基于PLC白灰回轉(zhuǎn)窯的模糊PID控制系統(tǒng)

摘 要：通過活性白灰回轉(zhuǎn)窯PLC生產(chǎn)線工藝分析，對系統(tǒng)硬件進(jìn)行了配置，分析設(shè)計(jì)了模糊PID控制器，并給出了自適應(yīng)模糊推理與優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，經(jīng)編程在PLC環(huán)境下實(shí)現(xiàn)，經(jīng)過運(yùn)行效果良好。
關(guān)鍵詞：PLC，模糊PID，回轉(zhuǎn)窯，壓力

1、引 言

活性白灰作為煉鋼關(guān)鍵原料之一，石灰窯的自動化控制的水平和可靠性直接關(guān)系到活性白灰的質(zhì)量及能耗。根據(jù)實(shí)際的工況，本系統(tǒng)采用PLC控制技術(shù)結(jié)合模糊PID控制算法，并采用現(xiàn)場總線技術(shù)以及工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)來實(shí)現(xiàn)活性白灰回轉(zhuǎn)窯生產(chǎn)過程的自動化。

2、回轉(zhuǎn)窯工藝及硬件配置

2.1 工藝流程簡介

活性白灰回轉(zhuǎn)窯生產(chǎn)工藝流程如圖1所示，主要煅燒生石灰石，豎式預(yù)熱利用煙氣預(yù)熱，回轉(zhuǎn)窯采用焦?fàn)t煤氣與空氣燃燒比煅燒，最后成品的過程。

圖1 回轉(zhuǎn)窯工藝流程圖

2.2 PLC 控制系統(tǒng)硬件配置

活性白灰生產(chǎn)主要自動化控制系統(tǒng)采用施耐德公司的Premium 系列PLC 進(jìn)行控制，其PLC 控制系統(tǒng)設(shè)兩個(gè)獨(dú)立的主機(jī)架和一個(gè)I/O 擴(kuò)展機(jī)架。一個(gè)PLC 主機(jī)架控制電氣系統(tǒng)，另一個(gè)主機(jī)架與I/O 擴(kuò)展機(jī)架控制熱工系統(tǒng)。人機(jī)接口采用3 臺上位工業(yè)控制計(jì)算機(jī)。PLC 與2 臺上位工控機(jī)之間采用標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)以太網(wǎng)方式互連。

其中電氣系統(tǒng)PLC，開關(guān)量輸入通道數(shù)96 個(gè)，占用83 個(gè)，備用輸入通道13 個(gè)；開關(guān)量輸出通道數(shù)64 個(gè)，占用46 個(gè)，備用輸出通道18 個(gè)。其中，儀表系統(tǒng)PLC，模擬量輸入總端口數(shù)80 個(gè)，占用端口66 個(gè)，備用端口14 個(gè)；模擬量輸出4 口，占用輸出端口4 個(gè)。

據(jù)此對電氣系統(tǒng)PLC 及儀表系統(tǒng)PLC 配置為(Schneider)PLC 的Modicon TSX Quantum 如下：主機(jī)CPU 為TSXP57303M(2)、開關(guān)量模塊TSXDEY32D2K(3) 、TSXDSY32T2K(2)、模擬量模塊TSXAEY810(7)、TSXAEY414(6)、TSXASY410(1)，另外配置有電源、網(wǎng)絡(luò)、擴(kuò)展等模塊。

3、模糊PID 原理分析及設(shè)計(jì)

活性白灰回轉(zhuǎn)爐燃燒系統(tǒng)焦?fàn)t煤氣集氣管壓力為對象進(jìn)行研究，集氣管壓力模糊控制結(jié)構(gòu)如圖2 所示。集氣管壓力P 為被控制量，集氣管上的蝶閥開度為控制量，控制精度為50 士1OPa。該系統(tǒng)為恒值控制系統(tǒng)。

