【導(dǎo)讀】加熱爐隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和工業(yè)生產(chǎn)水平的提高，已經(jīng)在冶金、化工、機(jī)械等各類(lèi)工業(yè)控制中得到廣泛的應(yīng)用并且在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中占有舉足輕重的地位。對(duì)于這樣一個(gè)具有非線性、大滯后、大慣性、時(shí)變性、升溫單向性等特點(diǎn)的被控對(duì)象很難用數(shù)學(xué)方法建立精確的數(shù)學(xué)模型，因此傳統(tǒng)的控制理論和方法很難到達(dá)好的控制效果。本文所設(shè)計(jì)的加熱爐溫度控制系統(tǒng)是由PLC控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的?；赑LC控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)包括硬件和軟件兩部分。硬件部分由PLC、數(shù)模及模數(shù)轉(zhuǎn)換器、溫度采集器、LED顯示器、晶閘管模塊、熱電偶等組成。并采用數(shù)據(jù)濾波器進(jìn)行信號(hào)處理使所得到的溫度信號(hào)更加精確和符合實(shí)際。軟件部分包括一些軟件的程序流程、控制算法以及PID參數(shù)的計(jì)算整定等用來(lái)保證硬件部分的正常有序的工作。

　　

【正文】 Y1為高溫顯示燈用來(lái)顯示溫度是否過(guò)高，Y2~Y5用來(lái)接溫度數(shù)據(jù)顯示，及時(shí)傳遞溫度的信息情況，Y6~Y9接數(shù)據(jù)顯示片選。 模糊控制器的設(shè)計(jì)本控制系統(tǒng)主要完成數(shù)據(jù)采集、溫度顯示、爐溫控制、故障檢測(cè)以及報(bào)警等功能，智能模糊控制器[5]由PLC完成，采用規(guī)則自尋優(yōu)的控制算法進(jìn)行過(guò)程控制。加熱爐采用雙向可控硅控制，由PLC輸出通斷率控制信號(hào)，產(chǎn)生可控硅的過(guò)零觸發(fā)脈沖。簡(jiǎn)單的加熱爐溫度控制思路如下圖47:控制裝置晶閘管控制模塊加熱爐被控對(duì)象A\D轉(zhuǎn)換模塊熱電偶 電源 控制量 輸入功率 溫度爐溫信號(hào)圖47 加熱爐溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)溫度控制算法時(shí)還需要將上述的原理圖簡(jiǎn)化成模型圖（如圖48），以便于系統(tǒng)進(jìn)行分析。模型中的控制器就是廣義的加載到計(jì)算機(jī)或微處理器上的控制算法，晶閘管模塊、電加熱爐、加熱對(duì)象一起歸為控制對(duì)象，而A/D轉(zhuǎn)換器、熱電偶[6]則構(gòu)成反饋回路。控制器給定的溫度作為系統(tǒng)輸入信號(hào)r，傳感器檢測(cè)到的溫度作為輸出信號(hào)y，誤差e、控制信號(hào)u均在控制裝置里通過(guò)計(jì)算得到，最后經(jīng)過(guò)一系列轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)對(duì)熱工對(duì)象溫度的控制，這就形成了一個(gè)典型的反饋控制系統(tǒng)。控制裝置控制對(duì)象r e u y圖48 系統(tǒng)簡(jiǎn)化模型 溫度數(shù)據(jù)濾波由于采樣精度、A/D轉(zhuǎn)化精度的限制，以及電子線路干擾的影響，計(jì)算機(jī)接受到溫度信號(hào)后一般都需要進(jìn)行數(shù)字濾波[7]，消除低頻干擾分量的影響，提高數(shù)據(jù)的可靠性。