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一 种基于 P L C的模糊控制方法 A F u z z y Co n t r o l M e t h o d B a s e d o n P LC 崔巍 上海大学 自动化学院 张文修 西安理工大学自动化学院 摘要本文介绍了一种基于 P L C的模糊控制方式及其实现方法。实践表明， 该方法实现简单， 通 用性强， 具有较广阔的应用前景。 关键词模糊控翩P L C A h s t r A 矗 巧 c o n t r o l me t h o d a n di t sI n 啊n e r 曲h 0 n辩i n t n x lu e e d． T h ep a D 曙 s h o w， t h a t t h e l 0 di I e me l 3 ts s i m p l y ． h a s mu c h in t a l a r n o n u s e ． a n d h a s ma n “ u 3 e s i n t h e f u t u r e Ke y 缸 0 0 11 1 1 “0 ]P L C 1 引言 风机水泵在我 国各行备业 中应用十分广泛 根据有关资料统计， 风机水泵用电动机约占我国 电动机总容量的一半以上， 而且其耗电量占全国 总电耗的 1 ／ 3 弱。目前， 我国单位产值 的电能消 耗较大， 这在相当程度上与风机水泵的电气传动 方式落后有关 。在不少 电气控制 系统 中， 通常采 用水泵、 风机的自 动开断控制， 甚至是人工手动操 作， 导致在运行中出现电能消耗大， 工作性能差的 缺点。因此， 为这类负载寻求一种可靠性好， 性能 价格比高， 通用性强的电气控制方案具有重要意 义。通过分析 ， 我们发现， 此类负载大都具有大滞 后、 非线性、 时变的特点 ， 而且各控制变量之间存 在交叉耦台， 数学模型难以建立。而目前普遍采 用的基于精确数学模型的传统 P ID控制方式， 则 存在系统 P I D 参数调整困难， 系统调节频繁， 导致 电动机轴损坏率高的缺点， 难以获得满意的控制 效果。针对以上问题， 我们提出了基于模糊思想 的控制方法。模糊控制优点在于， 不依赖系统的 精确数学模型， 对系统参数变化不敏感， 具有较强 的鲁棒性。系统采用 P L C作为模糊控制器。尽 管 P L C 太多数应用于逻辑开关量控制， 但是根据 系统控制精度和快速性要求不高的特点， 采用 P I E构成性能较高的反馈控制系统是合适的， 并 且在实际应用 中获得 良好的效果。 2 模糊控制原理及硬件 模糊控制属于智 能控制的范 畴， 无需建立控 制过程的精确数学模型， 而是完全凭人的经验知 识“ 直观” 的进行控 制。具体地说 ， 人们通过总结 手动操作的经验 ， 并用语言加以描述， 形成一系列 带有模糊性的规则集合 亦称规则库 。通过计算 机软件的形式， 将其实现并存放在控制器的内存 中， 这样便形成 了模糊控制器 。模糊控制器 在对 一 个过程进行控制时， 根据从过程中测得反馈数 据 温度、 压力、 液位等 ， 与设定值比较， 形成偏差 E 。将偏差量输入模糊控制器， 控制器便可模 仿人的思维， 由模糊规则进行推理决策， 并最终输 出需要的校正量值y ， 用来控制过程。 具体以四川某水电站坝顶水池水位控制系统 电动机容量 5 ． 5 k W 为例。控制系统采用两维的 单输入、 单输出模糊控制器。输入量为供水水位 的误差 E 以及水位误差变化率 E C ， 输 出变量 为向电动机供电的变频器的输入控制电压。