基于PLC的锅炉温度模糊控制研究与应用

技术创新中文核心期刊《微计算机信息》（嵌入式与ＳＯＣ）２００８年第２４卷第９－２期人工智能基于ＰＬＣ的锅炉温度模糊控制研究与应用ＴｈｅＲｅｓｅａｒｃｈａｎｄＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆＢｏｉｌｅｒＦｕｚｚｙＴｅｍｐｅｒａｔｕｒｅＣｏｎｔｒｏｌＳｙｓｔｅｍｂａｓｅｄｏｎＰＬＣ（南京信息工程大学）林屹张颖超ＬＩＮＹｉＺＨＡＮＧＹｉｎｇ－ｃｈａｏ摘要：采用ＳＩＭＡＴＩＣＳ７－３００系列ＰＬＣ设计了一个电加热锅炉的温度模糊控制器，该模糊控制器克服了传统ＰＩＤ控制对被控对象精确数学模型的依赖，通过已编制好的控制程序直接实现智能控制，充分体现出ＰＬＣ编程方便、组态灵活、适应性好的特点。

关键词：ＰＬＣ；模糊控制器；温度控制中图分类号：ＴＰ２７３．５文献标识码：ＡＡｂｓｔｒａｃｔ：ＡｋｉｎｄｏｆｂｏｉｌｅｒｆｕｚｚｙｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒｗａｓｄｅｓｉｇｎｅｄｂｙａｄｏｐｔｉｎｇＳＩＭＡＴＩＣＳ７－３００ｓｅｒｉｅｓＰＬＣ．ＴｈｉｓｆｕｚｚｙｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒｏｖｅｒｃａｍｅｔｈｅｗｅａｋｎｅｓｓｏｆｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌＰＩＤｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒｗｈｉｃｈｗａｓｂａｓｅｄｏｎｔｈｅａｃｃｕｒａｔｅｍａｔｈｅｍａｔｉｃｍｏｄｅｌａｎｄｉｔｃａｎｒｅａｌｉｚｅｔｈｅｉｎｔｅｌｌｉ－ｇｅｎｔｃｏｎｔｒｏｌｂｙｔｈｅｃｏｎｔｒｏｌｐｒｏｇｒａｍｍｅ，ｗｈｉｃｈｒｅｐｒｅｓｅｎｔｉｔｓａｄｖａｎｔａｇｅｓｓｕｃｈａｓｐｒｏｇｒａｍｍｉｎｇｃｏｎｖｅｎｉｅｎｔ，ｃｏｎｓｉｇｎｍｅｎｔｆｌｅｘｉｂｌｅａｎｄｇｏｏｄａｄａｐｔａｂｉｌｉｔｙ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ＰＬＣ；Ｆｕｚｚｙｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ；ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｃｏｎｔｒｏｌ文章编号：１００８－０５７０（２００８）０９－２－０２１６－０２林屹：硕士讲师基金项目：江苏省高校自然科学基金资助项目：基于关系型数据库的模糊查询方法研究与控制接口设计，颁发部门：江苏省教育厅（０６ＫＪＤ５２０１２２）南京信息工程大学科研基金资助项目１引言在锅炉温度控制系统中，电加热锅炉是过程工业中常用的设备，其温度控制也是过程控制的一个重点。

然而，电加热锅炉因其具有大时滞、非线性、难以建立精确数学模型等特点，采用常规ＰＩＤ控制难以达到很好的控制效果。

模糊控制是以模糊集合论、模糊语言变量及模糊推理为基础的计算机智能控制，其核心是模糊控制器。

作为智能控制的一个分支，模糊控制对于具有大时滞、非线性、参数强耦合等系统具有其明显的控制优势，它不需要考虑被控对象的数学模型，只要依据由操作人员经验而制定的控制规则进行控制。

针对电加热锅炉具有大时滞、非线性、难以建立精确的数学模型等特点，本文在研究模糊控制理论的基础上，以电加热锅炉温度控制子系统为研究对象，采用西门子公司的ＳＩＭＡＴＩＣＳ７－３００系列ＰＬＣ，进行模糊控制算法的研究及应用。

２模糊控制系统结构模糊控制是以模糊集合论、模糊语言变量及模糊推理为基础的计算机智能控制，其核心是模糊控制器。

锅炉温度模糊控制系统结构如图１所示。

通过温度传感器Ｐｔ１００测量锅炉水温，经温度变送器将温度信号转换为电信号送至模糊控制器，模糊控制器由ＳＩＭＡＴＩＣＳ７－３００ＰＬＣ编程实现。

模糊控制器将此精确值与给定值比较后得到偏差信号ｅ，进行模糊化，即将输入的精确数字量转换成模糊集合的隶属函数，从而把传感器的输入转换为知识库可以理解和操作的变量。

然后根据操作员或专家的经验制定出的模糊控制规则进行模糊推理，得到模糊输出集合。

最后经过解模糊过程，即将这个输出模糊集合隶属函数转换为精确的数字量，该控制量再经过数模转换器得到４－２０ｍＡ输出电流信号，该电流信号再经过调压器控制电加热器的电压，从而实现对锅炉水温的控制。

