基于PLC的PWM與溫度模糊控制的烤箱控制系統

鄭艷鵬, 王志剛， 李彬彬， 胥 飛， 徐鵬輝， 郭 興

(上海電機學院 電氣學院, 上海 201306)

基于PLC的PWM與溫度模糊控制的烤箱控制系統

鄭艷鵬, 王志剛， 李彬彬， 胥 飛， 徐鵬輝， 郭 興

(上海電機學院 電氣學院, 上海 201306)

研究了基于可編程邏輯控制器(PLC)的脈沖寬度調制(PWM)與溫度模糊控制的烤箱控制系統。加熱模式采用高、中、低3檔自動調節進行加熱。該系統選用PLC觸摸屏一體機作為納米碳加熱材料控制器，利用PWM和溫度模糊控制來控制納米碳加熱模組。樣機實驗表明，溫度控制精度高，超調量小，可用于多種工業溫度控制場合。

脈沖寬度調制； 模糊溫度控制； 溫度傳感器； 多功能電表

工業領域中，可編程邏輯控制器(Programmable Logic Controller，PLC)具有可靠性高、抗干擾能力強、編程簡單、功能強大、性價比高、使用方便等優點，被廣泛應用于現代化的工業控制領域中[1-2]。目前，常用的加熱控制方法有脈沖寬度調制(Pulse Width Modulation，PWM)、比例-積分-微分控制(Proportion-Integral-Derivative，PID)、模糊控制3種方法，它們各有優、缺點，被應用于不同的控制場合。其中，PWM控制的加熱速度快，但超調量大、控制精度不高，常應用于控制精度不高的場合[3-4]；PID控制的參數難以確定，在過程控制中常會發生大超調[5-6]，但是隨著時間的增加，會逐漸趨于穩定，故加熱時間較長，一般用于對加熱時間沒有要求的場合；模糊控制對參數變化的適應性較強，在對象模型發生較大改變時也能獲得較好的控制效果，一般用于控制精度較高的場合[7-8]。

由于烤箱溫度控制具有較大的時滯性和時變性，繼電器控制方法很難得到理想的控制效果[9，11]。本文比較了上述3種加熱控制方法，研究了一種新型的PWM與溫度模糊控制相結合的烤箱控制系統，并使用了一種加熱時間短、升溫速度快、功耗低、綠色環保的新型的納米碳加熱材料[10]。通過將PWM與溫度模糊控制相結合的控制方法與PWM、模糊溫度控制方法進行仿真比較，結果表明，本文方法控制新穎、靈活，溫控精度高，可用于多種控制場合。

1 烤箱控制系統設計

烤箱采用的供電電壓為380 V，頻率為50 Hz，功率為12 kW，采用高、中、低3檔(即全功率的90%、60%、15%)自動調節進行加熱，加熱的最高溫度為250 ℃?？鞠淇刂葡到y要求能精確地實現加熱時間控制和溫度控制，即從室溫加熱到目標溫度并趨于穩定的時間要求為15 min，溫度精度要求為±1℃。

1.1 控制系統結構

本文設計的12 kW烤箱的控制系統由PLC觸摸屏一體機、溫度傳感器、多功能電表、固態繼電器、納米碳模組等組成，如圖1所示。圖中，Y1為PWM的輸出。

圖1 12 kW烤箱的控制系統框圖

控制系統中，納米碳模組是一種由導電的納米碳發熱膜[11]與絕緣導熱體(如石英玻璃、陶瓷等)經過高溫燒結為一體的結構，可直接進行熱傳導，加熱均勻，熱交換面積大，電熱轉換效率達96%以上，且性能穩定，啟動電流平穩，對電路無沖擊，耐電壓沖擊、安全可靠，電壓適用范圍6～380 V(AD/DC)，使用于合理溫度下，壽命是電阻絲的10倍以上，因此被廣泛應用。

烤箱溫度控制實現過程如下：當操作人員通過PLC觸摸屏設定烤箱目標溫度TSV后，烤箱開始運行，溫度傳感器以一定頻率采集烤箱實際溫度TPV，并與TSV進行比較，得出箱內溫度偏差E和偏差的變化率EC，即

E=TSV—TPV

EC=dE/dt

(1)

E和EC作為輸入進入PLC；PLC經內部運算后輸出一定寬度的脈沖信號，以通過控制納米碳模組的通斷時間，進而控制烤箱溫度。如此循環，整個系統控制過程閉環運行。

1.2 溫度模糊控制算法

烤箱溫度控制系統復雜，建模困難，傳統的控制方法難以建立其精確的數學模型[12-13]。本文使用模糊控制的方法來實現對烤箱的溫度控制。模糊控制的基本思想是根據操作人員手動控制的經驗，總結出一套完整的控制規則，再根據系統當前的運行狀態，經過模糊推理、模糊判決等運算計算出控制量，實現對被控對象的控制[14-15]。

在烤箱溫度控制系統中，選用E和EC作為模糊控制器的輸入，控制量ΔU作為輸出。E、EC和ΔU的評價變量模糊子集均定義為{負大(NB)，負中(NM)，負小(NS)，零(0)，正小(PS)，正中(PM)，正大(PB)}，語言變量的基本論域均定義為{-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5，6}。E和EC由實際范圍轉化為對應論域的公式為

(2)

