【導讀】加熱爐隨著科學技術的發(fā)展和工業(yè)生產(chǎn)水平的提高，已經(jīng)在冶金、化工、機械等各類工業(yè)控制中得到廣泛的應用并且在國民經(jīng)濟中占有舉足輕重的地位。對于這樣一個具有非線性、大滯后、大慣性、時變性、升溫單向性等特點的被控對象很難用數(shù)學方法建立精確的數(shù)學模型，因此傳統(tǒng)的控制理論和方法很難到達好的控制效果。本文所設計的加熱爐溫度控制系統(tǒng)是由PLC控制系統(tǒng)實現(xiàn)的?；赑LC控制系統(tǒng)的設計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)濾波器進行信號處理使所得到的溫度信號更加精確和符合實際。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)的計算整定等用來保證硬件部分的正常有序的工作。

　　

【正文】 Y1為高溫顯示燈用來顯示溫度是否過高，Y2~Y5用來接溫度數(shù)據(jù)顯示，及時傳遞溫度的信息情況，Y6~Y9接數(shù)據(jù)顯示片選。 模糊控制器的設計本控制系統(tǒng)主要完成數(shù)據(jù)采集、溫度顯示、爐溫控制、故障檢測以及報警等功能，智能模糊控制器[5]由PLC完成，采用規(guī)則自尋優(yōu)的控制算法進行過程控制。加熱爐采用雙向可控硅控制，由PLC輸出通斷率控制信號，產(chǎn)生可控硅的過零觸發(fā)脈沖。簡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 溫度爐溫信號圖47 加熱爐溫度控制系統(tǒng)設計溫度控制算法時還需要將上述的原理圖簡化成模型圖（如圖48），以便于系統(tǒng)進行分析。模型中的控制器就是廣義的加載到計算機或微處理器上的控制算法，晶閘管模塊、電加熱爐、加熱對象一起歸為控制對象，而A/D轉(zhuǎn)換器、熱電偶[6]則構成反饋回路?？刂破鹘o定的溫度作為系統(tǒng)輸入信號r，傳感器檢測到的溫度作為輸出信號y，誤差e、控制信號u均在控制裝置里通過計算得到，最后經(jīng)過一系列轉(zhuǎn)換實現(xiàn)對熱工對象溫度的控制，這就形成了一個典型的反饋控制系統(tǒng)。控制裝置控制對象r e u y圖48 系統(tǒng)簡化模型 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，計算機接受到溫度信號后一般都需要進行數(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，對溫度信號一般采用以下幾種數(shù)字濾波的方法：(1)算術平均濾波：對于作用時間較短的快速干擾，可以通過數(shù)字平均濾波技術，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為采樣值個數(shù)。平均濾波的不足之處在于若測量次數(shù)過少，則精度較差；而增加測量次數(shù)的話，又會占用較長的時間。實際上應用時可對其進行改進，將N個采樣值中去掉最大的N/3個和最小的N/3個，再用剩下的采樣值進行數(shù)字平均，它適合參數(shù)變化緩慢的過程，對強脈沖干擾及小隨機干擾較為有效。 (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的平均值作為濾波器的輸出，其遞推計算公式如下： （43）(3)一階遞推濾波：為了抑制現(xiàn)場輸入線路帶來的電磁干擾及測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)字形式實現(xiàn)低通濾波器的動態(tài)濾波方法，在濾波常數(shù)要求較大的場合這種方法尤為適用。其形式為： （44）其中為濾波系數(shù)，為濾波時間常數(shù)。(4)滑動平均濾波：這是算術平均濾波的一種改進方式，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，商就當作當前值。其特點是：當前值總與歷史值有關，削弱了瞬態(tài)干擾的影響，對頻繁振蕩的干擾抑制能力強，和算術平均濾波法相比，反應速度更快。其表達式為： （45）(5)加權平均濾波：即對采樣值乘以權系數(shù)再求均值，權系數(shù)在0～1之間取值，其和為1，其值應根據(jù)具體情況來確定，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)，對隨機干擾特別有效。用五點采樣時，它的中點值公式為： （46） (6)去除低頻干擾的濾波：極低頻干擾經(jīng)常會突破硬件的抗干擾措施進入微機系統(tǒng)，對此我們常采用一段程序來模擬RC濾波器，其計算公式如下： （47） 其中稱為濾波系數(shù)，是采樣周期，是濾波時間常數(shù)，由低頻率干擾的信號的頻率來選定，一般取a=。這種方法對周期性、脈沖性及頻率干擾有較強的抑制能力。(7)限速濾波：當，?。划?，取。