基于PLC的PWM与温度模糊控制的烤箱控制系统

郑艳鹏, 王志刚， 李彬彬， 胥 飞， 徐鹏辉， 郭 兴

(上海电机学院 电气学院, 上海 201306)

基于PLC的PWM与温度模糊控制的烤箱控制系统

郑艳鹏, 王志刚， 李彬彬， 胥 飞， 徐鹏辉， 郭 兴

(上海电机学院 电气学院, 上海 201306)

研究了基于可编程逻辑控制器(PLC)的脉冲宽度调制(PWM)与温度模糊控制的烤箱控制系统。加热模式采用高、中、低3档自动调节进行加热。该系统选用PLC触摸屏一体机作为纳米碳加热材料控制器，利用PWM和温度模糊控制来控制纳米碳加热模组。样机实验表明，温度控制精度高，超调量小，可用于多种工业温度控制场合。

脉冲宽度调制； 模糊温度控制； 温度传感器； 多功能电表

工业领域中，可编程逻辑控制器(Programmable Logic Controller，PLC)具有可靠性高、抗干扰能力强、编程简单、功能强大、性价比高、使用方便等优点，被广泛应用于现代化的工业控制领域中[1-2]。目前，常用的加热控制方法有脉冲宽度调制(Pulse Width Modulation，PWM)、比例-积分-微分控制(Proportion-Integral-Derivative，PID)、模糊控制3种方法，它们各有优、缺点，被应用于不同的控制场合。其中，PWM控制的加热速度快，但超调量大、控制精度不高，常应用于控制精度不高的场合[3-4]；PID控制的参数难以确定，在过程控制中常会发生大超调[5-6]，但是随着时间的增加，会逐渐趋于稳定，故加热时间较长，一般用于对加热时间没有要求的场合；模糊控制对参数变化的适应性较强，在对象模型发生较大改变时也能获得较好的控制效果，一般用于控制精度较高的场合[7-8]。

由于烤箱温度控制具有较大的时滞性和时变性，继电器控制方法很难得到理想的控制效果[9，11]。本文比较了上述3种加热控制方法，研究了一种新型的PWM与温度模糊控制相结合的烤箱控制系统，并使用了一种加热时间短、升温速度快、功耗低、绿色环保的新型的纳米碳加热材料[10]。通过将PWM与温度模糊控制相结合的控制方法与PWM、模糊温度控制方法进行仿真比较，结果表明，本文方法控制新颖、灵活，温控精度高，可用于多种控制场合。

1 烤箱控制系统设计

烤箱采用的供电电压为380 V，频率为50 Hz，功率为12 kW，采用高、中、低3档(即全功率的90%、60%、15%)自动调节进行加热，加热的最高温度为250 ℃。烤箱控制系统要求能精确地实现加热时间控制和温度控制，即从室温加热到目标温度并趋于稳定的时间要求为15 min，温度精度要求为±1℃。

1.1 控制系统结构

本文设计的12 kW烤箱的控制系统由PLC触摸屏一体机、温度传感器、多功能电表、固态继电器、纳米碳模组等组成，如图1所示。图中，Y1为PWM的输出。

图1 12 kW烤箱的控制系统框图

控制系统中，纳米碳模组是一种由导电的纳米碳发热膜[11]与绝缘导热体(如石英玻璃、陶瓷等)经过高温烧结为一体的结构，可直接进行热传导，加热均匀，热交换面积大，电热转换效率达96%以上，且性能稳定，启动电流平稳，对电路无冲击，耐电压冲击、安全可靠，电压适用范围6～380 V(AD/DC)，使用于合理温度下，寿命是电阻丝的10倍以上，因此被广泛应用。

烤箱温度控制实现过程如下：当操作人员通过PLC触摸屏设定烤箱目标温度TSV后，烤箱开始运行，温度传感器以一定频率采集烤箱实际温度TPV，并与TSV进行比较，得出箱内温度偏差E和偏差的变化率EC，即

E=TSV—TPV

EC=dE/dt

(1)

E和EC作为输入进入PLC；PLC经内部运算后输出一定宽度的脉冲信号，以通过控制纳米碳模组的通断时间，进而控制烤箱温度。如此循环，整个系统控制过程闭环运行。

1.2 温度模糊控制算法

烤箱温度控制系统复杂，建模困难，传统的控制方法难以建立其精确的数学模型[12-13]。本文使用模糊控制的方法来实现对烤箱的温度控制。模糊控制的基本思想是根据操作人员手动控制的经验，总结出一套完整的控制规则，再根据系统当前的运行状态，经过模糊推理、模糊判决等运算计算出控制量，实现对被控对象的控制[14-15]。

在烤箱温度控制系统中，选用E和EC作为模糊控制器的输入，控制量ΔU作为输出。E、EC和ΔU的评价变量模糊子集均定义为{负大(NB)，负中(NM)，负小(NS)，零(0)，正小(PS)，正中(PM)，正大(PB)}，语言变量的基本论域均定义为{-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5，6}。E和EC由实际范围转化为对应论域的公式为

(2)

