基于PLC的熱封溫度模糊控制運用

【摘要】PLC作為主控制器可以擁有傳統的控制系統的控制功能，同時也可以通過它來實現擴展智能模塊的方式，以達到對系統的溫度控制、閉環控制以及位置控制等等以適應比較靈活的工業控制的需要。PLC的特點包含了高集成性、高效性、很強的抗干擾性、靈活的組態形式，這使得它成為了現代工業控制中廣泛采用的主控制器。我們把PLC當做控制器，在進行溫度的模糊控制的時候，利用先進的溫度控制算法再加上步進電機控制模塊，再通過PLC的串口通訊來與PC機連接，可以構成一個操作十分便捷的界面友好的溫度控制系統。

【關鍵詞】PLC;溫度模糊控制

一、前言

在工業生產中，溫度是一個最為常見的過程變量參數之一。溫度的影響因素很多而且非常復雜，導致了溫度控制無法采用線性分析，而且它又有慢時變、純滯后等等的特點，所以人們無法對它進行有效的控制，所以我們研究出模糊控制來大致準確得把握溫度的變化，從而做到控制的目的。

目前很多產品都對熱封制袋有著很大的需求，由于受到不同因素的影響，導致熱封切刀的溫度不穩定，沒有較強的抗干擾能力，切口也不美觀，而且由于溫控對象難以建立準確的數學模型[1]，所以結合PLC的綜合控制能力，對熱封的溫度進行模糊控制，使熱封可以在不同的環境下，做出合理熱封溫度的判斷，這樣做可以大大減輕人工壓力，同時保障了產品的可靠性，有著比較強的應用價值。

二、模糊控制

1.模糊系統的概念

模糊控制這個概念的提出，主要是由于一些變量的影響因素比較多，所以采用模糊控制可以比較準確得反映出變量的變化規律，從而對其進行控制。模糊控制將不再依賴研究對象的數學模型，它是比較模糊的邏輯，有著比較強大的抽象能力以及強大的非線性處理能力。這種控制的方法對過程參數的變化以及物理過程沒有較為詳細的監控，但是得出的分析結果卻與實際相差不大，所以模糊控制在實際控制系統中有著很廣泛的應用。

通過上圖我們可以看出，r代表系統的設定值，e表示了系統的誤差，而誤差變化率是ec，E、EC、U三個量是系統誤差、誤差變化以及控制量的模糊量，u控制模糊控制器的作用，y是系統的輸出。

2.模糊控制規則

模糊控制器有兩個輸入量，誤差e和誤差變化ec，模糊控制就是根據監測到的溫度與設定值比較得出偏差，從而調整輸出控制量u。

模糊規則有一個原則：控制的初期，由于誤差相對比較大，需要選擇效果比較明顯的控制作用，從而減緩上升空間，使精度提高;控制的中期，由于誤差比較小，可以考慮效果中等的控制作用，可以減小超調的發生，較快得過渡系統;控制的后期，由于誤差已經接近設定閥值，需要選擇比較小的控制作用，有的情況中甚至關閉控制作用，從而減小超調，以防止系統出現震蕩。

模糊規則的輸出量是模糊量，無法直接對它進行進行輸出，所以還需要對輸出結果進行解模糊，這里就不過多敘述

三、熱封系統

1.熱封系統的組成

熱封是熱封切刀機械運動完成的，刀片的溫度是旋轉變壓器旋鈕調整的。熱封切刀的材質是鐵鉻鋁合金，它安裝在氣缸執行機構上，它有一個可調式變壓器作為電源。塑料膜的后端有一個由PLC控制的交流異步電機。與變壓器相連接的熱封切刀在電流通過的時候，刀片被持續加熱，當溫度達到了切割的溫度時候，信號會通過回路傳送到PLC，PLC再通過控制連接到熱封切刀的氣缸，通過一系列的傳動可以完成切割塑料袋并且熱封的整個動作。如果熱封切刀的溫度超過了工作溫度時，需要斷開加熱切刀的加熱電源，也就是變壓器，待切刀的溫度降低后再重新使用。

2.系統的軟件設計

系統的軟件主要的組成有主要功能模塊、寄存器的設置、溫度的信號采集、數據的處理以及儲存。根據PLC的Hostlink協議，波特率設置是9600B/s，設置無奇偶校驗，8位數據位[2]。參照下圖。

四、熱封的模糊控制

1.PID控制

現在的自動控制技術基本上都建立在負反饋的基礎上的，反饋的理論主要包羅了監測、比較以及執行的三個方面。對被控對象進行監測，與設定的理想值進行比較后，通過對誤差的處理來調整系統。PID系統就是通過這種方式來對系統進行控制的系統之一。PID控制系統應用范圍很廣，使用比較靈活，而且非常簡單易懂，只需要設定三個參數，即比例系數kp，積分時間常數TI，以及微分時間常數TD。而大多數情況下只需要其中的一兩個單元就可以完成控制。

工業過程中很多過程都是非線性以及時變的，只有不斷的簡化才可以變成可以線性處理的系統，PID便可以對其進行控制。PID參數較為容易確定，只需要參考三個有關變量進行及時整定就可以，但是如果過程發生動態特性變化，PID的參數需要重新確定。

2.熱封溫度模糊控制

選擇PID控制與模糊控制相結合的方式，通過分工來對溫度進行控制。在大誤差范圍內采用模糊控制的方法，而對于誤差比較小的情況就切換到PID控制，切換開關通過軟件實現，首先對程序設定一個誤差的允許范圍，在運行時，系統查詢是否達到誤差要求，判斷結果控制控制器進行適當的轉換[3]。

3.系統數學模型

設熱封切刀以及環境都會獲得熱流Φ。如果熱封切刀的質量為m，比熱是C，環境的溫度是t0，熱封切刀的溫度設為T，散熱系數為h，表面積為A，熱流率定為Q，熱封切刀的吸收熱量是周圍環境的散熱還有制袋吸收的熱量之和，即：

在平衡點附近的線性化可以得到：

將上面兩個式子進行歸化：

上式中，ΔT是切刀的溫度變化，T0=mC/hA是切刀的時間常數，K=Ku/hA是傳熱系數。通過拉普拉斯變換等等可以將上式變化成：

上式中τ是切刀的滯后時間，代表了切刀溫度變化落后電壓的變化。

上圖是系統仿真模型圖，下圖是階躍響應曲線。

t=800s的時候，加入擾動，響應過程由下圖所示：

五、結語

由于模糊控制不依賴對象的數學模型，有著很強的模糊邏輯的能力，可以較為抽象得處理非線性的情況，同時由于采用模糊控制，所以不必對一些復雜的過程變量過多考慮，對于溫度這一個變量來說，由于受到環境、時間、材質等等各種因素影響，無法很準確的把握，所以采用模糊控制是比較方便的控制手段。本設計采用了模糊控制的方式，可以減小誤差與上升時間，保證了精度的基礎上擁有良好的抗干擾能力，有著很強的應用價值。

參考文獻

[1]李霞.制袋機溫度控制系統的研究[D].武漢.2005（2）： 24-25.

[2]原佳寧，孟焯.棉麻改性中微波去除殘余介質的模糊控制系統研究[J].制造業自動化，2012（10）：79-83.

[3]李士勇.模糊控制[M]哈爾濱.哈爾濱工業大學出版社，2011：73-97.

作者簡介：

包毅（1981—），男，廣西柳州人，大學本科，畢業于武漢科技大學，廣西大學電氣工程學院工程碩士（在讀），工程師，研究方向：過程控制及信息化。