基于PLC的离心风机模糊控制系统设计与实现.pdf

务I 訇 化 基于P L C 的离心风机模糊控制系统设计与实现 Desi gn and r eal i z at i on of a f u z z y c on t r ol sy s t em f or cen t r i f ugal bl o w er bas ed on PL C 孙云辉 ，王钊。肖威，匡永江 S UN Y u n ． h u i ， WA NG Z h a o ， XI AO We i ， K U AN G Y o n g - j i a n g 北京机械工业自动化研究所 。北京 1 0 0 1 2 0 摘要本文根据离心风机的控制要求，运用离线设计，在线查表的方法设计了一个基于P L C 的模糊 控制系统，并介绍了系统的设计过程与P L C 实现的方法。实际应用情况表明该模糊控制系统 运行稳定，较好地实现了控制要求。 关键词P L C ；模糊控制；离心风机 ；M A T L A B ；c o n t r o l L o g i x 5 0 0 0 中国分类号T P 2 7 3 文献标识码B 文章编号 1 0 0 9 0 1 3 4 2 0 1 1 5 下 - o l 2 3 0 3 D o i 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． I s s n ． 1 0 0 9 0 1 3 4 ． 2 0 1 1 ． 5 下 ． 3 7 0 引言 污水处理厂污泥消化产生的沼气经脱硫处理后 储存在常压沼气柜中，需要经过变频器驱动的离心 式增压风机增压至某一恒定压力后供锅炉等设备使 用。因为锅炉等用气设备根据消化工艺的需要 自动 启停及调节燃气量，所以增压风机的流量及使用数 量需要不断变化才能保证出口压力恒定。由于离心 风机的出口压力与流量是非线性的关系，并且多台 风机并行运行时曲线关系又发生复杂的变化 ，所以 传统控制方式很难做到压力稳定 。 模糊控制是建立在人类思维模 糊性 的基 础之 上 的，其 优点在于 不需要建 立精 确 的数 学模型 ， 而是运用模糊理论、专家知识将人的经验、思维 和判断通过模糊控制器用语言控制 来实现 控制过 程 n 】 。模糊控制能 方便地解决工业领域 中常 见的 非线性、时变、大滞 后、强耦合 、变结构等 复杂 问题 [ 2 1 。P L C具有可靠性高 、编程 简 制 的 控 糊 系 1 用 入变量，因为他们已经能够比较严格地反映受控过 程 中输 入变 量的动态特性，可满足大部分工程需 要。为 了避免控制动作过于频繁，消除频繁动作引 起的震荡 ，可以给 系统增加一个死区算法，当 E位 于死区内时系统输出保持不变。控制器的输出采用 增量式 ，可以避免风机转速变化过快产生振动 。 整个模糊控制系统的设计与实现分为两步离 线设计与模拟部分运用模糊理论 ，根据人的经验和 知识将系统变量模糊化 ，进行模糊推理后去模糊化 形成查询表格，并通过仿真验证控制效果； P L C实现 部分将查询表格以数组的形式储存在 P L C中，并 以 一 定的频率计算 E与 E C，通过查询表格计算输出 U 作用于被控系统。整个系统的结构框图如图 1 所示。 2 模糊控制系统的离线设计 2 ． 1输入输出变量模糊化 为简化计算 ，设定输入 、输 出论域都量化为 5 偏差变化 率 E C作为输 图1 离心风机模糊控制结构框图 收稿日期2 0 1 0 -1 2 - 2 9 作者简介孙云辉 1 9 8 4一，男，山东青岛人，在读研究生，主要从事工业 自动化系统集成方面的应用与研究工作。 第3 3 卷第5 期2 0 1 1 -5 下 [ 1 2 3 ] 訇 化 档 ，即正大 P L 、正小 P S 、零 Z E 、负小 NS 、 负大 NL 五级语言变 量。