其中是由被控對象實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)信號的變化規(guī)律來選擇濾波數(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，且傳感器通道經(jīng)常出現(xiàn)干擾，使溫度值劇烈變化，與實際過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，算法中采用了滑動平均濾波和限速濾波相結(jié)合的方式，實踐表明經(jīng)過處理后的采樣溫度值變化更加平滑，且不會出現(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，需要用一對反并聯(lián)的晶閘管或者雙向晶閘管元件，其結(jié)構如圖：圖49 晶閘管模塊欲使晶閘管中通過交流電流，必須在每半個周期對元件進行一次觸發(fā)。只有在元件中通過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)導通；只有當元件中通過的電流下降到維持電流以下時，元件才能關斷，并恢復阻斷能力；元件過零關斷后，必須再次進行觸發(fā)才能重新導通?？刂齐娂訜釥t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管電路的任務是通過調(diào)壓來實現(xiàn)交流調(diào)功。通常，由晶閘管實現(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（從晶閘管開始承受電壓到開始導通之間的角度），稱為調(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)，后者為過零觸發(fā)。移相觸發(fā)的優(yōu)點首先是輸出相對地連續(xù)、均勻而調(diào)節(jié)精細，適合于要求高精度的控溫場合，其次，調(diào)相輸出的波形雖不“規(guī)整”但卻正負半周對稱，無直流成分，可直接用于電感負載，但其最大的缺點是大電流的切入造成對電網(wǎng)的沖擊，不規(guī)整的脈沖負載電流引起電網(wǎng)波形的畸變及對其它用電設備的中頻干擾，輸出的線性范圍窄而且線性度也不好，只能靠反饋來改善。過零觸發(fā)在調(diào)節(jié)的精細度和抗電源擾動方面均不如移相觸發(fā)，但它最大的優(yōu)點是不對電網(wǎng)造成嚴重污染和干擾其它用電設備，而且電爐功率愈大，優(yōu)點愈突出。移相觸發(fā)方式中需要調(diào)節(jié)的是觸發(fā)角α或者導通角θ（晶閘管導通到過零關斷之間的角度，θ=πα）來改變負載電壓的有效值，觸發(fā)角越小，負載上的電壓有效值越大，反之，則越小。輸出電壓與α、θ的關系如式（47），其中U為電源電壓有效值。 （48）負載有效值電壓與某時刻加熱爐釋放的熱量有關系： ，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的關系如下： （410）在控制器計算出控制量u后，要經(jīng)過上式求出觸發(fā)角α并輸出給觸發(fā)器觸發(fā)可控硅。過零觸發(fā)方式控制的是晶閘管導通比，即導通時間與周期之比，天然地有:Q=ku （411） 本章小結(jié)本章為PLC溫度控制系統(tǒng)硬件部分的設計。首先給出了加熱爐溫度控制裝置的基本構成圖，并分別介紹了各個硬件部分的作用原理。下面還給出了模糊控制器的設計及其簡化數(shù)學模型，并對模糊控制裝置中的模塊進行了簡要介紹。通過各個硬件部分的協(xié)調(diào)工作來完成本文工業(yè)加熱爐溫度的有效控制。5 PLC溫度控制系統(tǒng)軟件設計 PLC流程設計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,主程序開始后進行初始化與儲備空間設置,然后掃描調(diào)用子程序,設置PID參數(shù),設定定時中斷的時間并開中斷。系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集子程序首先開中斷,之后進行數(shù)據(jù)采樣以及采樣值的累加,在采樣環(huán)中設置累加次數(shù)并用計數(shù)器不斷判斷采樣次數(shù)是否達到設置值,若采樣次數(shù)達到設置值,則跳出循環(huán)返回其平均值,若采樣次數(shù)未達到設定值,則繼續(xù)完成采樣,直到返回平均,關中斷。這樣PLC不斷在主程序與子程序之間運行,完成了系統(tǒng)對數(shù)據(jù)的采集以及PID控制算法的實現(xiàn)?？刂撇糠种饕褂肞ID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)定受控對象的輸出特性,并且有較快的反應速度和反應時間。PID參數(shù)的設計通常有三種方法:(1)在了解被控對象的數(shù)學模型的前提下,推導受控對象的開環(huán)傳遞函數(shù),設計PID的參數(shù)滿足系統(tǒng)的階躍反應對響應時間和穩(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)擁有較好的動態(tài)特性。(2)在受控對象的數(shù)學模型不明確的情況下,可以使用模型識別法,通過對系統(tǒng)發(fā)射階躍信號,同時觀察系統(tǒng)輸出端信號的變化情況,從而識別出系統(tǒng)的傳遞函數(shù),并在此基礎上應用PID參數(shù)設計。