工業(yè)控制中，對(duì)溫度信號(hào)一般采用以下幾種數(shù)字濾波的方法：(1)算術(shù)平均濾波：對(duì)于作用時(shí)間較短的快速干擾，可以通過(guò)數(shù)字平均濾波技術(shù)，也就是采用連續(xù)多次采樣，然后求平均值的辦法予以濾波。其算式為： （42）其中，y(k)為第k次的濾波器輸出值，為第k次濾波輸入值，n為采樣值個(gè)數(shù)。平均濾波的不足之處在于若測(cè)量次數(shù)過(guò)少，則精度較差；而增加測(cè)量次數(shù)的話，又會(huì)占用較長(zhǎng)的時(shí)間。實(shí)際上應(yīng)用時(shí)可對(duì)其進(jìn)行改進(jìn)，將N個(gè)采樣值中去掉最大的N/3個(gè)和最小的N/3個(gè)，再用剩下的采樣值進(jìn)行數(shù)字平均，它適合參數(shù)變化緩慢的過(guò)程，對(duì)強(qiáng)脈沖干擾及小隨機(jī)干擾較為有效。 (2)遞推平均濾波：周期性干擾的消除通常采用遞推平均濾波法，它是始終取最新的輸入信號(hào)的平均值作為濾波器的輸出，其遞推計(jì)算公式如下： （43）(3)一階遞推濾波：為了抑制現(xiàn)場(chǎng)輸入線路帶來(lái)的電磁干擾及測(cè)量變送器存在的交流噪聲，通常采用一階遞推濾波方法，也就是以數(shù)字形式實(shí)現(xiàn)低通濾波器的動(dòng)態(tài)濾波方法，在濾波常數(shù)要求較大的場(chǎng)合這種方法尤為適用。其形式為： （44）其中為濾波系數(shù)，為濾波時(shí)間常數(shù)。(4)滑動(dòng)平均濾波：這是算術(shù)平均濾波的一種改進(jìn)方式，即每采樣一次與最近的N－1次的歷史采樣值相加，然后用n去除，商就當(dāng)作當(dāng)前值。其特點(diǎn)是：當(dāng)前值總與歷史值有關(guān)，削弱了瞬態(tài)干擾的影響，對(duì)頻繁振蕩的干擾抑制能力強(qiáng)，和算術(shù)平均濾波法相比，反應(yīng)速度更快。其表達(dá)式為： （45）(5)加權(quán)平均濾波：即對(duì)采樣值乘以權(quán)系數(shù)再求均值，權(quán)系數(shù)在0～1之間取值，其和為1，其值應(yīng)根據(jù)具體情況來(lái)確定，一般采樣次數(shù)越靠后，取得比例就越大。若用最小二乘法求加權(quán)系數(shù)，則成為數(shù)值平滑濾波，它能使濾波后的數(shù)據(jù)按最小均方差逼近原始數(shù)據(jù)，對(duì)隨機(jī)干擾特別有效。用五點(diǎn)采樣時(shí)，它的中點(diǎn)值公式為： （46） (6)去除低頻干擾的濾波：極低頻干擾經(jīng)常會(huì)突破硬件的抗干擾措施進(jìn)入微機(jī)系統(tǒng)，對(duì)此我們常采用一段程序來(lái)模擬RC濾波器，其計(jì)算公式如下： （47） 其中稱(chēng)為濾波系數(shù)，是采樣周期，是濾波時(shí)間常數(shù)，由低頻率干擾的信號(hào)的頻率來(lái)選定，一般取a=。這種方法對(duì)周期性、脈沖性及頻率干擾有較強(qiáng)的抑制能力。(7)限速濾波：當(dāng)，??；當(dāng)，取。其中是由被控對(duì)象實(shí)際情況決定的兩次采樣允許的最大差值。這種方法用于抑制大的隨即干擾，要求過(guò)程變化緩慢。 采取軟件濾波可以消除傳感器通道中的干擾信號(hào)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中的誤差，可以獲得滿意的效果，但須根據(jù)信號(hào)的變化規(guī)律來(lái)選擇濾波數(shù)字模型和算法。本文研究的溫度控制系統(tǒng)由于A/D轉(zhuǎn)換器精度不高，℃，溫度值常出現(xiàn)上下跳動(dòng)，且傳感器通道經(jīng)常出現(xiàn)干擾，使溫度值劇烈變化，與實(shí)際過(guò)程變化緩慢的特性相違背。