基于PLC 模糊控制的调速系统研究

基于PLC模糊控制的调速系统研究

蔡军，曹慧英

（重庆邮电大学自动化学院，重庆 400065）

摘 要：针对开环变频调速系统精度不高的特点，提出了一种基于MicroLogix1500控制器调速系统的模糊控制方法。本论文利用MicroLogix1500 PLC中的查表方法实现参数查询功能，使得控制算法简单明了。结果表明：该系统具有较高的稳定性、控制精度和品质。

关键词：模糊控制 PLC MicroLogix1500

The Study of Control System for speed control system Based on

PLC and Fuzzy Control

Cai Jun，Cao Huiying

Abstract: The open loop frequency conversion timing system has the character of low precision.

A fuzzy control arithmetic is put forward based on MicroLogix1500.The paper realize the function

of inquire by the method of using the cursor to address the form in MicroLogix1500.That makes control arithmetic brief. The practical results show that this system has better stability, accuracy and quality of control.

Key words:Fuzzy Controller；PLC；MicroLogix1500

中图分类号: TP273+.4 文献标识码: B

近年来，模糊控制在国内得到了广泛的应用，然而在模糊控制应用领域，其模糊控制器基本上都是由个人计算机、单片机或专用模糊控制芯片实现的。模糊控制在PLC上的实现方式基本分为两种：一种是通过专用的硬件实现，但其价格昂贵，并且需要使用专用编程设备，通用性差；另一种实际采用较多的是通过软件实现，把模糊控制程序作为整个PLC控制程序的一个子程序，包括数据的读取、模糊推理和控制信号输出，通过中断调用子程序完成模糊控制。目前对于电机转速的控制大多是采用PID控制。这种方法简单，便与实现，但是参数整定比较困难，在实际中我们往往是根据经验来手动设定PID参数。本研究针对开环状态电机调速超调量大、控制精度不高等现象，利用PLC编程软件，采用模块化编程方法，使用梯形图及语句表编制程序实现模糊控制算法。

1调速控制系统的基本结构

本系统采用MicroLogix1500控制器和PowerFlex70变频器调节交流异步电机转速的方法。给定的速度与经由MicroLogix1500控制器高速计数模块反馈回来的实际速度相减产生速度误差，经MicroLogix1500控制器运算可得控制量，再由RS-485接口输出到变频器以驱动交流电机，从而达到调节电机转速的目的。由于MicroLogix1500控制器与变频器之间没有采用D/A进行转换，而是采用了RS-485进行数字通信，有效地提高了系统的抗干扰能力。

测速装置采用编码器克服了过去调速系统中采用测速发电机输出特性存在死区和非线性区，体积大，误差大等缺点。

2 控制系统结构和设计思想

对于一般的交流调速控制系统，采用传统的PID控制，速度的控制要求，控制的超调大，调节时间长，控制效果较差。为了降低超调量，提高控制精度，采用模糊推理，实现对电机速度的模糊控制。使其具有鲁棒性强、适应性强、控制精度高等特点。

2.1 控制系统结构

控制系统结构主要由模糊调节器及变频器两部分组成。如图1所示。

图1 控制系统原理

在图中，输入变量是电机实际转速y 和系统给定转速r 的误差e 和误差变化率e ?，输出

量是系统实时控制修正量u ，K e 为误差e 的量化因子，K ec 为误差变化率e ?

的量化因子，K u 为控制量u 的比例因子。

2.2 参数自整定模糊控制器的设计

模糊控制器的输入语言变量为系统给定转速r 与电机实际转速y 之间的误差e 和误差变化率e ?，输出语言变量为控制变频器输出频率的变频器电压给定值变化量u 。这样，就为变频调速系统确定了一个双输入单输出的模糊控制器。按实际系统控制经验，选取误差e 、误差变化率e ?和输出控制量u 的基本论域分别为：

误差e：[]20,20?；误差变化率e ?：[]12,12?；输出控制量u ：[]30,30?

