摘 要：本文構建了基于PC-based自動化控制系統(tǒng)新型結構，針對帶夾套加熱爐溫度系統(tǒng)的慣性大、非線性、數(shù)學模型難以建立等特點，提出了模糊控制策略，給出了系統(tǒng)解決方案，實現(xiàn)了加熱爐溫度系統(tǒng)的有效控制。 關鍵詞：PC-based自動化; 模糊控制; 溫度控制系統(tǒng) 1 引言 　　帶夾套的加熱爐在工業(yè)現(xiàn)場和高校的過程控制實驗室廣泛應用，但普遍存在著慣性大、非線性、參數(shù)時變、數(shù)學模型難以建立等特點，采用傳統(tǒng)的PID控制難以滿足現(xiàn)場的要求。本設計針對加熱爐溫度控制的特點與難點，構建了PC-based的溫度控制系統(tǒng)新型結構，提出了模糊智能控制策略，對帶夾套加熱爐的溫度實現(xiàn)了有效的控制。這種基于PC-based自動化控制系統(tǒng)新型結構，特別適合于溫度、壓力、流量等過程控制系統(tǒng);適合于工業(yè)企業(yè)培訓中心、高等院校實踐教學的工程技術人才培養(yǎng)，具有一定的推廣與應用價值。 2 基于PC-based溫度系統(tǒng)組成 　　基于PC-based的現(xiàn)場總線溫度控制系統(tǒng)結構如圖1所示。上位機（或工業(yè)PC）裝有INTELLUTION FIX32監(jiān)控軟件、BECKHOFF PC-based自動化工控軟件，完成系統(tǒng)的控制程序設計，實施模糊控制算法;系統(tǒng)工況監(jiān)視，參數(shù)設定，數(shù)據(jù)采集，趨勢顯示，打印報表等功能。控制器采用PC-based智能控制模塊，由帶Profibus通訊的總線耦合器，K1408開關量輸入模塊，K2424開關量輸出模塊，K3052模擬量輸入模塊，K4022模擬量輸出模塊，結尾模塊等組成，完成系統(tǒng)的啟動、停止、保護控制;并輸出控制量控制晶閘管調功器的導通角，來控制加熱器上電壓的高低;接收加熱爐溫度變送器的現(xiàn)場檢測信號，構成溫度閉環(huán)控制系統(tǒng)。現(xiàn)場被控對象由帶夾套加熱爐（有內膽和外膽）、水系統(tǒng)、加熱器、pt100溫度檢測等組成。 　　基于PC-based的現(xiàn)場總線溫度控制系統(tǒng)的優(yōu)點：（1）PC機（或工業(yè)PC）存儲空間大、可視化好、運行速度快和豐富的軟件資源，可采用VC++、VB、軟PLC等多種語言進行程序設計，易于實現(xiàn)復雜的控制算法、遠程診斷、上位監(jiān)控與控制系統(tǒng)功能;（2）開放的現(xiàn)場總線Profibus通訊方式，傳輸速率快;（3）系統(tǒng)的實時性好，執(zhí)行任務的時間短。 [align=center] 圖1 加熱爐溫度系統(tǒng)結構圖[/align] 3 模糊控制器的設計 　　3.1 設計思想 　　加熱爐溫度控制系統(tǒng)方框圖如圖2所示，由模糊控制器、晶閘管調功器、加熱爐和溫度變送器等組成。溫度給定量R[sub]T[/sub]與溫度反饋量y[sub]T[/sub]比較后得到誤差信號e和誤差變化率信號ec。經(jīng)過將e和ec模糊化，建立模糊控制規(guī)則，模糊關系集與推理合成，模糊決策等過程，得到清晰化的模糊控制器輸出的控制量U[sub]K[/sub]，來控制晶閘管調功器的導通角，從而控制加熱爐內膽加熱器上的電壓，實時控制溫度被控量Y[sub]T[/sub]。 [align=center] 圖2 加熱爐溫度控制系統(tǒng)方框圖[/align] 　　3.2 模糊控制算法 　　模糊控制器選用雙輸入單輸出控制方式，以溫度誤差e和誤差變化率ec作為輸入變量，以U[sub]k[/sub]作為輸出變量。