祁 鯤 厲 虹

（北京信息科技大學(xué)自動化學(xué)院，北京 100192）

工業(yè)生產(chǎn)過程中，溫度控制十分常見，特別是在鋼鐵冶煉、化工精餾、生物發(fā)酵、藥品生產(chǎn)等工業(yè)生產(chǎn)中占有非常重要的地位[1-4]，然而溫度控制具有非線性、純滯后、大慣性、難以準(zhǔn)確控制的特點(diǎn)，傳統(tǒng)控制方法調(diào)節(jié)時(shí)間長、超調(diào)大、控制精度低，在溫度控制精度要求較高的場合無法達(dá)到理想的控制效果；同時(shí)一些較為復(fù)雜的先進(jìn)控制算法，如遺傳算法、預(yù)測控制、模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制等，能夠獲得較好的控制效果[4-11]，但內(nèi)容抽象，理論性強(qiáng)，缺乏相應(yīng)的試驗(yàn)研究平臺。為此本文設(shè)計(jì)了基于PLC（可編程控制器）的溫度控制仿真試驗(yàn)平臺，并在Visual Basic編程環(huán)境下建立了監(jiān)控界面。

1 試驗(yàn)平臺基本結(jié)構(gòu)

基于PLC的溫度控制系統(tǒng)原理如圖1所示，包括PLC、輸出控制電路、加熱爐、溫度檢測電路等部分；在自動化程度較高的場合，設(shè)置了上位計(jì)算機(jī)進(jìn)行系統(tǒng)監(jiān)控。其中，輸出控制電路根據(jù)PLC輸出值實(shí)現(xiàn)對燃?xì)忾y開度或燃料輸送量的控制；溫度檢測部分一般為溫度傳感器及其轉(zhuǎn)換電路，將檢測到的實(shí)際溫度值傳送給PLC。在本試驗(yàn)平臺中，采用OMRON CP1E型PLC實(shí)現(xiàn)控制算法；作為被控對象的加熱爐則由上位機(jī)在 Visual Basic編程環(huán)境下仿真實(shí)現(xiàn)，參數(shù)可以根據(jù)實(shí)際情況設(shè)定；相應(yīng)的輸出控制電路和溫度檢測電路則由PLC和上位機(jī)之間的直接數(shù)據(jù)交換替代。

圖1 溫度控制系統(tǒng)原理圖

2 監(jiān)控界面設(shè)計(jì)

考慮對各類PLC的兼容性，試驗(yàn)平臺基于Visual Basic編程環(huán)境設(shè)計(jì)了上位機(jī)監(jiān)控界面。該界面提供友好的人機(jī)交互功能，如參數(shù)設(shè)定、數(shù)據(jù)顯示、曲線繪制、數(shù)據(jù)存儲等。如圖2所示，整個(gè)界面分為圖像區(qū)、參數(shù)設(shè)置與數(shù)據(jù)顯示區(qū)、命令發(fā)布區(qū)、系統(tǒng)說明區(qū)四個(gè)部分。界面的最上方是圖像區(qū)，包括溫度曲線實(shí)時(shí)繪制、加熱爐模型示意、溫度計(jì)動畫顯示等。在界面中部的參數(shù)設(shè)置與數(shù)據(jù)顯示區(qū)可進(jìn)行加熱爐模型參數(shù)（K、TD、τ）和控制系統(tǒng)參數(shù)（TC、T）的設(shè)定，并可以實(shí)現(xiàn)設(shè)定溫度、當(dāng)前溫度、誤差溫度的實(shí)時(shí)顯示。命令發(fā)布區(qū)可發(fā)布不同的命令以實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的控制：“加熱爐模型階躍響應(yīng)”鍵將自動繪制系統(tǒng)所設(shè)定加熱爐模型的階躍響應(yīng)曲線，可作為控制器設(shè)計(jì)的參考；“仿真控制”鍵可調(diào)用平臺自身基于Visual Basic實(shí)現(xiàn)的控制程序進(jìn)行仿真控制（這里預(yù)設(shè)了大林算法控制程序，用戶可自行修改），可對比驗(yàn)證控制器設(shè)計(jì)效果；“PLC控制”鍵將調(diào)用在PLC控制器中所設(shè)計(jì)控制程序的運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示。系統(tǒng)說明區(qū)在界面的下方，對系統(tǒng)信息如加熱爐模型的傳遞函數(shù)、期望的閉環(huán)控制系統(tǒng)傳遞函數(shù)以及上位機(jī)與PLC的數(shù)據(jù)交換地址等進(jìn)行說明。該界面力求形象生動、信息完整，具有良好的可視性、操作性、通用性。

