2）if E is NB and EC is NM then U[sub]K[/sub] is PB;　　┇　　（49）if E is PB and EC is PB then U[sub]K[/sub] is NB。[align=center]表1 模糊控制规则表[/align]　　根据模糊规则归纳出模糊关系，采用Mamdani的模糊推理与合成运算，得到对应U[sub]K[/sub]论域元素的μ[sub]UK[/sub]（E，EC）的隶属度，采用加权平均法进行解模糊运算，得到清晰化的控制量U[sub]k[/sub] 。　　3.3 控制程序设计　　在PC-based工控软件平台上采用软PLC的ST语言进行控制程序设计，包括主程序、模糊控制算法、中断服务程序、操作与报警程序等。通过现场总线Profibus与总线耦合器进行信息交互，程序运行，算法实施等。模糊控制算法流程图如图4所示。[align=center]　　图4 模糊控制算法流程图[/align]4 实际控制效果　　采用FIX32组态软件进行了上位监控系统的设计，包括工艺组态、炉温监视、趋势显示、事件报警、记录打印等五个功能模块，直接反映加热炉的工作状态、变化趋势及实时控制等状况。当内胆温度给定值为50℃时，从监控系统的历史趋势中直接看出，Y[sub]T[/sub]被控量的控制精度在±1.5℃以内，在不同的位置加扰动，系统克服扰动的能力较强，内胆温度输出特性如图5所示。[align=center]图5 加不同扰动的加热炉温度输出特性[/align]5 结束语　　系统的创新点是采用了基于PC-based的温度控制系统新型结构、模糊控制策略和现场总线Profibus通讯技术;充分利用了PC机 速度快、可视化好、易于实现复杂的模糊控制算法的优点，使系统的实时性与鲁棒性好。通过轧钢厂培训中心和高校过程控制实验室的温度控制应用实践，证明了该系统方案具有较好的控制效果。参考文献：　　[1] 刘惠康,等. 通孔井式加热炉模糊控制研究，微计算机信息，2006年7期，62—64页。　　[2] 何衍庆. 工业生产过程控制. 化学工业出版社. 2004年　　[3] 高东杰. 应用先进控制技术. 国防工业出版社. 2003年　　基于PC-based的温度智能控制系统研究资料下载