基于PLC白灰回转窑的模糊PID控制系统

基于PLC白灰回转窑的模糊PID控制系统

摘 要：通过活性白灰回转窑PLC生产线工艺分析，对系统硬件进行了配置，分析设计了模糊PID控制器，并给出了自适应模糊推理与优化设计方案，经编程在PLC环境下实现，经过运行效果良好。
关键词：PLC，模糊PID，回转窑，压力

1、引 言

活性白灰作为炼钢关键原料之一，石灰窑的自动化控制的水平和可靠性直接关系到活性白灰的质量及能耗。根据实际的工况，本系统采用PLC控制技术结合模糊PID控制算法，并采用现场总线技术以及工业以太网技术来实现活性白灰回转窑生产过程的自动化。

2、回转窑工艺及硬件配置

2.1 工艺流程简介

活性白灰回转窑生产工艺流程如图1所示，主要煅烧生石灰石，竖式预热利用烟气预热，回转窑采用焦炉煤气与空气燃烧比煅烧，最后成品的过程。

图1 回转窑工艺流程图

2.2 PLC 控制系统硬件配置

活性白灰生产主要自动化控制系统采用施耐德公司的Premium 系列PLC 进行控制，其PLC 控制系统设两个独立的主机架和一个I/O 扩展机架。一个PLC 主机架控制电气系统，另一个主机架与I/O 扩展机架控制热工系统。人机接口采用3 台上位工业控制计算机。PLC 与2 台上位工控机之间采用标准工业以太网方式互连。

其中电气系统PLC，开关量输入通道数96 个，占用83 个，备用输入通道13 个；开关量输出通道数64 个，占用46 个，备用输出通道18 个。其中，仪表系统PLC，模拟量输入总端口数80 个，占用端口66 个，备用端口14 个；模拟量输出4 口，占用输出端口4 个。

据此对电气系统PLC 及仪表系统PLC 配置为(Schneider)PLC 的Modicon TSX Quantum 如下：主机CPU 为TSXP57303M(2)、开关量模块TSXDEY32D2K(3) 、TSXDSY32T2K(2)、模拟量模块TSXAEY810(7)、TSXAEY414(6)、TSXASY410(1)，另外配置有电源、网络、扩展等模块。

3、模糊PID 原理分析及设计

活性白灰回转炉燃烧系统焦炉煤气集气管压力为对象进行研究，集气管压力模糊控制结构如图2 所示。集气管压力P 为被控制量，集气管上的蝶阀开度为控制量，控制精度为50 士1OPa。该系统为恒值控制系统。

 图2 集气管压力控制系统结构图
在实际系统中，选取压力的误差和误差变化率为模糊控制器的输入语言变量。采用局
域增量型模糊控制算法，以消除误差，且超调量较小；当误差超出范围后，采用直接控制输
出，以使误差快速减小。
(1)误差和误差变化率的求取
设系统要求的给定压力为r，实测的集气管压力为P，则取被控制量的误差和误差变
化率为:
( ) ( )
( ) ( ) ( 1)
e n p n r
e n e n e n
= −
Δ = − −
都为精确量。
(2)模糊化
设误差、误差变化率和控制输出的增量模糊化所对应的语言变量分别为E,EC 和△U，
则对它们的论域定义如下:
E 的模糊集为: {NB，NM, NS，NO，P0，PS，PM, PB}
分别表示{负大，负中，负小，负零，正零，正小，正中，正大}
EC 和△U 的模糊集为: {NB，NM, NS，0，PS，PM，PB}
分别表示{负大，负中，负小，零，正小，正中，正大}
E 和EC 的论域为:{-6，-5，-4，-3，-2，一1, 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6}
DU 的论域为:{-7，-6，-5，-4，-3，-2，一1, 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7}
这样将输入分为13 种状态，设误差和误差变化率的量化值为e′ 和△ e′ ，则有:
e′ = int(ke ×e + 0.5)
int( 0.5) c Δe′ = k ×Δe +
(3)建立模糊变量的赋值表
模糊变量误差E、误差变化EC 和控制增量AU 的模糊集和论域确定后须对模糊语言变量
确定隶属函数，就是确定论域内元素对模糊语言变量的隶属度。根据经验建立误差E、误差
变化EC 和控制增量△U 的隶属度赋值。
(4)建立模糊规则
根据现场工人操作经验和工艺要求，如集气管压力下降较大即E=NB 且误差的变化率
上升较慢时即EC=PS，现场工人操作是根据经验减小蝶阀的开度，即所需控制增量△U =NM，
根据上述描述将得出IF E=NB and EC=PS thenDU=NM 的规则语句，如表1 所示。
表1 模糊控制规则表
图2 集气管压力控制系统结构图