圖2 監(jiān)控界面

3 加熱爐對象模擬

其差分方程為

式（2）即為加熱爐的差分模型。根據(jù)此方程可在 Visual Basic編程環(huán)境下實(shí)現(xiàn)對加熱爐模型的仿真模擬。試驗(yàn)平臺計(jì)算子程序流程圖如圖3所示。

圖3 計(jì)算子程序流程圖

4 控制范例

如文獻(xiàn)[1-3，10-11]所述，基于PLC的溫度控制算法有很多，本文以大林算法為例實(shí)現(xiàn)溫度控制。1968年Dahlin針對工業(yè)生產(chǎn)過程中遇到的含純滯后控制對象提出了一種具有消除余差和對純滯后有補(bǔ)償作用的算法。大林算法的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則是，以大林算法為核心的數(shù)字控制器，使閉環(huán)系統(tǒng)的特性為具有時(shí)間滯后的一階慣性環(huán)節(jié)，且滯后時(shí)間與被控對象的滯后時(shí)間相同[12]。

大林算法在PLC中實(shí)現(xiàn)的流程如圖4所示。需要注意的是，為實(shí)現(xiàn)精確控制，應(yīng)在PLC中采用浮點(diǎn)運(yùn)算，但是在PLC與上位機(jī)的參數(shù)傳遞中整型數(shù)據(jù)較為方便和快捷，因此數(shù)據(jù)發(fā)送方可以將含有小數(shù)的數(shù)值在數(shù)據(jù)傳遞前擴(kuò)大一定的倍數(shù)，然后作為整型數(shù)據(jù)傳遞，數(shù)據(jù)接收方收到數(shù)據(jù)后再將數(shù)據(jù)縮小相同的倍數(shù)以恢復(fù)原值。

圖4 基于PLC的大林算法流程圖

在試驗(yàn)平臺中設(shè)置系統(tǒng)參數(shù)如下：加熱爐模型純滯后時(shí)間常數(shù)τ=5s，比例系數(shù)K=100，慣性時(shí)間常數(shù)TD=10s；期望的閉環(huán)控制系統(tǒng)慣性時(shí)間常數(shù)TC=2s；系統(tǒng)采樣周期T=0.1s。將設(shè)定溫度分別設(shè)置為200℃、360℃時(shí)運(yùn)行PLC大林算法控制程序，得到的溫度曲線截圖如圖5（a）、（b）所示，其超調(diào)量分別為 0.8℃和 1.3℃，溫度調(diào)節(jié)穩(wěn)態(tài)誤差均為0.0℃。從運(yùn)行結(jié)果可以看出，將大林算法應(yīng)用于基于PLC的加熱爐溫度控制系統(tǒng)中，響應(yīng)速度快，超調(diào)量小，穩(wěn)態(tài)溫差小；并且其控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，根據(jù)需要可以很好的應(yīng)用到工業(yè)控制中。

圖5 大林算法溫度控制響應(yīng)曲線

5 結(jié)論

該試驗(yàn)平臺充分利用 Visual Basic的軟件優(yōu)勢開發(fā)了基于PLC的溫度控制系統(tǒng)監(jiān)控界面，使之具有良好的可視性、操作性；并且Visual Basic語言具有較好的通用性，能夠很方便的實(shí)現(xiàn)與其他類型PLC或其他控制器的兼容。本文給出了大林算法溫度控制范例，達(dá)到了較好的控制效果；同時(shí)該平臺還可以用來實(shí)現(xiàn)其他先進(jìn)控制算法如模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制等，具有一定的開放性。

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