模型識別方法并不可能完全精確的識別受控對象的開環(huán)傳遞函數(shù),因此基于識別后系統(tǒng)所設計的參數(shù)有可能出現(xiàn)不準確現(xiàn)象。(3)第三種方法是通過不斷實驗修改三個控制參數(shù),比例環(huán)節(jié)控制系統(tǒng)的反應速度,積分環(huán)節(jié)消除系統(tǒng)的靜態(tài)誤差和靜態(tài)擾動誤差,微分環(huán)節(jié)提高系統(tǒng)的動態(tài)性能,當發(fā)現(xiàn)受控系統(tǒng)的輸出的某個特性需要變化時,改變響應的參數(shù)可以實現(xiàn)對響應輸出特性的優(yōu)化,最終通過不斷實驗得到系統(tǒng)最優(yōu)的控制結(jié)果。受控對象所收到的的靜態(tài)擾動可以通過積分器作用予以消除,但當所收到的擾動并非是恒定量的靜態(tài)擾動時比如空氣對流對室內(nèi)溫度的影響,這種對流信號即是一種狀態(tài)值隨機的物理量,需要設計前饋控制環(huán)節(jié),將擾動引入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 溫度設計sp 啟動加熱系統(tǒng)測爐溫并與sp比較 即（sppv） PID調(diào)節(jié) SCR 加熱爐測加熱爐溫度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、積分時間、微分時間。當 加熱爐剛啟動加熱時，由于測到的爐溫為常溫，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。當加熱爐溫度達到指定值以上時，sppv＝△U為負值，經(jīng)PID調(diào)節(jié)，使SCR輸出電壓減小，加熱爐溫度降低。當溫度正好達到 指定值時，△U為零PID不調(diào)節(jié)，此時SCR輸出的電壓正好平衡加熱爐消耗的熱量，系統(tǒng)達到動態(tài)平衡。 K型熱電偶分度電壓擬合（1）根據(jù)具體問題，確定擬合多項式的次數(shù)為n。（2）由公式 （52） （53）計數(shù)出與（3）寫出正規(guī)方程（4）解正規(guī)方程組 求出a0，a1，…，an（5）寫出擬合公式多項式次多項式也叫作線性擬合。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，擬合多項式的次數(shù)也必然大于2。 基于辨識的PID參數(shù)整定 系統(tǒng)辨識概述系統(tǒng)本身的特性決定了它能被控制的好壞程度，同時也決定了取得最佳效果所需的調(diào)節(jié)器整定值。在實際的工程問題中，如果能知道系統(tǒng)被控對象的數(shù)學模型，對于分析對象的動態(tài)特征、改進控制手段、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)建模是控制領域一個研究的重點。給控制對象建立數(shù)學模型的方法通常有三種：一種是通過理論分析建模，這種建模方法通過對實際系統(tǒng)對象作機理分析，從理論推導中找出其動態(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[18]；第三種方法則是前兩種的結(jié)合，即從理論分得出有關對象的結(jié)構和階數(shù)信息，但其中含有未知信息，然后通過辨識的方法求出這些未知參數(shù)的數(shù)值。系統(tǒng)辨識是控制理論研究的一個重要分支，它是控制系統(tǒng)設計的基礎。所謂系統(tǒng)辨識就是通過測量被控對象或被辨識系統(tǒng)在給定作用輸入下的輸出響應或正常運行時的輸入輸出數(shù)據(jù)，加以必要的數(shù)據(jù)處理和數(shù)學運算估計出系統(tǒng)的粗略數(shù)學模型?；蛘哒f是在輸入和輸出數(shù)據(jù)的基礎上，從一組給定的模型中確定一個與所測系統(tǒng)等價的模型。系統(tǒng)辨識可以離線進行，也可以在線進行，但都要經(jīng)歷如下的步驟：（1）根據(jù)辨識的目的，利用先驗知識，初步確定模型結(jié)構；（2）采集數(shù)據(jù)，進行模型參數(shù)和結(jié)構的辨識；（3）經(jīng)過驗證最終獲得對象的模型。工業(yè)過程中，辨識的方法可分為兩類：一類是對非參數(shù)模型的辨識；一類是參數(shù)模型的辨識。前一類不必事先確定模型的具體結(jié)構，只須假定過程為線性，就可辨識任意復雜的對象，它包括階躍響應法、脈沖響應法、頻率響應法等。而后一類必須給出一種模型結(jié)構，然后通過極小化模型輸出和過程輸出的誤差來確定模型參數(shù)，最小二乘法、遞推法、極大似然法等都屬于這類方法。多年來，對線性、非時變和具有不確定參數(shù)對象的辨識研究已取得很大的進展，但被辨識對象模型結(jié)構的選擇是建立在線性系統(tǒng)的理論基礎之上，對于復雜的非線性對象的辨識，一直未能很好地解決。而神經(jīng)網(wǎng)絡理論和應用的發(fā)展，為系統(tǒng)辨識開辟了一條新的有效途徑。自1990年Nar