基于PLC的模糊變頻無級調速系統

陸靜逸，楊風，郭名君，李鵬

（中北大學，信息與通信工程學院 山西太原 030051）

0 引言

本文以三相異步電機為控制對象，將模糊控制與PLC相結合進行了分析，給出了控制方案，編寫了PLC控制梯形圖程序，構建了人機監控界面，利用PLC實現模糊控制，利用MEWNET專用協議建立了PLC與上位機數據庫之間的數據交換，通過MCGS組態軟件進入運行環境，實時地描繪出電機變頻無級調速的運行狀態，分析了模糊控制下的實時運行曲線，并與常規PID控制下的實時運行曲線進行了比較，證明了PLC與模糊控制相結合的變頻調速系統的調節性能相比常規的PID控制系統有了明顯的改善。

1 系統結構及硬件選型

本文主要設計開發一種基于PLC的模糊變頻無極調速系統，所以只需要一臺PLC、一臺變頻器、一臺三相異步電機即可，另外配以用于反饋轉速信號的旋轉編碼器以及用于實現組態監控的上位PC。控制結構圖如圖1所示。

圖1 系統結構圖

關于系統的硬件型號，本設計結合實驗室資源，選用松下系列的PLC及變頻器。各類硬件設備具體型號如表1所示。

表1 硬件型號表

2 設計與實現

本文中采用對電機的無級調速控制與基于PID調節的無級調速一樣，只是在對轉速的反饋誤差調節上有所不同[8]；基于軟件的模糊控制器不但控制精度高，靈活性也相對較好，與硬件模糊控制器相比，采用查表法，資源投入少。這里選用基于軟件的模糊控制器來實現對電機的模糊控制。

2.1 確定輸入輸出模糊變量

在對電機的轉速調節中，采用雙輸入單輸出的二維結構形式，即以轉速誤差e和誤差變化率ec作為輸入量，以PLC輸出脈沖的頻率的變化值u作為模糊控制的輸出量[10]。控制系統框圖見圖2。

圖2 控制系統框圖

PLC通過旋轉編碼器采樣獲取被控量的精確值，然后將此量與給定值進行比較得到誤差信號e和誤差變化率ec，把誤差和誤差變化率的精確量模糊化為模糊量E、EC，經過模糊推理得到模糊控制量U，進行解模糊得到控制量的精確值u，將此值與PLC原有的輸出脈沖值相加后送入變頻器，從而實現對電機的控制。

設計中誤差變化的基本論域為[-︱emax︱,︱emax︱]，誤差變化率的基本論域為[-︱ecmax︱,︱ecmax︱]，控制量的基本論域為[-︱umax︱,︱umax︱]。將模糊論域的量化等級n都設為6，則各輸入輸出變量的比例因子分別為 Ke=6/︱emax︱，Kc=6/︱ecmax︱，Ku=6/︱umax︱。結合專家和操作者的實踐經驗，確定在e上用以描述模糊子集{NB……PB}的隸屬函數，并據此建立語言變量E的賦值表、EC的賦值表和U的賦值表，如表2所示。

2.2 建立模糊控制狀態表

具體49條控制規則如下：

這些控制規則代表了這樣的經驗，即如果測量值離設定的目標很大并且具有很大的下降趨勢，則此時變頻器輸出值應取很大。將上述形式的49條控制規則語句制成一個表，即電機控制系統的模糊控制狀態表見表3。

表2 語言變量E的賦值表

表3 模糊狀態表

2.3 解模糊

根據上述模糊控制規則表取定的每一條模糊條件語句都相應地計算出模糊控制量U，由模糊推理合成規則，可得出這樣的關系：U=(E×EC)R，以此我們可以得出模糊控制查詢表見表4。

表4 模糊控制查詢表

在實際控制過程中，只要在每個控制周期中，將采集到的實測偏差e(k)（k=1，2…）和計算得到的偏差變化ec(k)（k=1，2…）乘以量化因子Ke和Kc，得到查表所需的相應論域元素中的E(i)和EC(i)，通過查找上表相應的列和行即可輸出所需的控制量變化U，再乘以比例因子Ku，得到的u便是被加到被控過程中實際控制量的變化值。

2.4 編制模糊控制算法應用程序

圖4 模糊算法程序

圖5 查詢表子程序

PLC模糊算法程序和查詢表子程序如圖4、圖5所示。系統啟動后，將量化因子Ke、Kc、Ku置入PLC中指定的數據寄存器中，再將采集到的數據經過換算后得到的e和ec的值置入PLC的數據寄存器中，經過量化處理后，根據其所對應的輸入模糊論域中的相應元素，查模糊控制查詢表，求得模糊輸出量，再乘以輸出量化因子即可得到實際輸出量，進而進行相應的電機系統控制[9]。

3 相關實驗結果

根據上述的理論分析以及實驗方案，將上位機與PLC通過串行通信方式連接，建立實時數據庫，設計組態軟件界面，并使組態軟件進入運行環境以實現對電機的遠程監控。組態完成界面如圖6所示。

圖6 無級調速監控界面

監控界面中設定值輸入框用于設置頻率的給定值；測量值輸入框用于實時顯示電機的實際運轉速度對應的頻率值；變頻器的輸出值用于顯示經過調節后輸送給電機的電壓頻率值。通過這3個輸入框中數據的實時對比情況，構建一個實時曲線窗口，通過這3個數值曲線的變化來分析電機的運行狀態及控制系統的性能，分析實驗結果。

當組態軟件進入運行環境后，基于PID控制的變頻無級調速實時曲線如圖7所示。

當頻率由10Hz增大為30Hz時，經過PLC程序的循環時間和PLC與上位機的通訊時間之后，變頻器的輸出值在PLC的控制下產生跳變，逐漸向新設定值逼近，變頻器輸出值的改變促使電機轉速隨之加快，這時用于反映電機轉速的測量值曲線也逐步的向30 Hz的目標逼近。

由圖7曲線變化可知，經過一段時間的穩定之后，設定值、測量值、變頻器的輸出值將會穩定在一個固定值，表明電機經過調節之后會穩定的運行在設定值附近。但是，從曲線的變化可以看出，電機轉速的穩定過程時間比較長，而且經過PID調節的變頻器輸出值有明顯的超調現象。

當組態軟件進入運行環境后，基于模糊控制的變頻無級調速實時曲線如圖8所示。

圖7 基于PID控制的變頻無級調速實時曲線圖

圖8 基于模糊控制的變頻無級調速實時曲線圖

為了與PID控制下的調節性能相比較，依舊以10Hz跳變為30Hz為例進行實驗。從實時監控到的曲線變化可以看出，采用模糊控制的監控曲線比采用PID調節的監控曲線有了明顯的改善，測量值和變頻器輸出曲線已經沒有明顯的超調現象，且曲線趨于穩定的時間也明顯的縮短。

4 結論

以三相異步電機為控制對象，將模糊控制與PLC相結合，利用PLC實現模糊控制，運行穩定可靠，控制精度高，靈活性也相對較好。通過實際運行調試，對電機的控制方案基本達到了預定設想，電機運行正常。模糊控制下無級調速的調速性能，通過對實時監控曲線的分析，結果表明采用模糊控制所達到的效果比采用PID調節的方式要好，不但使控制過程中消除了超調現象，而且轉速的穩定過程所需時間也有明顯減少，這種控制方式對于變頻調速系統性能的提高是明顯的。

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