根 据控制需要 及经验 ， 输入变量 E和 E C及输 出变量a U的论域取值同为 { -z ，-1 ，0 ，1 ，2 ，采用图 2所示的三角函数作 为隶属函数 ，将输入输出变量模糊化。 一2 1 0 1 2 图2 隶属函数 2 ．2选择模糊规则，生成模糊查询表 选择模糊控制规则为 I F E i s x A ND E C i s Y， T H E N a U i s Z，其中 X 、Y 、Z分别为输入输 出论 域 取值 中的元素 。由以上规 则，根据实 际经验确 定模糊控制查询表如表 1 所示。 表1 模糊控制查询表 E aU -- 2 1 0 1 2 一 2 2 2 1 O O -- 1 2 1 1 O 一1 EC 0 1 O O O 一1 1 1 0 1 --1 --2 2 0 0 --1 --2 2 2 ．3 仿真模糊控制器输入输出 MA T L AB 软 件 是 在 1 9 8 4 年 由 美 国 Ma t h Wo r k s 公司推 出的一套高效率的数值计算的可视化 软件 ，它提 供 了丰 富的数 值分析 、矩阵运算 、图 形绘制 、数据处理 、图像处理 等功能 ，并 且提供 了大量 的应用于不 同学科 的工具箱 】 。利用其提 供 的模糊控 制工具 箱 F u z z y可 以方便地查 看模糊 控制的输入输出曲线图形如图 3所示。 由曲线 图形可 以看到 ，模糊控制器可 以很好 1 0 1 2 E 图3 模糊控制器输入输出曲线图 [ 1 2 4 ] 第3 3 卷第5 期2 0 1 1 5 下 的抑制 E和 E C的变化 。 3 模糊控制的P L C实现 3 ． 1 P L C 查表功能的实现 把模糊查询表存储 在 P L C的一维数组 DU[ Z 5 ] 中，当 P L C计算 出 E与 E C后通过查表程 序找到 对应的数值 D U[ i ] 即为模糊控制器输 出a U 。P L C 采用 AB C o n t r o l L o g i x 5 0 0 0 ，使用结构化文本编程 ， 基本查询指令如下 I F E 一 2 AND EC ． 2 THEN U DU[ 0 ] ；／ ／ 当 E一 2并且 E C一 2情况下 模糊控制器输 出等于 DU[ 0 】 的值 ⋯⋯ ／ ／ 增加其他查询语句 END _I F ／ ／ 结束查询 3 ．2 P L C 在线控制程序 由图 1可知 ，P L C以一 定的周期计 算实 际的 误差 e k ，然后经过死区判断后乘以量化 因子 K e 并模糊化后得到模 糊控 制器输入参数 E k ，同样 采 用类 似 的 方法 得 到 E C k 。根据 E k 和 E C k 的值查表得到模糊控制器的输 出a u k 后 ，乘以 输 出量化因子并解模糊得到实际增量输 出△ U k 。 △ U k 即为本次控制变频器的频率增量 ，该数值 加上 当前变频器 的反馈值 即得到 变频 器的频率设 定值。整个程序流程如图 4所示 。 N l 将P 和e c k 量化得到目 和E C k 查表得到a u k 并乘以量因子得到△ a U k 加上频率反馈得到频率输出u I 兰 l 二 壅二 二 图4 P L C 控制流程 图 【 下转第1 4 8 页】 务l 甸 似 表2 数控刀具卡片 刀具 刀具规格 数量 加 工 刀尖半径 刀具 号 补偿号 名称 把 内容 m m 2 2 4 n 1 Ⅱ l 平底端刀 1 粗 铣 O 1 1 2 mm球 刀 1 精 铣 l 3 ． 2 C A X A 2 0 0 4 U 造工程师I 中自动编程生成加工 代码 1 生成粗加工 G代码 N1 OG9 0 G5 4 G0 0 Z1 00．00 0 N 1 2 S2 5 00 0 M 0 3 N1 4X0．00 0 Y0． 0 0 0Z】 00． 0 0 0 N46 7 4GoO Z1 0 0． 0 0 0 N46 76 X0． 0 00 Y0． 