控制 过程为控制器定时采样获取水池水位和水位变化 维普资讯 一 种基于 P L C的模糊控制方法 围 1 模糊控制器 的基本架构 率， 与给定值比较， 得到水位误差 E 以及水位误 差变化率 E C ， 并以此做为 P L C控制器的输入变 量。对一个模糊控制器来说， 输入和输出都是精 确量 ， 而模糊控制原理则是模仿人的思维进行推 理 ， 因此必须将输入误差量用 { N B 负大偏差 ， N S 负小偏 差 ， 0 零 ， P S 正小偏 差 ， P B 正 大偏 差 } 等模糊语言变量来描述 即模糊化过程 。在 系统中 ， 水位偏差 E 的论域 为 A， 水位偏差变化 率 E C 的论域为 B ， 输出控制量 c u 的论域为C 。 根据现场的系统状况， 我们将其大小量化为 5 个 等级 ， 分别为 } 一3 ， 一1 ， 0 ， 1 ， 3 j ， 选择 如图 2 的隶属函数曲线。根据图2中的隶属函数曲线， 控制器可完成对输入变量 的模糊化。 。 -j． u A ， B。 C 围 2 系统输入输 出变量 的隶属 函数 在图2中， 根据隶属度函数曲线， 可得 t N B { 棚， _ 模糊输入变量再由模糊控制规则进行推理决 簧 ． 得 羽I 樟 蝴 输 m 语 言 ，蛮 骨 } N B r 俪 - k “ 1 N S r 俪 小 ， 0 零 ， P S 正小 ， P B 正大 j 。同样道理， 经 模糊控制器推理的输出结果也必须变换成实际的 精确校正量 即反模糊化过程 。再经 D ／ A转换 为模拟电压， 去调节变频器输出频率， 最终通过控 制电动机转速以调节水位。这样就完成了一步模 糊控 制 ，以此循 环下 去 直 至消 除 供水 水 位 的 误差。 在软件实现上， 控制规则通常采用“ Ⅲ⋯ ⋯ ， T H E N ⋯ ⋯ ” 条件语句格式 在本系统 中， 为了 简化编程， 便于实时控制 ， 将其表格化， 以P L C 语 言形式存于内存中。模糊控制器按如表 1 所示控 制状态表进行控制。值得指出的是， 针对大多数 风机和泵类负载控制系统的控制精度和快速性要 求都不太高的特点， 我们选择了如上所示的二维 输入的模糊控制方式以及如图2 所示的隶属函数 曲线 ， 并实现 了表格化。由于只需加减运算和逻 辑判断， 运算量较小， 不依赖系统数学模型， 对控 制器的软件编程和内存开销的要求都大为降低。 因此 ， 非常适合采用 内部继电器 缩程方式的 P L C 控制。 表 1 模 糊控制规则 状态 表 NB h i s 0 P S P B NB P B PB P B P S P S NS P B P S P S 0 0 0 P S 0 0 0 H S P S 0 0 Hs h iS N B P B Hs Hs NB Ⅻ 瑚 系统硬件采用一台 O M R O N公司的 C 2 0型 P L C 作为模糊控制器。D ／ A采用 自己设计的数模 转换电路。当然， 也可选择 O M R O N公司的 D ／ A 模块。整个控制系统结构紧凑， 抗干扰能力强， 可 靠性高， 无振荡， 无超调 ， 控制水位精度在 1 0 c m 之内， 完全满足性能要求。 如果系统控制精度， 快速性有更高的要求， 那 么 ， 随着输入变量以及量化等级 的增加， 必然导致 对软硬件提出更高的要求。具体的情况还需作技 术经济指标的分析。 3 结论 通过在居 民供水系统、 炉温控制系统以及 电 站辅机设备系统的实践证明， 该方法实现简单， 系 星一 吾 维普资讯 机电一体化M e c l 1a 舡 o I l i c B 2 ．0 0 1 年第 3 期 囤 3 坝顶水池水位模糊 控制硬件原理图 统性能良好 ， 可靠性高， 具有很好的通用性。