论文基于模糊控制的PLC温度控制系统设计，本文是关于模糊控制相关自考开题报告范文和模糊控制和控制系统和温度有关电大毕业论文范文.
摘 要：随着现代工业的发展,工业生产过程中涉及到的被控制对象越来越复杂,加之大量不稳定性、时变性和不确定性的存在,基于精准数学模型的传统控制方法已经难以满足控制要求.模糊控制作为智能控制的一个分支,其高度的仿人类智能特性和不依赖精确数学模型的特点成为解决这类难控问题的一个重要方法.本文通过对模糊控制器设计过程的分析,提出了基于 PLC 实现模糊控制的设计方法,给出了 PLC 程序设计的算法流程图及输入量量化程序、模糊控制表查询程序等关键步骤的梯形图.仿真结果表明,用 PLC 实现的模糊控制器简单实用,具有较好的控制效果.
关键词：PLC；模糊控制；控制系统设计
随着现代工业的发展,工业生产过程中涉及到的被控制对象越来越复杂,加之大量不稳定性、时变性和不确定性的存在,基于精准数学模型的传统控制方法已经难以满足控制要求.模糊控制作为智能控制的一个分支,其高度的仿人类智能特性和不依赖精确数学模型的特点成为解决这类难控问题的一个重要方法.模糊控制器是一种新型控制器,其优点是不要求掌握受控对象的精确数学模型,而根据人工控制规则组织决策表,然后由该决策表决定控制量的大小.
PLC是集成了微电子技术、计算机技术和自动控制技术等新技术的新型工业控制装置,将模糊控制器与PLC结合起来,扬长避短,既具有模糊控制灵活而适应性强的优点,又具有PLC可靠性高、参数监控修改方便、通讯便捷等优点[1].
本文旨在将PLC和模糊控制系统有机地结合在一起,将模糊控制理论应用于工程实际,研究基于PLC的模糊控制器设计方法,分析模糊控制算法以及模糊控制器的设计步骤,使用PLC查表法与MATLAB系统仿真相结合的方法解决基于PLC的模糊控制器设计问题,并通过一个实际对象的控制算法仿真,验证该系统有较好的控制品质.采用 PLC来实现模糊控制,可充分利用PLC的计算性能,将使模糊控制在工业控制中发挥更大的作用[2].
一、模糊控制器概述
(一)模糊控制
随着国内外工业生产中涉及的被控对象越来越复杂、生产环节精度要求越来越高,工业生产逐渐向智能化、多环节、精确性的生产方式转变,模糊控制正是适应这一发展需求而诞生的.在实际生产过程中,温度、湿度等各种因素都会较大地干扰生产过程,然而却难以找到一个精确的、合适的数学模型去控制这些因素.
模糊控制是近代控制理论中建立在模糊集合基础上的一种基于语言规则与模糊推理的控制理论,它是智能控制的一个重要分支.模糊控制使用模糊数学的知识模仿人脑的思维方式,对模糊对象进行识别和判决,给出精确的控制量,对被控制对象进行控制.模糊控制系统的鲁棒性强,使干扰和参数变化对控制效果的影响被大大减弱,对于难于建立模型的控制对象不失为一种良好的控制方法,尤其适合于非线性、时变及纯滞后系统的控制[3].
(二)模糊控制器的基本结构
模糊控制器的结构类型主要依赖于被控过程和要求的控制质量.模糊控制涉及的应用领域非常广泛,因此控制器的结构也多种多样,可以按输入输出的数目、输入输出模糊集合的数目及其隶属度函数的形状、控制规则的形式、推理机的类型以及解模糊方法来划分.
(三)模糊控制器设计
1 模糊控制器结构选择
将操作经验或测试数据进行归纳总结,确定输入、输出变量和模糊控制器的结构是模糊控制器设计的首要任务.模糊控制器的结构对模糊控制性能影响很大,必须选择合适的结构.最常采用的是单变量二维模糊控制器,通常采用偏差e和偏差变化率ec作为输入变量,被控变量的变化u作为输出变量.
2 模糊化
模糊控制器只能够处理模糊集合的数据,然而,实际的参数却是精确量,因此必须对精确量进行模糊化.模糊化运算的作用是将输入的观测量映射到输入论域上的模糊集合.模糊化之前应该先尺度变换到相应论域.通过模糊化处理,用各自对应的模糊集合来表示模糊量.
3 模糊控制规则
模糊规则库是模糊控制的核心,体现了任何模糊控制算法的“智力”,是设计者的知识和经验被正确解释及组成恰当规集的枢纽.
4 模糊推理
模糊推理就是采用某种推理方法,根据输入和模糊控制规则产生控制量输出.由于模糊推理算法与很多因素有关,不同因素可以组合成很多种模糊推理算法,这使得模糊推理变得复杂,模糊控制器设计也十分灵活.模糊推理方法有Zadeh法、Baldwin法、Tsukamoto法等,常用有Mamdani模糊模型和Takagi-Sugeno（T-S）模型等.