為了消除這些因素的影響，使采樣的精度更高，算法中采用了滑動(dòng)平均濾波和限速濾波相結(jié)合的方式，實(shí)踐表明經(jīng)過(guò)處理后的采樣溫度值變化更加平滑，且不會(huì)出現(xiàn)大幅度跳變，℃℃ 晶閘管模塊晶閘管本質(zhì)上是一種直流電力元件，在用于交流控制時(shí)，需要用一對(duì)反并聯(lián)的晶閘管或者雙向晶閘管元件，其結(jié)構(gòu)如圖：圖49 晶閘管模塊欲使晶閘管中通過(guò)交流電流，必須在每半個(gè)周期對(duì)元件進(jìn)行一次觸發(fā)。只有在元件中通過(guò)的電流大于擎住電流后，才能在去掉觸發(fā)脈沖后維持元件繼續(xù)導(dǎo)通；只有當(dāng)元件中通過(guò)的電流下降到維持電流以下時(shí)，元件才能關(guān)斷，并恢復(fù)阻斷能力；元件過(guò)零關(guān)斷后，必須再次進(jìn)行觸發(fā)才能重新導(dǎo)通。控制電加熱爐的溫度，只需控制發(fā)熱電流的大小而不必考慮其流向?？販厮镁чl管電路的任務(wù)是通過(guò)調(diào)壓來(lái)實(shí)現(xiàn)交流調(diào)功。通常，由晶閘管實(shí)現(xiàn)交流調(diào)壓的途徑有兩條：一是改變控制周期內(nèi)電壓波形的觸發(fā)角（從晶閘管開(kāi)始承受電壓到開(kāi)始導(dǎo)通之間的角度），稱(chēng)為調(diào)相；另一種是波形不變而改變其電壓波在控制周期內(nèi)出現(xiàn)的次數(shù)，稱(chēng)為脈沖調(diào)功。就觸發(fā)方式而言，前者為移相觸發(fā)，后者為過(guò)零觸發(fā)。移相觸發(fā)的優(yōu)點(diǎn)首先是輸出相對(duì)地連續(xù)、均勻而調(diào)節(jié)精細(xì)，適合于要求高精度的控溫場(chǎng)合，其次，調(diào)相輸出的波形雖不“規(guī)整”但卻正負(fù)半周對(duì)稱(chēng)，無(wú)直流成分，可直接用于電感負(fù)載，但其最大的缺點(diǎn)是大電流的切入造成對(duì)電網(wǎng)的沖擊，不規(guī)整的脈沖負(fù)載電流引起電網(wǎng)波形的畸變及對(duì)其它用電設(shè)備的中頻干擾，輸出的線性范圍窄而且線性度也不好，只能靠反饋來(lái)改善。過(guò)零觸發(fā)在調(diào)節(jié)的精細(xì)度和抗電源擾動(dòng)方面均不如移相觸發(fā)，但它最大的優(yōu)點(diǎn)是不對(duì)電網(wǎng)造成嚴(yán)重污染和干擾其它用電設(shè)備，而且電爐功率愈大，優(yōu)點(diǎn)愈突出。移相觸發(fā)方式中需要調(diào)節(jié)的是觸發(fā)角α或者導(dǎo)通角θ（晶閘管導(dǎo)通到過(guò)零關(guān)斷之間的角度，θ=πα）來(lái)改變負(fù)載電壓的有效值，觸發(fā)角越小，負(fù)載上的電壓有效值越大，反之，則越小。輸出電壓與α、θ的關(guān)系如式（47），其中U為電源電壓有效值。 （48）負(fù)載有效值電壓與某時(shí)刻加熱爐釋放的熱量有關(guān)系： ，R熱電阻元件電阻值 （49）為保證系統(tǒng)控制量u與輸出功率Q成正比，Q=ku，那么觸發(fā)角α與u的關(guān)系如下： （410）在控制器計(jì)算出控制量u后，要經(jīng)過(guò)上式求出觸發(fā)角α并輸出給觸發(fā)器觸發(fā)可控硅。過(guò)零觸發(fā)方式控制的是晶閘管導(dǎo)通比，即導(dǎo)通時(shí)間與周期之比，天然地有:Q=ku （411） 本章小結(jié)本章為PLC溫度控制系統(tǒng)硬件部分的設(shè)計(jì)。首先給出了加熱爐溫度控制裝置的基本構(gòu)成圖，并分別介紹了各個(gè)硬件部分的作用原理。