(6)反模糊化
在查表得到控制增量的量化等级后，要将它转化为能对外输出的控制量的精确值，由
ΔU(k) = ku ×ΔU
可得控制增量的精确值，其中u k 为比例因子，ΔU 为查表后得到的控制增量的量化等
级数。 u(k +1) = u(k) + ΔU(k)
得到本周期的实际控制输出。即找出相应的蝶阀角度的变化量，通过执行器完成蝶阀调节板
的角位移，以控制集气管压力偏差在工艺规定的许可规定的允许范围内。
4、自适应模糊设计及PLC 实现情况
前述模糊控制器采用的是离线设计，实时查表的方式。采用这种方式的优点是实时性强，
设计简单实用。在控制过程中必须具有实时修正能力，以适应实际过程的要求:模糊集合的
隶属度函数也应能相应的调整，这些都需要将模糊控制在查表的基础上实现在线推理和优化
调整。自适应模糊推理与优化设计方案如图3 所示。

5、结 论
本文把模糊控制与Schneider PLC 控制系统连接起来，完成了对活性白灰回转窑煤气
集气管压力的模糊控制PID 分析设计，给出了自适应模糊推理与优化方案。在活性白灰控制
系统中达到了预期的控制效果，活性白灰回转窑PLC 生产线运行以来，控制效果良好。
本文的创新点：结合Schneider PLC 控制系统分析设计了查表法模糊控制器，并进一步给
出了自适应模糊推理与优化方案，在现场实验效果良好。
参考文献：
[1] 张 铨.微型计算机在自动控制的应用.北京:国防工业出版社.1985,25~120.
[2] 郭宗仁.可编程控制器及其通信网络技术.北京.人民邮电出版社.
[3] 皮壮行,宫振鸣.可编程控制器的系统设计与应用实例.北京:机械工业出版社.2000，
3,11.
[4] 将汉文.热工学.北京:高等教育出版社.9～125.
[5] 马国华.监控组态软件及其应用.北京:清华大学出版社.2001.
[6] 邓胜祥.石灰窑顶温模糊控制器的设计与应用.工业自动化应用实践.北京:电子工业出
版社.2002,10.
[7] 庄丽娟，吴丽云. 基于PLC 控制的废水处理系统设计. 微计算机信息.2005:第一期.
[8] 任俊杰,苏秀丽,刘泽祥. 基于 SIMATICS7 PLC 的分布式控制系统实现. 微计算机信息
2005:第六期.
[9] 付少波,陈曦,张涛,孙英科. 模糊控制器在中央空调系统温度控制中的应用.微计算机
信息.2005:第四期.
[10] 王效华.活性白灰回转窑生产线PLC 控制系统.工程硕士论文.2006，04.
作者简介：王效华，男，1963，03，山西省绛县人，副教授，郑州大学电力系统及自动化专
业工学硕士，重庆大学控制工程专业工程硕士，主要从事电气自动化及PLC 教学和研究。
张咏梅，女，1972，10，山东省鱼台人，讲师，重庆大学控制工程专业工程硕士，主要从事
单片机、PLC 教学和研究。
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.