基于PLC的線性插值模糊控制器的設(shè)計(jì)

摘要：通過對噴淋式除塵系統(tǒng)采用的常規(guī)模糊控制器在實(shí)際應(yīng)用中存在的問題進(jìn)行分析，提出一種分段線性插值的設(shè)計(jì)方法，并將該方法在模糊控制器中應(yīng)用。該設(shè)計(jì)采用PLC及其常規(guī)DI／DO模塊組成的模糊控制器，用STL指令實(shí)現(xiàn)其控制功能。最后在噴淋式除塵系統(tǒng)中進(jìn)行應(yīng)用，并和常規(guī)模糊控制器的控制效果進(jìn)行比較。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明：分段線性插值模糊控制器能縮短系統(tǒng)調(diào)節(jié)時(shí)聞，提高模糊控制器的控制精度，具有一定的實(shí)用價(jià)值。
關(guān)鍵詞：STL指令；模糊控制；PLC；分段線性插值

    模糊控制器指的是應(yīng)用模糊集合理論，統(tǒng)籌考慮控制的一種控制方式，它具有不需要建立控制對象的數(shù)學(xué)模型、能夠很好地克服控制系統(tǒng)中模型參數(shù)變化和非線性等不確定因素等優(yōu)點(diǎn)，得到廣泛的應(yīng)用。模糊控制是利用輸入輸出數(shù)據(jù)和人們的控制經(jīng)驗(yàn)來實(shí)現(xiàn)控制，適用于高度非線性系統(tǒng)，且對過程和參數(shù)的變化有較強(qiáng)的抗干擾性能，魯棒性好。但是由于常規(guī)模糊控制器只能實(shí)現(xiàn)有差調(diào)節(jié)，在控制精度要求較高的控制過程中，很難滿足實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)的要求。
    大氣污染是隨著現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展、煤炭和石油燃料的迅猛增長而產(chǎn)生的。為了達(dá)到控制污染的目的，需要采取措施使粉塵等顆粒狀污染物在排放到大氣中之前就被除去。濕式除塵是現(xiàn)代工業(yè)中重要的空氣凈化手段之一。隨著我國工業(yè)迅猛發(fā)展和工業(yè)部門排放標(biāo)準(zhǔn)提高，傳統(tǒng)濕式除塵系統(tǒng)難以滿足現(xiàn)代工業(yè)過程的需求。對濕式除塵器采用的常規(guī)模糊控制器進(jìn)行改造，勢在必行。本文設(shè)計(jì)的線性插值模糊控制除塵系統(tǒng)就是針對以上情況研發(fā)設(shè)計(jì)的。

1 常規(guī)除塵系統(tǒng)控制精度差的原因分析
    在工業(yè)過程控制領(lǐng)域中，被控對象不同程度地存在純滯后環(huán)節(jié)。由于純滯后環(huán)節(jié)的存在，使控制系統(tǒng)超調(diào)量變大，調(diào)節(jié)時(shí)間變長，影響控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性。純滯后環(huán)節(jié)產(chǎn)生的原因有：物料在管道或容器中傳輸及運(yùn)送時(shí)間較長、調(diào)節(jié)器與執(zhí)行機(jī)構(gòu)反應(yīng)慢且動(dòng)作時(shí)間長、測量裝置(傳感器)的時(shí)間滯后、各類控制設(shè)備串連在一起等。由于純滯后環(huán)節(jié)的存在使得被控量不能及時(shí)反映控制信號(hào)的動(dòng)作，控制信號(hào)的作用只
能在延遲之后，才能反映到被控量；另一方面，當(dāng)對象受到外界干擾而引起被控量改變時(shí)，控制器產(chǎn)生的控制作用不能及時(shí)對干擾產(chǎn)生抑制作用，導(dǎo)致系統(tǒng)產(chǎn)生波動(dòng)，嚴(yán)重時(shí)甚至影響整個(gè)生產(chǎn)過程。因此，含有純滯后環(huán)節(jié)的閉環(huán)控制系統(tǒng)必然存在較大的超調(diào)量σ％和較長的調(diào)節(jié)時(shí)間ts，對工業(yè)控制系統(tǒng)具有較大的危害性。
    常規(guī)噴淋式除塵系統(tǒng)是工業(yè)過程中常見的大滯后系統(tǒng)，其產(chǎn)生純滯后環(huán)節(jié)的原因有：水在管道及儲(chǔ)水池中傳輸及運(yùn)送的時(shí)間較長，壓力變送器信號(hào)傳輸時(shí)間較長，變頻器、水泵與除塵器動(dòng)作時(shí)間長等。由于純滯后環(huán)節(jié)的存在，使得系統(tǒng)的超調(diào)量變大，調(diào)節(jié)時(shí)間變長，在實(shí)際應(yīng)用過程中很難滿足實(shí)時(shí)性的要求。臨汾熱電有限公司輸煤控制系統(tǒng)采用的噴淋式除塵系統(tǒng)，在實(shí)際應(yīng)用過程中容易造成除塵器噴水量過大，導(dǎo)致煤粉濕度較大，產(chǎn)生堵煤、皮帶溢水等問題，影響電廠的整個(gè)發(fā)電過程。目前電廠的除塵系統(tǒng)普遍采用常規(guī)模糊控制器控制，基本原理如圖1所示，模糊控制系統(tǒng)原理圖如圖2所示。