下面還給出了模糊控制器的設(shè)計(jì)及其簡(jiǎn)化數(shù)學(xué)模型，并對(duì)模糊控制裝置中的模塊進(jìn)行了簡(jiǎn)要介紹。通過(guò)各個(gè)硬件部分的協(xié)調(diào)工作來(lái)完成本文工業(yè)加熱爐溫度的有效控制。5 PLC溫度控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) PLC流程設(shè)計(jì)PLC軟件指令控制部分主要由PID控制主程序與系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集子程序組成,主程序開(kāi)始后進(jìn)行初始化與儲(chǔ)備空間設(shè)置,然后掃描調(diào)用子程序,設(shè)置PID參數(shù),設(shè)定定時(shí)中斷的時(shí)間并開(kāi)中斷。系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集子程序首先開(kāi)中斷,之后進(jìn)行數(shù)據(jù)采樣以及采樣值的累加,在采樣環(huán)中設(shè)置累加次數(shù)并用計(jì)數(shù)器不斷判斷采樣次數(shù)是否達(dá)到設(shè)置值,若采樣次數(shù)達(dá)到設(shè)置值,則跳出循環(huán)返回其平均值,若采樣次數(shù)未達(dá)到設(shè)定值,則繼續(xù)完成采樣,直到返回平均,關(guān)中斷。這樣PLC不斷在主程序與子程序之間運(yùn)行,完成了系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)的采集以及PID控制算法的實(shí)現(xiàn)。控制部分主要使用PID控制器,其由比例、積分、微分控制環(huán)節(jié)組成,PID控制策略是一種廣泛采取的控制策略,應(yīng)用在基于PLC的數(shù)字控制系統(tǒng)中,可以有效的穩(wěn)定受控對(duì)象的輸出特性,并且有較快的反應(yīng)速度和反應(yīng)時(shí)間。PID參數(shù)的設(shè)計(jì)通常有三種方法:(1)在了解被控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型的前提下,推導(dǎo)受控對(duì)象的開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù),設(shè)計(jì)PID的參數(shù)滿足系統(tǒng)的階躍反應(yīng)對(duì)響應(yīng)時(shí)間和穩(wěn)定性的需求,并確保校正之后的系統(tǒng)的相角裕量和幅值裕量,使系統(tǒng)擁有較好的動(dòng)態(tài)特性。(2)在受控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型不明確的情況下,可以使用模型識(shí)別法,通過(guò)對(duì)系統(tǒng)發(fā)射階躍信號(hào),同時(shí)觀察系統(tǒng)輸出端信號(hào)的變化情況,從而識(shí)別出系統(tǒng)的傳遞函數(shù),并在此基礎(chǔ)上應(yīng)用PID參數(shù)設(shè)計(jì)。模型識(shí)別方法并不可能完全精確的識(shí)別受控對(duì)象的開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù),因此基于識(shí)別后系統(tǒng)所設(shè)計(jì)的參數(shù)有可能出現(xiàn)不準(zhǔn)確現(xiàn)象。