３模糊控制器的设计３．１输入参数模糊化进行模糊运算，首先需要将实际偏差和偏差变化率通过各自的量化因子转换为模糊论域。

偏差ｅ的语言变量为Ｅ，偏差变化率ｅｃ的语言变量为ＥＣ，输出控制量ｕ的语言变量为Ｕ，其相应的模糊子集分别为、和，分别划分为１１个等级，即｛－５，－４，－３，－２，－１，０，＋１，＋２，＋３，＋４，＋５｝。

语言值分别取为｛负大，负中，负小，零，正小，正中，正大｝，记为｛Ｎｂｉｇ，Ｎｍｉｄ，Ｍｓｍａｌｌ，Ｚｅｒｏ，Ｐｓｍａｌｌ，Ｐｍｉｄ，Ｐｂｉｇ｝。

把精确值离散化，并将其由基本论域变换到模糊论域之后，分别形成其隶属函数或模糊变量赋值表。

３．２模糊控制规则的确定模糊控制器根据其维数，即输入变量的个数，可分为一维模糊控制器、二维模糊控制器和三维模糊控制器。

本文中锅炉温度模糊控制系统的控制器采用以偏差和偏差变化率为输入量、控制量的增量为输出量的二维模糊控制器结构，在实际控制中，不仅对被控变量的偏差进行反馈，而且还对其偏差率变化进行反馈。

模糊控制规则如下：技术创新如果偏差是“正大（Ｐｂｉｇ）”，即温度很高，并且偏差变化率是“正大（Ｐｂｉｇ）”，即温度正在不断增大，那么控制量迅速减小（Ｎｂｉｇ），即迅速减少加热。

如果偏差是“正大（Ｐｂｉｇ）”，即温度很高，并且偏差变化率是“负小（Ｎｓｍａｌｌ）”，即温度正在缓慢减小，那么控制量适当减小（Ｎｍｉｄ），即适当减少加热。

如果偏差是“负大（Ｎｂｉｇ）”，即温度很低，并且偏差变化率是“负大（Ｎｂｉｇ）”，即温度很快下降，那么控制量迅速增加（Ｐｂｉｇ），即快速加热。

……依次类推，可得到模糊控制规则表，如表１所示。

表１模糊控制规则表３．３模糊推理及解模糊根据确定的模糊控制规则表，运用模糊数学理论对模糊控制规则进行计算推理，得到一个定性的用语言表示的决策输出量。

将模糊输出量的量值从内部论域转化为相应的实际论域，从模糊推理结果中产生精确的输出控制量。

通过查询将当前时刻模糊控制器的输入量（偏差及偏差的变化量）所对应的控制输出值作为模糊控制器的最终输出，从而达到快速、实时控制。

４模糊控制器的软件设计首先在ＳＴＥＰ７软件中对系统进行硬件组态，然后对ＰＬＣ进行用户程序的编写。

锅炉温度模糊控制程序流程图如图２所示。

糊控制器采用二维结构，即通过温度传感器采样到被控变量锅炉水温的精确值，将此精确值与给定值比较后得到偏差信号ｅ以及偏差的变化率ｅｃ，将其经过模数转换器转换成精确的数字量送至模糊控制器。

所以通过在主程序ＯＢ１中调用中断组织块ＯＢ３５来进行每隔２０ｍｓ的偏差信号ｅ及偏差的变化率ｅｃ的采样。

计算关系如下：其中，Ｔ（ｋ）为测量值，ＳＰ值为锅炉温度的设定值，２０ｍｓ为采样时间，可在硬件组态时设定。

根据上述计算关系，建立数据块ＤＢ３，将测量值ＡＩ０、设定值ＳＰ、偏差Ｅ＿Ｋ，Ｅ＿Ｋ＿１，以及偏差变化率存放于ＤＢ３数据块中。

在锅炉温度模糊控制系统中，温度传感器Ｐｔ１００测量锅炉水温，经温度变送器将０～１００的温度信号转换为４～２０ｍＡ的电信号被模拟量输入输出模块ＳＭ３３４采集，其数据范围是５５３０～２７６４８。

首先通过编写功能ＦＣ２０１把５５３０～２７６４８的数据转换成更符合控制习惯的０～１００的数据。

然后，采用逐项比较法的方法，调用ＦＣ１对采样得到的温度偏差ｅ以及偏差的变化率ｅｃ进行模糊化。

在ＦＣ２中建立模糊查询表，通过调用ＦＣ２进行模糊推理。

解模糊过程，即将通过模糊控制表查询得到的输出量的模糊值Ｕ转换为精确的数字量ｕ。

查询模糊控制得到的模糊输出量Ｕ为０～１０的双整型数据，首先需要将其转换为实型数据，然后通过编写的数据转换功能ＦＣ３，将输出量转换成范围为５５３０～２７６４８的数据，其经过数模转换器，转换为４～２０ｍＡ的电流信号送到执行机构调压器，调压器的输出控制电加热器的端电压，从而实现对电加热锅炉水温的控制。