式中，a、b分别为实际变化下限值、上限值。

本文采用三角函数作为隶属度函数。根据烤箱实际工况和专家经验，得出模糊控制规则如表1所示。

表1 模糊控制规则

依据表1的控制规则确定模糊控制关系为

R=R1∪R2∪R3…∪Rn,i=1,2,…,n

其中，Ri=(Ei×ECi)×ΔUi；Ei、ECi、ΔUi分别为E、EC、ΔU的模糊化集合。

基于推理合成规则，由E和EC的论域{-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5，6}，根据评价E和EC的赋值表求取相应的评价变量控制量的模糊集合，即ΔU=(E×EC)R,从而取得以论域{-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5，6} 的元素表示的烤箱加热时间变化量ΔUi；然后，采用最大隶属度法进行模糊判决，得到烤箱加热时间的实际变化量ΔU′。

在烤箱温度模糊控制系统中，模糊控制算法是整个系统的关键，在 PLC中实现。温度模糊控制实现过程如下：先由控制系统进行采样，由执行单元计算E和EC，并转化到相应的论域值；然后，通过查询模糊控制规则表得到ΔU，进而得到ΔU′，根据ΔU′控制纳米碳发热模组的加热时间，从而实现对烤箱温度的调节。其实现流程如图2所示。

1.3 PWM调功原理

Y1的输出时序如图3所示。图中，ts为脉冲的固定周期时间。通过改变开通时间ton来改变Y1的脉冲宽度，脉冲宽度越大，功率越大。PWM控制思想是控制ton，使其分低、中、高3档给固态继电器输入端控制信号，来控制固态继电器输出端的导通与通断时间，使烤箱开始或停止加热，最终实现加热在高温(90%功率)、中温(60%功率)、低温(15%功率)3个档位。

图2 模糊控制算法

图3 Y1的输出时序

1.4 PWM与模糊控制的组合控制

为了实现烤箱控制系统对加热时间与精度的双重控制，本文将PWM与模糊温度控制相结合，图4所示为PWM与模糊温度控制相结合的控制总体流程。由图可见，在加热过程中，系统可自动切换3个加热档位，使加热的时间、温度等精度得到提高。

2 仿真分析

本文利用中达优控公司研发的人机界面编程软件YKHIM，设计了烤箱的人机操作界面图，如图5所示。利用该界面可以读取A、B、C相电压，设置目标温度、显示当前温度；当电压过低时，能及时报警，并显示报警信息。

图4 PWM+模糊控制程序流程图

图5 烤箱人机界面

利用YKHIM软件分别对PWM控制、模糊温度控制控制，以及本文研究的PWM与模糊温度控制相结合的控制方法进行仿真实验，图6给出了3种控制方法的温度响应曲线。

由图可见，PWM控制中，系统从开始加热到温度稳定约36 min，加热速度快，温度稳定需要的时间长，超调量大，存在许多不利因素；模糊温度控制中，系统从开始加热到温度稳定约30 min，加热速度有所减慢，但温度稳定需要的时间仍然较长，超调量减小，控制精度高；PWM与模糊温度控制相结合的控制方法，加热时间明显缩短，加热速度快，约8 min就可以加热到目标温度，12 min就能趋于稳定，时间明显缩短，且温度超调量小，控制精度高。由此可见，PWM与模糊温度控制相结合的控制方法具有较大的优越性。

(a) PWM控制

(b) 模糊温度控制

(b) PWM与模糊温度控制相结合

表2给出了3种控制方法的参数对比表。由表可见，PWM控制时的加热速度虽然很快，但是达到稳定的时间较长，超调量大，控制精度低；而模糊温度控制时，虽然控制精度较高，且超调量小，但加热速度慢，且达到温度稳定的时间较长，故可用于对加热速度没有要求的场合；而PWM与模糊温度控制相结合时，加热速度快，达到稳定的时间短，超调量小，控制精度高，可用于多种控制要求的场合，能够满足系统的控制要求。

表2 温度控制参数对比表

3 结 语

本文选用PLC触摸屏一体机作为纳米碳加热材料控制器，并利用PWM与温度模糊控制相结合的控制方法来控制纳米碳加热模组。将PWM和温度模糊控制相结合的控制方法与PWM、模糊温度控制方法进行仿真比较，结果表明，本文方法控制新颖、灵活，温控精度高，可用于多种控制场合。

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PWM Control Based on PLC and Temperature Fuzzy Control

ZHENGYanpeng,WANGZHIGang，LIBinbin，XUFei,XUPenghui，GUOXing

(School of Electrical Engineering, Shanghai Dianji University, Shanghai 201306,China)

An oven control system using pulse width modulation (PWM) and temperature fuzzy control based on PLC are studied. The heating mode adopts automatic adjustment of three speeds: high, medium and low. The system use a PLC touch screen as a controller for the nanometer carbon heating material, and uses PWM and temperature fuzzy control to control the nanometer carbon heating module. Experimental results show that the temperature control precision is high, and the overshoot is small. The method can be used in many situations for industrial temperature control.

pulse width modulation (PWM); fuzzy temperature control; temperature sensor; multi-function meter

2017 -06 -28

郑艳鹏(1989-)，男，硕士生，主要研究业方向为电气工程， E-mail：2679934629@qq.com

王志刚(1979-)，男，实验师，主要研究方向为电气自动化，E-mail: wangzg@sdju.edu.cn

2095 - 0020(2017)06 -0348 - 05

TP 273.4

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