5 解模糊化
模糊推理的结果产生输出模糊集合,而每个控制任务均要求模糊控制的输出为精确值,从输出模糊集合提取精确输出值的方法称为解模糊,其中按面积中心（COA）原理的计算方法是最常用的.
二、模糊控制算法的仿真
MATLAB具有简单、易学、界面友好和使用方便等特点,其基本单位是矩阵,它的表达式与数学、工程计算中常用的形式十分相似,被广泛用来研究与解决各种工程问题.Simulink是MATLAB的建模和仿真环境,包括了各个工具箱特有的模块,如模糊逻辑工具箱的模糊逻辑控制器模块.用户可以利用这些模块搭建起自己的系统并进行仿真,通过更改这些模块的参数提高系统的性能,最终得到符合自己设计要求的系统[4].本文模糊控制器的设计和仿真都是在simulink中完成的.
(一)控制对象模型
某现场有一个电烤箱,功率600W,工作范围为室温20℃~200℃,要求对它的温度进行控制,达到调节时间短、超调量为零且稳态误差较小等技术要求.理论分析和实验结果表明：电加热装置是一个具有自平衡能力的对象,可用二阶系统纯滞后环节来描述.然而,对于二阶振荡系统,通过参数辨识可以降为一阶模型,因而一般可用一阶惯性滞后环节来描述温控对象的数学模型.本系统中所用电烤箱数学模型为：
G（S）等于（k ·e-30s）/（144s+1）
(二)模糊控制算法仿真
在 Simulink 中创建电烤箱温度模糊控制模型如图1所示.
为了与模糊控制算法进行对比,先在 Simulink中创建电烤箱温度PID控制模型.通过不断调整PID参数,得到最佳仿真曲线如图2所示,其中Kp等于3,Ki等于0.028,Kd等于0,给定值为 100.由图可见调节时间ts等于350s,超调量σ约为10% ,稳态误差ess等于0.在 MATLAB 的模糊逻辑工具箱中构建如上图1的Mamdani型模糊控制器,分别输入变量e、ec、u的隶属度函数,通过调整三参数,得到最佳仿真曲线如图3所示,其中Ke等于0.1,Kec等于0.28,Ku等于260,给定值为100,ts等于90s ,σ等于0,ess等于4℃.
明显可看出,PID控制响应曲线超调量较大,调节时间ts较长,模糊控制策略可实现调节时间短、超调量为零、稳态误差较小以及强的抗干扰能力等的性能指标.在实际的工程应用中,可加入温度补偿器解决稳态误差的问题.
三、模糊控制的PLC 实现
(一)程序设计思路
为满足控制的实时性要求,节省在线实时计算工作量,具体设计时根据建立的模糊语言变量赋值表和模糊控制规则表,利用MATLAB预先编制程序进行模糊推理与模糊判决,建立离线的模糊控制查询表,按一定规律将其存放在PLC的存储单元中,程序设计流程见图4[5].
(二)模糊控制查询表查询程序设计
实现上述控制算法的关键在于解决输入量等级量化程序梯形图设计和查表获取模糊控制量的查表程序梯形图设计.查表程序设计利用变址寄存器V,通过采取基址+偏移地址+寻址的设计方法来实现.设e,ec的论域元素分别为X,Y,则输出控制量u的位置为：表首地址+7（X+3）+（Y+3）,具体梯形图见图5.
现场测试结果表明该设计的主要性能指标良好,基本达到了设计的要求,有较好的控制效果.
四、结束语
本文将模糊控制理论和工业控制相结合,在PLC上实现了模糊控制算法,采用了查询的方法将复杂的模糊控制计算融入查询表内,在实际控制过程中节省时间,使控制算法得到简化.该设计将PLC于模糊控制有机地结合起来,既具有PLC运行可靠、操作简单、开发灵活等特点,又提高了控制的智能化程度.对于那些控制精度和快速性要求都不太高的控制系统,模糊控制器是一种比较理想的控制方案.
参考文献
[1] 罗庚兴.基于S7-300PLC的模糊控制器的设计[J].电气自动化,2012（1）：22-24,30.
[2] 齐蓉,林辉,李玉忍,等.通用模糊控制器在PLC上的实现[J].工业仪表与自动化装置,2003（4）：23-25,51.
[3] 张宇.电加热器的模糊控制及其PLC实现[D]. 南昌：南昌大学,2005.
[4] 刘浩,韩晶.MATLAB R2014a完全自学手册[M].北京：电子工业出版社,2015.
[5] 龙迎春.基于PLC的模糊控制器的设计[J].微计算机信息,2006（10）：21-23.
本文总结，该文是一篇适合不知如何写模糊控制和控制系统和温度方面的模糊控制专业大学硕士和本科毕业论文以及关于模糊控制论文开题报告范文和相关职称论文写作参考文献资料.
参考文献：
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