制冷机系统中单片机和PLC的控制构建.pdf

第 2期 总第 1 7 1期 2 0 1 2年 4月 机 械 工 程 与 自 动 化 MECHANI CAL ENGI NEE RI NG＆AUTOMATI ON NO ．2 Apr ． 文章 编号 1 6 7 2 6 4 1 3 2 0 1 2 0 2 。 0 1 2 9 0 2 制冷机系统中单片机和 P L C的控制构建 王建萍 中北大学 电气．T - 程 系， 山西 太原0 3 0 0 5 1 摘要简单介绍了模糊控制的原理及特点，重点介绍了使用单片机和 P L C构成的模糊控制器对螺杆制冷机 系统进行控制的方法及控制效果。 关键词 模糊控制器 ；单片机 ；可编程序控制器 ；螺杆制冷机 系统 中图分 类号 TP 2 7 3 TB 6 5 1 文献标识码 A 0 引言 基于人工手动控制的思维推理方法可以设想 如果 我们将工人的操作经验总结成若干规则， 经过一定的数 学模型处理， 存放到计算机中 模糊控制规则 ， 再按人 脑的模糊推理过程确定推理法则， 这样计算机就可以根 据输人的模糊信息及模糊推理法则作出正确决策来执 行具体的精确的动作 精确量 。这就是模糊控制的基 本思想 。可编程序控制器 P L C 是一种面 向工业 的计 算机， 其最大特点是可靠性高， 而小型的 P L C是一种价 格低、 专为处理开关逻辑功能的工业机， 用它来处理开 关量比用单片机要贵得多。因此 ， 在某些类型的工业生 产过程控制中， 利用两者各 自的优点 ， 将两者结合起来 构成适合众多工业过程控制的模糊控制器。本文就这 一 理论应用于螺杆制冷机系统进行了分析论述 。 1 模 糊 控制 的基本 原理 模糊控制器的原理框图如图 l所示 。控制各过程 的数学方法如下 1 确定模糊控制器的输入、 输出变量 选择误差 E 、 误差变化 C作为输人变量； 选择控制量 U作为输出变量。 2 精 确 量 的模 糊 化 精 确 量 如 误 差 E 的论 域 为 [ 一x ， x ] ， 误差变化 c的基本论域为[ 一X ， x ] ， 控 制量 U 的基本论域为[ 一X ， X。 ] ， 则定义变量的模糊 子集为模糊集论域， 从基本论域到模糊 集论域是一个 离散化过程 ， 从而得 出从隶属度函数 。 3 模糊控制规则 利用语言归纳建立模糊控制 规则表， 然后求 出控制规则矩阵。 4 模糊决策 已知模糊矩阵形式以及 E和 C， 则 可求出控制量 U。 5 模糊量的精确化 根据决策 得到的控制量是 模糊 向量 U ， 要控制执行机构 ， 必须转化成精确量 ， 可 采用隶属度最大原则或加权平均原则， 本文中采用 了 加权平均判决法。 显然上述模糊控制算法太复杂又费时， 不利于实 时控制 ， 实际设计是根据采样所得 的误差 E与误差变 化 C计算出相应 的控制量变化 U ， 将计算出的所有可 能的 U 写成矩 阵 U ， 其 中 是 E 的量化档 数 ， 是 C的量化档数。然后将此矩阵制成表存放在 单片机内存中， 实际控制量查表即可。 图 1 模糊控制器原理框 图 2 螺杆制冷机系统 螺杆制冷机是一种集中制冷的通用设备， 一般采用 继电逻辑开环控制， 使用手动调整温度。本文中采用模 糊控制原理使用单片机和 P L C组成模糊控制器对它进 行闭环控制改造， 以提高其精度， 进而降低运行成本。 螺杆制冷机压缩机 中对 压缩量常采用能 量阀调 节 ， 即在两个转子高压侧装上一个能够轴 向移动的滑 阀来调节能量和卸荷启动。利用滑阀在螺杆的轴向移 动 ， 以改 变 螺 杆 的有 效 轴 向工 作 长 度 ， 使 能 量 在 1 0 0 ～O 之间连续无级调节来控制冷冻液的温度 。 为了保证螺杆式制冷压缩机 的正常运转， 必须配 收稿 日期 2 0 1 1 1 2 3 0 l修 回 日期 ；2 0 1 2 0 1 1 0 作者简介 王建萍 1 9 7 3 一 ，女 ，山西灵石人 ，实验师 ，硕士 ，主要从事控制理论与控 制工程 的研究工作 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m l 3 O 机 械 工 程 与 自 动 化 2 0 1 2年第 2期 置相应的辅助机构， 如润滑油的分离和冷却装置、 能量 的调节控制装置、 安全保护装置和监控仪表等。通常 生产厂多将压缩机、 驱动电机及上述辅助机构组装成 机组 ， 称为螺杆式制冷压缩机组 。制冷剂的循环流程 如 图 2所示 。 图 2制 冷 剂 的 循环 流 程 图 螺杆式制冷压缩机组的基本工作流程为 压缩机 从吸气口吸入低压气体和润滑机油 ， 经压缩后成为高 温高压气体， 通过油分离器将油、 气分离， 润滑机油经 冷却后送回吸气口循环使用 ； 而高温高压气体经节流后 进入冷凝器 ， 经冷凝器冷凝后成为常温高压气体， 该气 体经节流后 进入蒸发器， 气体在蒸发器中迅速减压蒸 发， 同时吸收蒸发器环境 中的热量实现制冷； 蒸发后 的 气体成为低压气体再送 回压缩机吸气口进行新一轮循 环， 调节压缩气体的压缩比可以实现对制冷量的控制。 3 采用计算机模糊控制的制冷机组 从上述可知 ， 制冷机组是使用常规仪表进行检测 和开环控制的 ， 精度低 、 速度慢、 不能 自控 。