?圖2 集氣管壓力控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖
在實(shí)際系統(tǒng)中，選取壓力的誤差和誤差變化率為模糊控制器的輸入語言變量。采用局
域增量型模糊控制算法，以消除誤差，且超調(diào)量較??；當(dāng)誤差超出范圍后，采用直接控制輸
出，以使誤差快速減小。
(1)誤差和誤差變化率的求取
設(shè)系統(tǒng)要求的給定壓力為r，實(shí)測的集氣管壓力為P，則取被控制量的誤差和誤差變
化率為:
( ) ( )
( ) ( ) ( 1)
e n p n r
e n e n e n
= ?
Δ = ? ?
都為精確量。
(2)模糊化
設(shè)誤差、誤差變化率和控制輸出的增量模糊化所對應(yīng)的語言變量分別為E,EC 和△U，
則對它們的論域定義如下:
E 的模糊集為: {NB，NM, NS，NO，P0，PS，PM, PB}
分別表示{負(fù)大，負(fù)中，負(fù)小，負(fù)零，正零，正小，正中，正大}
EC 和△U 的模糊集為: {NB，NM, NS，0，PS，PM，PB}
分別表示{負(fù)大，負(fù)中，負(fù)小，零，正小，正中，正大}
E 和EC 的論域?yàn)?{-6，-5，-4，-3，-2，一1, 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6}
DU 的論域?yàn)?{-7，-6，-5，-4，-3，-2，一1, 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7}
這樣將輸入分為13 種狀態(tài)，設(shè)誤差和誤差變化率的量化值為e′ 和△ e′ ，則有:
e′ = int(ke ×e + 0.5)
int( 0.5) c Δe′ = k ×Δe +
(3)建立模糊變量的賦值表
模糊變量誤差E、誤差變化EC 和控制增量AU 的模糊集和論域確定后須對模糊語言變量
確定隸屬函數(shù)，就是確定論域內(nèi)元素對模糊語言變量的隸屬度。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)建立誤差E、誤差
變化EC 和控制增量△U 的隸屬度賦值。
(4)建立模糊規(guī)則
根據(jù)現(xiàn)場工人操作經(jīng)驗(yàn)和工藝要求，如集氣管壓力下降較大即E=NB 且誤差的變化率
上升較慢時(shí)即EC=PS，現(xiàn)場工人操作是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)減小蝶閥的開度，即所需控制增量△U =NM，
根據(jù)上述描述將得出IF E=NB and EC=PS thenDU=NM 的規(guī)則語句，如表1 所示。
表1 模糊控制規(guī)則表
圖2 集氣管壓力控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

(6)反模糊化
在查表得到控制增量的量化等級后，要將它轉(zhuǎn)化為能對外輸出的控制量的精確值，由
ΔU(k) = ku ×ΔU
可得控制增量的精確值，其中u k 為比例因子，ΔU 為查表后得到的控制增量的量化等
級數(shù)。 u(k +1) = u(k) + ΔU(k)
得到本周期的實(shí)際控制輸出。即找出相應(yīng)的蝶閥角度的變化量，通過執(zhí)行器完成蝶閥調(diào)節(jié)板
的角位移，以控制集氣管壓力偏差在工藝規(guī)定的許可規(guī)定的允許范圍內(nèi)。
4、自適應(yīng)模糊設(shè)計(jì)及PLC 實(shí)現(xiàn)情況
前述模糊控制器采用的是離線設(shè)計(jì)，實(shí)時(shí)查表的方式。采用這種方式的優(yōu)點(diǎn)是實(shí)時(shí)性強(qiáng)，
設(shè)計(jì)簡單實(shí)用。在控制過程中必須具有實(shí)時(shí)修正能力，以適應(yīng)實(shí)際過程的要求:模糊集合的
隸屬度函數(shù)也應(yīng)能相應(yīng)的調(diào)整，這些都需要將模糊控制在查表的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)在線推理和優(yōu)化
調(diào)整。自適應(yīng)模糊推理與優(yōu)化設(shè)計(jì)方案如圖3 所示。

5、結(jié) 論
本文把模糊控制與Schneider PLC 控制系統(tǒng)連接起來，完成了對活性白灰回轉(zhuǎn)窯煤氣
集氣管壓力的模糊控制PID 分析設(shè)計(jì)，給出了自適應(yīng)模糊推理與優(yōu)化方案。在活性白灰控制
系統(tǒng)中達(dá)到了預(yù)期的控制效果，活性白灰回轉(zhuǎn)窯PLC 生產(chǎn)線運(yùn)行以來，控制效果良好。
本文的創(chuàng)新點(diǎn)：結(jié)合Schneider PLC 控制系統(tǒng)分析設(shè)計(jì)了查表法模糊控制器，并進(jìn)一步給
出了自適應(yīng)模糊推理與優(yōu)化方案，在現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)效果良好。
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作者簡介：王效華，男，1963，03，山西省絳縣人，副教授，鄭州大學(xué)電力系統(tǒng)及自動化專
業(yè)工學(xué)碩士，重慶大學(xué)控制工程專業(yè)工程碩士，主要從事電氣自動化及PLC 教學(xué)和研究。
張?jiān)伱罚?972，10，山東省魚臺人，講師，重慶大學(xué)控制工程專業(yè)工程碩士，主要從事
單片機(jī)、PLC 教學(xué)和研究。
Fuzzy PID control system based on PLC
active lime Chain Gate Machine-rotary Kiln
Wang Xiaohua1 Zhang Yongmei2
1: WuYi University FuJian WuYiShan 354300
2: Jiyuan vocational and technical college, Henan Jiyuan 454650
Abstract :
Analyzing the production line of PLC active lime Chain Gate Machine-rotary Kiln , we
equipped the hardware ,designed fuzzy PID controller and offered the plan of adaptive fuzzy
inference and optimization design .They were carried out under the circumstance of PLC after
programming. The effect of it turns out to be good .
Key words: PLC , fuzzy PID, Chain Gate Machine-rotary Kiln, Pressure.
Brief introduction to the author:
Wang Xiaohua, male, associate Professor, born in Jiang county of Shanxi in
March,1963,getting Master of engineering of electric power system and automation in
Zhengzhou University. And he also got Master of control engineering in Chongqing University.
He is engaged in electric automation and PLC teaching and research.