模糊子集為E=EC=U[sub]K[/sub]=｛NB，NM，NS，ZE，PS，PM，PB｝=﹛負大，負中，負小，零，正小，正中，正大﹜，其論域為e=ec=u[sub]K[/sub] ｛-3，-2，-1，0，1，2，3｝，或寫成e：[-X[sub]e[/sub]，X[sub]e[/sub]], 變化率ec:[ -X[sub]ec[/sub]，X[sub]ec[/sub]]， u[sub]K[/sub]：[-Y[sub]u[/sub]，Y[sub]u[/sub]]。隸屬度函數(shù)采用三角分布函數(shù)，如圖3所示。 [align=center] 圖3 隸屬度函數(shù)[/align] 　　根據(jù)實際經(jīng)驗總結得到49條推理語言規(guī)則，采用if— then語句表達形式，得到控制變量U[sub]K[/sub]的模糊控制規(guī)則表，如表1所示。 　　（1）if E is NB and EC is NB then U[sub]K[/sub] is PB; 　　（2）if E is NB and EC is NM then U[sub]K[/sub] is PB; 　　┇ 　　（49）if E is PB and EC is PB then U[sub]K[/sub] is NB。 [align=center]表1 模糊控制規(guī)則表 [/align] 　　根據(jù)模糊規(guī)則歸納出模糊關系，采用Mamdani的模糊推理與合成運算，得到對應U[sub]K[/sub]論域元素的μ[sub]UK[/sub]（E，EC）的隸屬度，采用加權平均法進行解模糊運算，得到清晰化的控制量U[sub]k[/sub] 。 　　3.3 控制程序設計 　　在PC-based工控軟件平臺上采用軟PLC的ST語言進行控制程序設計，包括主程序、模糊控制算法、中斷服務程序、操作與報警程序等。通過現(xiàn)場總線Profibus與總線耦合器進行信息交互，程序運行，算法實施等。模糊控制算法流程圖如圖4所示。 [align=center]　　 圖4 模糊控制算法流程圖[/align] 4 實際控制效果 　　采用FIX32組態(tài)軟件進行了上位監(jiān)控系統(tǒng)的設計，包括工藝組態(tài)、爐溫監(jiān)視、趨勢顯示、事件報警、記錄打印等五個功能模塊，直接反映加熱爐的工作狀態(tài)、變化趨勢及實時控制等狀況。當內膽溫度給定值為50℃時，從監(jiān)控系統(tǒng)的歷史趨勢中直接看出，Y[sub]T[/sub]被控量的控制精度在±1.5℃以內，在不同的位置加擾動，系統(tǒng)克服擾動的能力較強，內膽溫度輸出特性如圖5所示。 [align=center] 圖5 加不同擾動的加熱爐溫度輸出特性[/align] 5 結束語 　　系統(tǒng)的創(chuàng)新點是采用了基于PC-based的溫度控制系統(tǒng)新型結構、模糊控制策略和現(xiàn)場總線Profibus通訊技術;充分利用了PC機 速度快、可視化好、易于實現(xiàn)復雜的模糊控制算法的優(yōu)點，使系統(tǒng)的實時性與魯棒性好。通過軋鋼廠培訓中心和高校過程控制實驗室的溫度控制應用實踐，證明了該系統(tǒng)方案具有較好的控制效果。 參考文獻： 　　[1] 劉惠康,等. 通孔井式加熱爐模糊控制研究，微計算機信息，2006年7期，62—64頁。 　　[2] 何衍慶. 工業(yè)生產(chǎn)過程控制. 化學工業(yè)出版社. 2004年 　　[3] 高東杰. 應用先進控制技術. 國防工業(yè)出版社. 2003年 　　基于PC-based的溫度智能控制系統(tǒng)研究資料下載