摘 要：本文構(gòu)建了基于PC-based自動(dòng)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(diǎn)，提出了模糊控制策略，給出了系統(tǒng)解決方案，實(shí)現(xiàn)了加熱爐溫度系統(tǒng)的有效控制。 關(guān)鍵詞：PC-based自動(dòng)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(shí)驗(yàn)室廣泛應(yīng)用，但普遍存在著慣性大、非線性、參數(shù)時(shí)變、數(shù)學(xué)模型難以建立等特點(diǎn)，采用傳統(tǒng)的PID控制難以滿足現(xiàn)場的要求。本設(shè)計(jì)針對加熱爐溫度控制的特點(diǎn)與難點(diǎn)，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(shí)現(xiàn)了有效的控制。這種基于PC-based自動(dòng)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(shí)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(jià)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(jī)（或工業(yè)PC）裝有INTELLUTION FIX32監(jiān)控軟件、BECKHOFF PC-based自動(dòng)化工控軟件，完成系統(tǒng)的控制程序設(shè)計(jì)，實(shí)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(bào)表等功能。控制器采用PC-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(dòng)、停止、保護(hù)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(hào)，構(gòu)成溫度閉環(huán)控制系統(tǒng)。現(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(diǎn)：（1）PC機(jī)（或工業(yè)PC）存儲(chǔ)空間大、可視化好、運(yùn)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(jìn)行程序設(shè)計(jì)，易于實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的控制算法、遠(yuǎn)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(shí)時(shí)性好，執(zhí)行任務(wù)的時(shí)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(jì) 　　3.1 設(shè)計(jì)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(hào)e和誤差變化率信號(hào)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(shí)時(shí)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(fù)大，負(fù)中，負(fù)小，零，正小，正中，正大﹜，其論域?yàn)閑=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(shí)際經(jīng)驗(yàn)總結(jié)得到49條推理語言規(guī)則，采用if— then語句表達(dá)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。 　　（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(yùn)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(jìn)行解模糊運(yùn)算，得到清晰化的控制量U[sub]k[/sub] 。 　　3.3 控制程序設(shè)計(jì) 　　在PC-based工控軟件平臺(tái)上采用軟PLC的ST語言進(jìn)行控制程序設(shè)計(jì)，包括主程序、模糊控制算法、中斷服務(wù)程序、操作與報(bào)警程序等。通過現(xiàn)場總線Profibus與總線耦合器進(jìn)行信息交互，程序運(yùn)行，算法實(shí)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(shí)際控制效果 　　采用FIX32組態(tài)軟件進(jìn)行了上位監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，包括工藝組態(tài)、爐溫監(jiān)視、趨勢顯示、事件報(bào)警、記錄打印等五個(gè)功能模塊，直接反映加熱爐的工作狀態(tài)、變化趨勢及實(shí)時(shí)控制等狀況。當(dāng)內(nèi)膽溫度給定值為50℃時(shí)，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(dòng)，系統(tǒng)克服擾動(dòng)的能力較強(qiáng)，內(nèi)膽溫度輸出特性如圖5所示。 [align=center] 圖5 加不同擾動(dòng)的加熱爐溫度輸出特性[/align] 5 結(jié)束語 　　系統(tǒng)的創(chuàng)新點(diǎn)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(jī) 速度快、可視化好、易于實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的模糊控制算法的優(yōu)點(diǎn)，使系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性與魯棒性好。通過軋鋼廠培訓(xùn)中心和高校過程控制實(shí)驗(yàn)室的溫度控制應(yīng)用實(shí)踐，證明了該系統(tǒng)方案具有較好的控制效果。 參考文獻(xiàn)： 　　[1] 劉惠康,等. 通孔井式加熱爐模糊控制研究，微計(jì)算機(jī)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(jìn)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