我们利用 I n t e l 公司的 AT8 9 C 5 1单片机作为制冷机组控制的主 机， 用 P L C oMRON C 4 0 p 和伺服放大机构构成控制 系统 。首先对模拟量进行采样， 用单片机对其进行处 理， 输入控制信号给可编程序控制器和伺服机构 ， 控制 制冷机组正常运行， 并设有键盘 、 显示 、 声光报警装置。 计算机控制系统结构框图如图 3所示 。 控制系统由主机 AT 8 9 C 5 1 、 输入 滤波放大、 A／ D 、 输 出 D ／ A、 伺服机构 、 P L C 、 人机联系 键盘、 显 示、 报警 四个部分组成。整个系统 的工作原理 为 被 测信号 温度 、 压力信号 由传 感器 热电偶压力传感 器 等检测， 通过放大电路 、 模拟滤波电路后与调节参 数 信 号 一 起 经 A／ D 0 8 1 6 转 换 后 进 人 单 片 机 AT 8 9 C 5 1 ， 单片机将经数字滤波、 线性化处理、 冷端补 偿 对于热电偶 后得到的信号送显示器进行显示 。在 控制 回路 ， 将测得的冷冻液的温度信号作为模糊控制 的输入信号， 调节后的输 出信号经伺服放大器后送执 行机构去控制能量阀 四通电磁阀 ， 以达到控制压缩机 制冷量、 使冷冻液的温度控制在给定温度值允许范围的 目的。当冷水机组出现异常情况时， 如温度、 压力、 压差 超出了设定的上、 下限时， 则发 出声光报警， 以便操作人 员及时监视处理， 同时输出给 P L C使其及时作出处理。 操作人员可以通过键盘和参数模拟量调节器进行各种参 数的设置， 如给定温度、 采样时间、 模糊控制参数等。 图 3 计算机控制 系统结构框图 4结束 语 模糊控制使我们摆脱了建立被控系统精确数学模 型的束缚 ， 它基于生产经验 ， 利用条件语句由模糊合成 算法构成模糊控制器 ， 这种手段已得到越来越广泛 的 应用。本课题所设计研制的螺杆制冷机组计算机控制 系统结构简单 ， 外围硬件可根据需要来灵活配置， 方便 实用 ， 可提高制冷机组运行的安全可靠性。 参考 文献 [ 1 ] 邢子文． 螺杆压缩机理论、 设计及应用[ M] ． 北京 机 械工业 出版社 ， 2 0 0 0 ． [ 2 3 汪小澄， 张峰． P L C控制网络的组建与监控[ J ] ． 计算机应 用 ， 2 0 0 2， 2 2 4 3 4 - 3 6 ． [ 3 ] 蔡晓东， 黄剑云． 螺杆式冷水调节控制探讨[ J ] ． 机电工程 技术 ， 2 0 0 2 ， 3 1 1 1 4 1 8 ． [ 4 ] 朱平． 仲华． 螺杆式风冷热泵机组的 P L C控制系统[ J ] ． 制 冷与空调 。 2 0 0 4 ． 3 O 1 1 5 - 1 6 ． [ 5 ] 田旭东． 潘 利． OMR ON小 型 P L C在 冷水机 组控 制 系统 中的应用[ J ] ． 可编程控制 器与工 厂 自动化 ， 2 0 0 5 ． 2 5 9 2 2 2 3． [ 6 ] 周雷． R1 3 4 a用双螺杆杆制冷压缩机设计研究[ o] ／ ／ 上 海市制冷学会二 O O一年学 术年会论 文集．上海 上海科 技术出版社 ． 2 0 0 1 2 1 3 - 2 1 5 ． Co nt r o l l i n g Co n s t r u c t i o n o f S i n g l e - c hi p M i c r o c o mpu t e r a nd PLC i n Ch i l l e r S y s t e m WANG J i a n - p i n g De p a r t me nt o f El e c t r i c a l En g i n e e r i n g，No r t h Un i v e r s i t y o f Ch i n a，Ta i y u a n 0 3 0 0 5 1，Ch i na Ab s t r a c t Th i s a r t i c l e d i s c u s s e s t h e p r i n c i p l e a n d c h a r a c t e r i s t i c s o f f u z z y c o n t r o l s y s t e ms ．a n d d e s c r i b e s t h e a p p l i c a t i o n o f f u z z y c o n t r o l l e r b a s e d o n s i n g l e c h i p mi c r o c o mp u t e r a n d P LC i n a s c r e w c h i l l e r s y s t e m． Ke y wo r d s f u z z y c o n t r o l l e r ；s i n g l e - c h i p mi c r o c o mp u t e r ；P LC；s c r e w c h i l l e r s y s t e m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m