0 0 0 N4 6 7 8 M0 5 N46 8 OM 3 0 2 生成精加工 G代码 N1 O G9 0 G5 4GO OZ1 oo． o o o N 1 2 S3 00 0 M O 3 N l 4 X0． 0 0 0Y0．O0 0 Z1 0 0． 0 00 N1 6 X一 1 4 - 3 O 3 Y4 ． 3 8 4 N7 6 0G01 Z1 0． I O O F1 0 0 N7 6 2G0 0Zl 0 0． 0 0 0 N7 6 4 X0．0 0 0 Y0 ． 0 0 0 N7 6 6 M0 5 N7 6 8M 3 0 通过 对刀具选择原 则和刀具选择 时应考虑 的 影 响 因素的分 析 ，从而选 择 出正确 的加工 刀具。 这样 有利于 1 减少 了程 序的调试时 间，减 少了 机床工 时 占用，缩短 了生产周期 ； 2 通过数控 刀 具 的选择 ，不仅可 以缩短 生产周期，又可 以避 免 多次装夹和人 工换 刀所带 来的人为误差 ，提 高了 加工精度 ，提高 了加工的准确性和加工复 杂工件 的能 力； 3 编程结果直观 ，处理速度快 ，经仿 真 切 削和刀具干 涉检查 ，所编程 序一次成功 ，大幅 度减少了机床调整时间和试切时间。 4 结束语 随着数 控机床在生产实 际中的广泛应用 ，量 化 生产线的形 成，数控编程 已经成为数控 加工 中 的关键问题之一 。而加工 中心机 床刀具是一个较 为复杂的系统 ，要在人机交互状 态下 如何 根据实 际情况进行正确的选用 ，是编程人员必须掌握的。 只有对加工 中心刀具 结构 和选用有充分的了解和 认 识，才能在 实际工作 中灵 活运用 ，从 而保证零 件的加工质量和加工效率，充分 发挥数 控机床的 优点 ，提高企业的经济效益和生产水平 。 参考文献 [ 1 】杜红文． 加工中心刀具选择与应用[ J 】 ． 上海电机技术高 等专科学校校报， 2 0 0 4 ． 1 7 ． 【 2 】武文革， 辛志杰． 金属切削原理及刀具【 M】 ． 北京 国防工 业 出版社 ， 2 0 0 9 ． 【 3 】凡进军， 刘让贤， 郭紫贵． 数控加工中刀具的合理选择 【 J ] ． 现代制造技术与设备， 2 0 0 7 ， 4 5 4 ． [ 4 】陈明， 刘 刚， 钟敬文 ． C A XA制造 工程师一数控 加工[ M】 ． 北京 北京航 空航 天大学， 2 0 0 6 ． 【 5 】李超． 数控加工实例【 M】 ． 沈阳 辽宁科学技术出版社， 2 C l0 5 ． [ 6 】何 志昌． 浅谈数控 刀具 与切 削用量[ J 】 ． 大众科． j蠡‘ j蠡‘ ． 妇． 重 岛‘ {蠡● j矗‘ {赢‘ ． {国● { I {岛‘ 蠢‘ {矗‘ ． ．{国● {矗} ． 蠡I血． 蠡‘ {岛● 盘‘ 【 上接第1 2 4 页】 4 结束语 通 过模糊控制技 术与 P L C的无缝接合 ，利用 P L C实现 复杂系统 的模糊控制 ，即发扬 了 P L C控 制系统灵活 、可靠 、稳定 的特 点，又极大地 扩展 了 P L C的控制功能 ，提高 了系统的智能化程度。 利用 C o n t r o l L o g i x 5 0 0 0 P L C的 AD D O N指 令 功能 ，可以将该模糊控制程序封装成单独的指令 ， 方便编程使用。 [ 1 4 8 1 第3 3 卷第5 期2 0 1 1 5 下 参考文献 ⋯ I 刘晓霞， 等 ． 用可编程控制器P L C实现模糊控制 的方法研 究【 J ] ． 沈阳工业学院学报， 2 0 0 3 ， 4 ． 【 2 】齐蓉等． 通用模糊控制器在P L C上的实现【 J 】 ． 工业仪表 与 自动化装置 ， 2 0 0 3 ， 4 ． 【 3 】李祖欣． MA T L AB在模糊控制 系统设计和仿真的应用 【 J 】 ． 系统仿真学报， 2 0 0 3 ， 1 ．