    常規(guī)除塵系統(tǒng)將實(shí)際測量壓強(qiáng)e、壓強(qiáng)給定值與壓強(qiáng)測量值偏差△e的精確量進(jìn)行尺度變換(分別乘以量化因子ke、k△e)，使其變換到各自的論域范圍，再由模糊語言變量的賦值表，確定輸入量的模糊化結(jié)果E、△E，并用相應(yīng)的離散模糊集合來表示。該方法在離散的有限域上進(jìn)行模糊控制器的設(shè)計(jì)，離散論域定義為：{-n，-(n-1)，…，-1，0，1，…，(n-1)，n}。一般來說離散論域劃分為7個(gè)等級，即{負(fù)大，負(fù)中，負(fù)小，零，正小，正中，正大}。
    常規(guī)模糊控制器采用離散論域范圍，導(dǎo)致其在控制上容易產(chǎn)生死區(qū)，進(jìn)而造成穩(wěn)態(tài)誤差。另外常規(guī)模糊控制器查表法將輸出△u離散化，導(dǎo)致其控制作用不連續(xù)，造成穩(wěn)態(tài)誤差和較大的超調(diào)量。通過對臨汾熱電有限公司噴淋式除塵系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中存在的缺陷分析得知：1)調(diào)節(jié)時(shí)間ts過長，ts≈30 min；2)系統(tǒng)超調(diào)量σ％較大，仿真結(jié)果是σ％≈5％。
    為了減小噴淋式除塵系統(tǒng)調(diào)節(jié)時(shí)間和降低系統(tǒng)超調(diào)量，以提高該系統(tǒng)的控制速度和控制精度，對其采用的常規(guī)模糊控制器進(jìn)行改造，非常重要。

2 分段線性插值提高模糊控制穩(wěn)態(tài)精度
    由以上分析得知，消除控制點(diǎn)附近的控制死區(qū)并使其控制作用連續(xù)是減小模糊控制器穩(wěn)態(tài)誤差的關(guān)鍵。為了使算法簡單，易于在PLC上實(shí)現(xiàn)，本文采用分段線性插值計(jì)算全部離散論域范圍內(nèi)控制輸出的方法，即保持常規(guī)模糊控制器的設(shè)計(jì)方法不變，在線運(yùn)行時(shí)不再進(jìn)行量化處理后直接查表，而是對所有的輸入信號(hào)都以查詢表為基礎(chǔ)進(jìn)行分段線性插值計(jì)算，得出相應(yīng)的控制輸出量u’。對于二維模糊控制器，其分段線性插值算法如圖3所示。

    在圖3中，u(i,j)，u(i+1,j)，u(i,j+1)，u(i+1,j+1)表示控制表中4個(gè)任意相鄰的控制輸出點(diǎn)。橫向?yàn)閷?shí)際測量壓強(qiáng)e的變化方向，縱向?yàn)閴簭?qiáng)給定值與壓強(qiáng)測量值偏差△e的變化方向。
    設(shè)某一時(shí)刻的輸入為u’(e，△e)，如圖3所示：u’在查詢表4個(gè)相鄰點(diǎn)之間的較小范圍內(nèi)可以采用分段線性插值，即
   
  
    式中，ηmn為權(quán)系數(shù)。根據(jù)模糊控制器的設(shè)計(jì)規(guī)則，加權(quán)的權(quán)系數(shù)定義應(yīng)該滿足以下原則：


3 分段線性插值模糊控制器的PLC實(shí)現(xiàn)方法
3．1 程序設(shè)計(jì)流程圖
    模糊控制流程如圖4所示。

3．2 模糊控制查詢表程序設(shè)計(jì)
    為了簡化程序設(shè)計(jì)，對輸入量加一個(gè)偏移量6，使得輸入量論域從[-6，6]轉(zhuǎn)換到[0，12]。將模糊控制查詢表中的元素按從左到右、從上到下的順序依次置入PLC的VW200～VW369存儲(chǔ)區(qū)中。尋址方式采取基址+偏移地址尋址的方式，求得最終控制量地址是200+E+△E。
    PLC實(shí)現(xiàn)模糊控制查詢表的程序(用STL語言表示)如下：
   
   

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析
    對本文提出的分段線性插值模糊控制算法進(jìn)行了仿真實(shí)驗(yàn)，并與傳統(tǒng)模糊控制器進(jìn)行比較。仿真實(shí)驗(yàn)中選取工業(yè)過程中常見的二階純滯后控制對象，其傳遞函數(shù)為。采樣周期t=1s，采用單位階躍輸入信號(hào)。仿真結(jié)果如圖5所示。

    系統(tǒng)仿真結(jié)果表明：分段線性插值算法的控制超調(diào)量σ％趨近于0％，達(dá)到很高的控制精度；系統(tǒng)的上升時(shí)間、調(diào)節(jié)時(shí)間均明顯優(yōu)于常規(guī)模糊控制算法。

    改造前與改造后的噴淋式除塵系統(tǒng)的各項(xiàng)性能指標(biāo)對比如表1所示。在實(shí)際應(yīng)用中改造后的除塵系統(tǒng)模糊控制輸出比較平穩(wěn)，系統(tǒng)上升時(shí)間tr、調(diào)節(jié)時(shí)間ts和超調(diào)量σ％均明顯優(yōu)于改造前的噴淋式除塵系統(tǒng)。在電廠試運(yùn)行階段，除塵系統(tǒng)性能穩(wěn)定，未出現(xiàn)輸煤皮帶溢水、輸煤管道賭煤等現(xiàn)象，運(yùn)行效果良好，與系統(tǒng)仿真結(jié)果一致。

5 結(jié)束語
    本文提出的線性插值模糊控制器具有響應(yīng)速度快、穩(wěn)態(tài)精度高等優(yōu)點(diǎn)，算法簡單，易于實(shí)現(xiàn)。將線性插值模糊控制算法應(yīng)用于PLC輸煤程控系統(tǒng)中的噴淋式除塵系統(tǒng)，既保留了PLC控制系統(tǒng)可靠、抗干擾強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，又提高了控制系統(tǒng)的智能化程度。