根据系统要求，将误差e 、误差变化率e ?、输出控制量u 所对应的语言变量E、EC 以及U 分成七档，每一档对应一个模糊子集：

E={NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB}；EC={NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB}；U={NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB}

描述E、EC 和U 的模糊语言变量为：负大、负中、负小、零、正小、正中、正大，对应的符号分别为：NB、NM、NS、ZO、PS、PM、PB。

E、EC 和U 的论域精确量离散化，划分为15个等级，即

E={-7，-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5，6，7}；EC={-7，-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5，6，7}；U={-7，-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5，6，7} 通过转换公式 2n k b a

=? （1-1） 式（1-1）中，a 表示低限值，b 表示高限值，7n =，k 表示量化因子（1k

则是比例因子）。将论域在[]20,20?变化的误差e 、论域在[]12,12?变化的误差变化率e ?，论域在

[]30,30?变化的控制量u 都转换到[]7,7?,则

量化因子7/20K e =；量化因子7/12K ec =；比例因子30/7K u =

应用模糊推理合成算法计算出模糊控制查询表，模糊控制只需根据不同的数据对（E、EC），从查询表中查出相应的模糊控制量，经清晰化处理后输出。模糊控制规则表36?中的每

一条模糊条件语句都决定一个模糊关系，通过49个模糊关系 R

i （1,2,49i =???）的“并”运算，可得到变频系统基本模糊控制器的总和模糊控制关系矩阵 R

，即 124849

R R R R R =∨∨???∨∨ （1-2） 离线计算出总和模糊关系 R

后，基于推理合成规则，由误差e 的论域E={-7，-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5，6，7}和误差变化率e ?

的论域EC={-7，-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5，6，7}，根据语言变量误差 E

和误差变化率 EC 赋值表，针对论域E 和EC 全部元素的所有组合，求取相应的语言变量控制量 U

的模糊集合，通过离线计算运用系数加权平均法法对U 的模糊集合进行模糊判断，取得以论域U={-7，-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5，6，7}的元素表示的控制量值U。加权平均法公式如下：

u k i i

U u i ∑=∑ （1-3）

在式中k i 表示论域U 中的元素值，u i 则是k i 在模糊子集中对应的隶属度。

在以上计算的基础上，可建立如表1-1所示的模糊控制查询表。

表1-1 模糊控制查询表

3 模糊控制器的程序设计

将表1-1存于PLC 中，编制一个查找查询表的子程序。系统将编码器采集到的电机实际转速与给定转速的误差()e k 和计算得到的误差变化率()(1)e k e k ??分别乘以量化因子K e 和K ec ，取得以相应论域元素表征的查找查询表1-1所需的数据后，通过查找表1-1的相应行与列，即可得出输出所需的控制量U ，再乘以比例因子K u ，就得到了提供给变频器输入信号的控制变化量，进而通过变频器实现控制电机转速。下面是PLC 实现模糊逻辑控制的流程图，

模糊控制策略程序设计流程如图2所示。

图2 模糊控制算法流程图

4 结论

基于MicroLogix1500 PLC实现调速系统模糊控制定，既保留了PLC控制的可靠性、灵活性等特点，又提高了控制的智能化程度，取得了令人满意的的效果。对于那些大时滞、大惯性、开环控制系统和难以建立精确数学模型的控制对象，基于PLC的模糊控制方法不失为一种较理想的方案。本文作者创新点是利用MicroLogix1500控制器中的查表方法实现参数查询和比较功能，既节省了计算时间，又使得控制算法简单明了。对于那些大时滞、大惯性、开环控制系统和难以建立精确数学模型的控制对象，基于PLC的模糊控制方法不失为一种较理想的方案。

参考文献

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[2] 李士勇.模糊控制·神经网络和智能控制.哈尔滨：哈尔滨工业出版社，1996

[3] 李建平，王晓冲，谢敬华，基于PLC的模糊参数自整定温度控制系统研究，微计算机信息,2007，6－1：21－25。

[4] 蔡军，曹慧英，基于PLC温度控制系统设计与研究，微计算机信息,2007，2－1：26－28。

基金项目名称：重庆市科委自然科学基金“无线传感器网络安全研究”

基金项目颁发部门：重庆市科学技术委员会；

基金项目编号：（2006BB2430）；

作者简介：蔡军(1977—)，回，男，安徽淮南人，重庆邮电大学自动化学院讲师，硕士，主要研究方向：可编程控制器，嵌入式系统；

曹慧英（1976—），女，四川绵阳人，重庆邮电大学经济管理学院讲师，硕士研究生，主要研究方向：计算机应用；

Biography：Caijun , male, born in 1977, prelector , focusing researching on: programmable logic controller.