(3)第三種方法是通過(guò)不斷實(shí)驗(yàn)修改三個(gè)控制參數(shù),比例環(huán)節(jié)控制系統(tǒng)的反應(yīng)速度,積分環(huán)節(jié)消除系統(tǒng)的靜態(tài)誤差和靜態(tài)擾動(dòng)誤差,微分環(huán)節(jié)提高系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能,當(dāng)發(fā)現(xiàn)受控系統(tǒng)的輸出的某個(gè)特性需要變化時(shí),改變響應(yīng)的參數(shù)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)響應(yīng)輸出特性的優(yōu)化,最終通過(guò)不斷實(shí)驗(yàn)得到系統(tǒng)最優(yōu)的控制結(jié)果。受控對(duì)象所收到的的靜態(tài)擾動(dòng)可以通過(guò)積分器作用予以消除,但當(dāng)所收到的擾動(dòng)并非是恒定量的靜態(tài)擾動(dòng)時(shí)比如空氣對(duì)流對(duì)室內(nèi)溫度的影響,這種對(duì)流信號(hào)即是一種狀態(tài)值隨機(jī)的物理量,需要設(shè)計(jì)前饋控制環(huán)節(jié),將擾動(dòng)引入PID控制環(huán)節(jié)之前,在其未作用之前將其影響予以消除。 軟件流程圖 初始化 溫度設(shè)計(jì)sp 啟動(dòng)加熱系統(tǒng)測(cè)爐溫并與sp比較 即（sppv） PID調(diào)節(jié) SCR 加熱爐測(cè)加熱爐溫度pv 判斷模塊是否正常 N Y圖51 加熱爐控制流程圖 控制算法由于溫度控制本身有一定的滯后性和慣性，這使系統(tǒng)控制出現(xiàn)動(dòng)態(tài)誤差。為了減小誤差提高系統(tǒng)控制精度，采用PID控制算法，另外考慮到系統(tǒng)的控制對(duì)象，采用增量型PID算法。 （51）式中e(n)、e(n1)、e(n2)為PID連續(xù)三次的偏差輸入。KP為比例放大系數(shù)T、TI、TD分別為采樣周期、積分時(shí)間、微分時(shí)間。當(dāng) 加熱爐剛啟動(dòng)加熱時(shí)，由于測(cè)到的爐溫為常溫，sppv＝△U為正值且較大，△U為PID調(diào)節(jié)器的輸入，此時(shí)PID調(diào)節(jié)器中P起主要作用，使SCR為最大 電壓給加熱爐加熱。當(dāng)加熱爐溫度達(dá)到指定值以上時(shí)，sppv＝△U為負(fù)值，經(jīng)PID調(diào)節(jié)，使SCR輸出電壓減小，加熱爐溫度降低。當(dāng)溫度正好達(dá)到 指定值時(shí)，△U為零PID不調(diào)節(jié)，此時(shí)SCR輸出的電壓正好平衡加熱爐消耗的熱量，系統(tǒng)達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡。 K型熱電偶分度電壓擬合（1）根據(jù)具體問(wèn)題，確定擬合多項(xiàng)式的次數(shù)為n。（2）由公式 （52） （53）計(jì)數(shù)出與（3）寫(xiě)出正規(guī)方程（4）解正規(guī)方程組 求出a0，a1，…，an（5）寫(xiě)出擬合公式多項(xiàng)式次多項(xiàng)式也叫作線性擬合。由上述方法可擬合出K分度電壓隨溫度變化公式為：V=（其中V為電壓，T為溫度）。此擬合公式是在溫度從0℃到 120℃之間變化的近似公式，因此正規(guī)方程只用到S0、SS2擬合的多項(xiàng)式次數(shù)為n＝1，電壓隨溫度的變化可近似為線性變化。如果溫度變化范圍比較大，則電壓隨溫度變化為非線性變化，上述電壓隨溫度變化公式需要重新擬合，擬合多項(xiàng)式的次數(shù)也必然大于2。 基于辨識(shí)的PID參數(shù)整定 系統(tǒng)辨識(shí)概述系統(tǒng)本身的特性決定了它能被控制的好壞程度，同時(shí)也決定了取得最佳效果所需的調(diào)節(jié)器整定值。