式中，a、b分別為實際變化下限值、上限值。

本文采用三角函數作為隸屬度函數。根據烤箱實際工況和專家經驗，得出模糊控制規則如表1所示。

表1 模糊控制規則

依據表1的控制規則確定模糊控制關系為

R=R1∪R2∪R3…∪Rn,i=1,2,…,n

其中，Ri=(Ei×ECi)×ΔUi；Ei、ECi、ΔUi分別為E、EC、ΔU的模糊化集合。

基于推理合成規則，由E和EC的論域{-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5，6}，根據評價E和EC的賦值表求取相應的評價變量控制量的模糊集合，即ΔU=(E×EC)R,從而取得以論域{-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5，6} 的元素表示的烤箱加熱時間變化量ΔUi；然后，采用最大隸屬度法進行模糊判決，得到烤箱加熱時間的實際變化量ΔU′。

在烤箱溫度模糊控制系統中，模糊控制算法是整個系統的關鍵，在 PLC中實現。溫度模糊控制實現過程如下：先由控制系統進行采樣，由執行單元計算E和EC，并轉化到相應的論域值；然后，通過查詢模糊控制規則表得到ΔU，進而得到ΔU′，根據ΔU′控制納米碳發熱模組的加熱時間，從而實現對烤箱溫度的調節。其實現流程如圖2所示。

1.3 PWM調功原理

Y1的輸出時序如圖3所示。圖中，ts為脈沖的固定周期時間。通過改變開通時間ton來改變Y1的脈沖寬度，脈沖寬度越大，功率越大。PWM控制思想是控制ton，使其分低、中、高3檔給固態繼電器輸入端控制信號，來控制固態繼電器輸出端的導通與通斷時間，使烤箱開始或停止加熱，最終實現加熱在高溫(90%功率)、中溫(60%功率)、低溫(15%功率)3個檔位。

圖2 模糊控制算法

圖3 Y1的輸出時序

1.4 PWM與模糊控制的組合控制

為了實現烤箱控制系統對加熱時間與精度的雙重控制，本文將PWM與模糊溫度控制相結合，圖4所示為PWM與模糊溫度控制相結合的控制總體流程。由圖可見，在加熱過程中，系統可自動切換3個加熱檔位，使加熱的時間、溫度等精度得到提高。

2 仿真分析

本文利用中達優控公司研發的人機界面編程軟件YKHIM，設計了烤箱的人機操作界面圖，如圖5所示。利用該界面可以讀取A、B、C相電壓，設置目標溫度、顯示當前溫度；當電壓過低時，能及時報警，并顯示報警信息。

圖4 PWM+模糊控制程序流程圖

圖5 烤箱人機界面

利用YKHIM軟件分別對PWM控制、模糊溫度控制控制，以及本文研究的PWM與模糊溫度控制相結合的控制方法進行仿真實驗，圖6給出了3種控制方法的溫度響應曲線。

由圖可見，PWM控制中，系統從開始加熱到溫度穩定約36 min，加熱速度快，溫度穩定需要的時間長，超調量大，存在許多不利因素；模糊溫度控制中，系統從開始加熱到溫度穩定約30 min，加熱速度有所減慢，但溫度穩定需要的時間仍然較長，超調量減小，控制精度高；PWM與模糊溫度控制相結合的控制方法，加熱時間明顯縮短，加熱速度快，約8 min就可以加熱到目標溫度，12 min就能趨于穩定，時間明顯縮短，且溫度超調量小，控制精度高。由此可見，PWM與模糊溫度控制相結合的控制方法具有較大的優越性。

(a) PWM控制

(b) 模糊溫度控制

(b) PWM與模糊溫度控制相結合

表2給出了3種控制方法的參數對比表。由表可見，PWM控制時的加熱速度雖然很快，但是達到穩定的時間較長，超調量大，控制精度低；而模糊溫度控制時，雖然控制精度較高，且超調量小，但加熱速度慢，且達到溫度穩定的時間較長，故可用于對加熱速度沒有要求的場合；而PWM與模糊溫度控制相結合時，加熱速度快，達到穩定的時間短，超調量小，控制精度高，可用于多種控制要求的場合，能夠滿足系統的控制要求。

表2 溫度控制參數對比表

3 結 語

本文選用PLC觸摸屏一體機作為納米碳加熱材料控制器，并利用PWM與溫度模糊控制相結合的控制方法來控制納米碳加熱模組。將PWM和溫度模糊控制相結合的控制方法與PWM、模糊溫度控制方法進行仿真比較，結果表明，本文方法控制新穎、靈活，溫控精度高，可用于多種控制場合。

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PWM Control Based on PLC and Temperature Fuzzy Control

ZHENGYanpeng,WANGZHIGang，LIBinbin，XUFei,XUPenghui，GUOXing

(School of Electrical Engineering, Shanghai Dianji University, Shanghai 201306,China)

An oven control system using pulse width modulation (PWM) and temperature fuzzy control based on PLC are studied. The heating mode adopts automatic adjustment of three speeds: high, medium and low. The system use a PLC touch screen as a controller for the nanometer carbon heating material, and uses PWM and temperature fuzzy control to control the nanometer carbon heating module. Experimental results show that the temperature control precision is high, and the overshoot is small. The method can be used in many situations for industrial temperature control.

pulse width modulation (PWM); fuzzy temperature control; temperature sensor; multi-function meter

2017 -06 -28

鄭艷鵬(1989-)，男，碩士生，主要研究業方向為電氣工程， E-mail：2679934629@qq.com

王志剛(1979-)，男，實驗師，主要研究方向為電氣自動化，E-mail: wangzg@sdju.edu.cn

2095 - 0020(2017)06 -0348 - 05

TP 273.4

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