用户程序编写完成之后，将其通过ＭＰＩ电缆下载到ＰＬＣ中运行。

监控界面的设计与实现在组态王软件中进行。

通过设备连接、数据词典的编写以及画面的建立，运行组态王，即可进入该锅炉温度模糊控制系统的监控环境。

锅炉温度的设定值以及实时测量值在该监控界面中得以实时显示。

该锅炉温度模糊控制系统某段时间内的实时曲线如图３所示。

图中可以观测到温度测量值跟踪设定值变化的运行情况。

５结束语模糊控制是以模糊集合论、模糊语言变量及模糊推理为基础的计算机智能控制。

本文的创新之处在于在研究模糊控制理论的基础上，以电加热锅炉为研究对象，详细介绍采用ＳＩＭＡＴ－ＩＣＳ７－３００系列ＰＬＣ进行二维模糊控制器的设计及实现方法，（下转第２１３页）技术创新图４程序流程图参考文献［１］（加拿大）Ｒ．ＭｏｈａｎＭａｔｈｕｒ，（印度）ＲａｊｉｖＫ．Ｖａｒｍａ著．马思尔，瓦马，徐政译．基于晶闸管的柔性交流输电控制装置．机械工业出版社，２００５［２］苏奎峰，吕强，耿庆峰，陈圣俭．ＴＭＳ３２０Ｆ２８１２原理与开发／ＤＳＰ应用丛书．电子工业出版社，２００５［３］陈奇．模糊控制ＴＳＣ无功补偿控制器设计．电力电子技术．２００５，（４）［４］曾光，苏彦民，柯树敏，张静刚．用于无功静补系统的模糊－ＰＩＤ控制方法．电工技术学报．２００６，（６）［５］海涛，徐嫣，骆武宁，高翔，文志刚．基于模糊控制的电容器投切控制算法．广西大学学报（自然科学版）．２００５，（３）［６］许胜，黄锦安，李雪．一种基于ＤＳＰ的动态无功补偿装置．电力电子技术．２００６，（２）［７］侯勇严，郭文强．一种模糊ＰＩＤ控制器的设计方法研究．陕西科技大学学报．２００５，（４）［８］司栋森，李增智，午胜芬，贾运红．基于双ＤＳＰ的高压无功补偿装置设计与实现．微计算机信息，２００６，７－２：１７６－１７９。

作者简介：肖长河，男，１９７６－，湖南大学硕士研究生，研究方向为：电气工程及其自动化；向阳，男，湖南大学副教授，硕士生导师；何怡刚，男，１９６６－，湖南大学教授、博士生导师，主持完成了８６３、国家自然科学基金等２６项课题的研究Ｂｉｏｇｒａｐｈｙ：ＸＩＡＯＣｈａｎｇ－ｈｅ（１９７６－），Ｍａｎ（Ｈａｎｚｕ），ＧｒａｄｕａｔｅｓｔｕｄｅｎｔｏｆＨｕｎａｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇａｒｅａ：ＥｌｅｃｔｒｉｃＰｏｗｅｒａｎｄＥｌｅｃｔｒｏｎＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ；Ｈｅｙｉｇａｎｇ（１９６６－），Ｐｒｏｆ．，ＳｕｐｅｒｖｉｓｏｒｏｆＰｈ．Ｄ，Ｍａｎ（Ｈａｎｚｕ），Ｗｏｒｋ：ＴｅｓｔｉｎｇＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙｏｆＣｉｒｃｕｉｔｓ＆Ｓｙｓｔｅｍｓ．（４１００８２湖南大学电气与信息工程学院）肖长河向阳何怡刚谢雁鹰齐绍忠（Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ＆ＩｎｆｏｒｍａｔｉｏｎＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＩｎｓｔｉｔｕｔｅ，ＨｕｎａｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，４１００８２，Ｃｈｉｎａ）ＸＩＡＯＣｈａｎｇ－ｈｅＸＩＡＮＧＹａｎｇＨＥＹｉ－ｇａｎｇＸＩＥＹａｎ－ｙｉｎｇＱｉＳｈａｏ－ｚｈｏｎｇ通讯地址：（４１００８２湖南大学１４舍２２５寝室）肖长河（收稿日期：２００８．０８．２３）（修稿日期：２００８．１０．０５）（上接第２１７页）通过已编制好的控制程序直接实现电加热锅炉温度的智能控制，充分体现出ＰＬＣ编程方便、组态灵活、适应性好的特点。