在實(shí)際的工程問(wèn)題中，如果能知道系統(tǒng)被控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型，對(duì)于分析對(duì)象的動(dòng)態(tài)特征、改進(jìn)控制手段、提高控制的水平、降低生產(chǎn)成本都有極大的好處。因此系統(tǒng)建模是控制領(lǐng)域一個(gè)研究的重點(diǎn)。給控制對(duì)象建立數(shù)學(xué)模型的方法通常有三種：一種是通過(guò)理論分析建模，這種建模方法通過(guò)對(duì)實(shí)際系統(tǒng)對(duì)象作機(jī)理分析，從理論推導(dǎo)中找出其動(dòng)態(tài)方程或傳遞函數(shù)，從而得到系統(tǒng)的參數(shù)模型；第二種方法是系統(tǒng)辨識(shí)[18]；第三種方法則是前兩種的結(jié)合，即從理論分得出有關(guān)對(duì)象的結(jié)構(gòu)和階數(shù)信息，但其中含有未知信息，然后通過(guò)辨識(shí)的方法求出這些未知參數(shù)的數(shù)值。系統(tǒng)辨識(shí)是控制理論研究的一個(gè)重要分支，它是控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。所謂系統(tǒng)辨識(shí)就是通過(guò)測(cè)量被控對(duì)象或被辨識(shí)系統(tǒng)在給定作用輸入下的輸出響應(yīng)或正常運(yùn)行時(shí)的輸入輸出數(shù)據(jù)，加以必要的數(shù)據(jù)處理和數(shù)學(xué)運(yùn)算估計(jì)出系統(tǒng)的粗略數(shù)學(xué)模型?；蛘哒f(shuō)是在輸入和輸出數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，從一組給定的模型中確定一個(gè)與所測(cè)系統(tǒng)等價(jià)的模型。系統(tǒng)辨識(shí)可以離線進(jìn)行，也可以在線進(jìn)行，但都要經(jīng)歷如下的步驟：（1）根據(jù)辨識(shí)的目的，利用先驗(yàn)知識(shí)，初步確定模型結(jié)構(gòu)；（2）采集數(shù)據(jù)，進(jìn)行模型參數(shù)和結(jié)構(gòu)的辨識(shí)；（3）經(jīng)過(guò)驗(yàn)證最終獲得對(duì)象的模型。工業(yè)過(guò)程中，辨識(shí)的方法可分為兩類(lèi)：一類(lèi)是對(duì)非參數(shù)模型的辨識(shí)；一類(lèi)是參數(shù)模型的辨識(shí)。前一類(lèi)不必事先確定模型的具體結(jié)構(gòu)，只須假定過(guò)程為線性，就可辨識(shí)任意復(fù)雜的對(duì)象，它包括階躍響應(yīng)法、脈沖響應(yīng)法、頻率響應(yīng)法等。而后一類(lèi)必須給出一種模型結(jié)構(gòu)，然后通過(guò)極小化模型輸出和過(guò)程輸出的誤差來(lái)確定模型參數(shù)，最小二乘法、遞推法、極大似然法等都屬于這類(lèi)方法。多年來(lái)，對(duì)線性、非時(shí)變和具有不確定參數(shù)對(duì)象的辨識(shí)研究已取得很大的進(jìn)展，但被辨識(shí)對(duì)象模型結(jié)構(gòu)的選擇是建立在線性系統(tǒng)的理論基礎(chǔ)之上，對(duì)于復(fù)雜的非線性對(duì)象的辨識(shí)，一直未能很好地解決。而神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)理論和應(yīng)用的發(fā)展，為系統(tǒng)辨識(shí)開(kāi)辟了一條新的有效途徑。自1990年Nar