对于 那些大滞后、 非线性、 数学模型难以建立 ， 且控制 精度和快速性要求都不太高的控制系统， 基于可 编程控制器的模糊控制方法不失为一种较为理想 的方案。只要根据系统状况适当选择采样周期， 量化因子以及比例因子等参数， 就可实现无振荡， 无超调的控制， 稳态偏差可控制在 5 ％以内。此 外， P I E具有的可扩展性强， 易联网的特点， 使得 设备系统的综合 自动化水平大为提高。随着我国 企业节能增效， 技术改造的深人进行， 该方法具有 较为广阔的应用前景 。 囤4 模糊控制起动和稳定运行水位变化曲线 一⋯ E f 偏差区 ； 变频器输出频率 ； H f 水位 参 考 文 献 1 李士勇等编 模糊控制和智能控制理论与应用． 哈工大出版 社． 1 9 9 o 2 戎月莉 计算机摸糊控制原理及应用． 北京 航空航天大学出 版社， 1 9 9 5 3 张文惨 、 崔巍等． 单相申檄电机转速的新型控制系统 徽电机， 1 9 9 5 4 J 2 0 0 0年我 国机 电产 品出口额居 首位 出口持 续快速增长 ， 商 品结构不 断优化 我国 九五” 期间机电产品出口一直保持了强劲增长 的势头， 到 1 9 9 9年已连续 5年在全国保持第一大类出口 商品地位。2 0 0 0年机电产品出口额达到 1 0 5 0亿美元， 比 上年增长 3 8 ％ ， 占全 国外贸 出 口增 长 额 5 0 ％ 以上 这就 表明机电产品出口额实现全国“ 六连最 ， 已超额完成预定 的“ 九五 计划目标。 回顾我 国机 电产品出 口的发展历程 1 9 8 5 年机 电产品 出口额为 1 6 ． 8 亿美元 ， 占全国出口总额 6 ． 1 ％； 1 9 9 0年出 口额达到 1 1 0 ． 8亿美元， 占全国出口总额 1 7 ． 9 ％； 1 9 9 5年 出口额 4 3 9 ． 6亿美元， 占全国出口总额 2 9 ． 5 ％， l O年问增 长2 5 倍 ； 加0 0年出口额达到 1 0 5 0亿美元， 占全国出口总 额 啦 ％． 1 5年问增长 6 。 倍 目前， 我国机电产品贸易额占世界机电产品贸易总量 已上升到 3 ％。 我国机电产品外贸发展的特点是1 ．机电产品出口 量在我国对外贸易中占据着举足轻重的地位 ，为全国外 贸出口增长作出显著贡献，有力地拉动了我国国民经济 的增长。2 ．我 国机 电产品外 贸结构发生 了巨大 变化 ，在 保持传统产品出口增长同时，高新技术产品的性能 、质 量及技术水平不断向国际先进水平靠拢，大型单机及成 套设备出口逐年增加，仅此一项，有望超过 1 1 1 0亿美元。 3 ．机电产品外贸结构改善，具体体现在出口商品结构 不断优化 ．附加值和技术古量较高的产品出口比重不断 提高。过去出口大宗商品主要是五金、手工具等金属制 品，现在机、电、仪设备占整个机电产品出口9 0 ％，技 术含量、附加值较高的数据处理设备、通信设备、 船舶、 汽车、摩托车、高档家用电器、电站等大型成套设备出 口，已占机电产品出口的 4 5 ％以上 ；出口市场多元化战 略取得新的进展，出口市场进一步拓展 ．对世界各大洲 的出口呈现 全面增长的态势，特别是 加0 0年在开拓南 美 、中东、非洲市场上取 得较 大进展 ；出 口企业组 织结 构发生重大变化，生产企业 白营出口快速发展，成为机 电产品出口的新增长点，特别近年来国企出口力度回升， 外企出口增势迅猛 ，是拉动机电产品出口高速增长的重 要力量；出口企业经济效益不断提高，为我国机电产品 出口进一步发展奠定了坚实基础。4 ．政府根据市场经济 发展的要求 ，及时出台一系列完善扶持机电产品出口的 政策举措 如提高出口退税率、增加信贷投人、支持企 业技术改造 、 实行出口 奖励、深化企业体制改革等 ， 确 立了机电产品出口在我国外贸中的重要地位。 维普资讯