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1．引言

    溫度是工業生產最常見最基本的工藝參數之一，例如：冶金、機械、電子、石油、化工、制造等行業中廣泛使用的各種加熱爐、熱處理反映爐等，對工件的處理溫度要求嚴格控制。本文對咸陽795廠電子元件結構爐改造分析，陶瓷電阻、電元器件著色的關鍵工藝是干燥煅燒，通過調整干燥煅燒條件能較好的控制著色指標。干燥煅燒是靠干燥煅燒窯爐來完成的，而窯頭溫度又直接影響干燥溫度和煅燒溫度，所以控制好窯爐溫度就可以間接控制好著色指標。至于溫度控制器，過去一般采用溫控儀表，墊電偶等儀器來直接控制。
    
    改造后是基于PLC的模糊自整定PID參數控制系統，應用于窯爐溫度控制系統，可以用溫度傳感器對窯爐的溫度采樣。選擇檢測值和給定值之差和差的變量作為控制加熱和干燥系統的輸入量。采用PLC作為中心控制單元，利用模糊控制技術與數子式PID相結合，根據系統狀態可快速調整窯爐溫度，達到恒溫控制的目的，提高了系統的工作穩定性，得到良好的控制效果。

2．窯爐溫度控制原理

    2.1系統結構與工作原理
    
    PLC溫度控制系統如圖1所示。圖1中，控制系統主要由PLC，A/D與D/A模塊，切換繼電器，溫度傳感器等部分組成。控制核心單元PLC根據手動設定溫度信號與現場測溫傳感器反饋信號經過PLC分析與計算，得到溫度偏差 與溫度偏差的變化率 ，經過PID運算后，PLC將0~10V模擬信號輸出，用于調節觸發器的控制電壓，PLC通過比較模擬量輸出與溫度偏差值，通過I/O端口開關量的輸出驅動切換繼電器組，以此來協調投入加熱的臺數，并完成窯爐加熱啟停與切換。在溫度上升到規定值的90%以前，采用全壓控制，節省升溫時間，待爐溫上升到給定值的90%時，采用模糊控制，以提高控制精度。

    通常要實現對控制對象的模糊控制，首先根據系統的輸入/輸出量的多少來確定PLC的型號，本系統采用SIMATICS7-300型PLC；A/D轉換器為SM331；D/A轉換器為SM332；熱電偶為S型：0~1300C°；變送器為DDZ-Ⅱ型。

    2.2數字式PID的調節原理
   
    數字式PID控制器的表達函數為：

   

    式中： 為系統偏差； 為系統偏差變化率；K_P為比例系數；K_I為積分作用系數；K_D為微分作用系數。
    
    KP值影響系統的響應速度和精度；KP越大，系統響應速度越快，系統的調節精度越高，KP若過大，將引起超調，導致系統不穩定。KI值影響著系統的穩定精度；KI越大，系統靜態誤差消除越快，但如果KI過大，在響應過程的初期會產生積分飽和現象，從而引起響應過程的較大超調。KD值影響系統動態特性；它主要抑制響應誤差的變化，如果KD過大，會使響應過分提前制動，從而延長系統的調節時間。
     
    由分析系統加熱過程可知，在函數 響應的初始階段，取較大的KP和較小的KI與KD，可以使響應曲線的斜率增大，加快其響應速度。在函數 接近輸出值時，應迅速增大KD，并逐步減小KP，使系統獲得較大的阻尼，抑制系統的超調，減小響應誤差的變化率。當函數 達到輸出值時，就使KI增大，迅速消除系統的靜態誤差。
      
    模糊控制器將根據偏差 和偏差變化率 值的不同，在線適當調節參數K_P，K_I和K_D值，這樣就可以有效的提高系統的響應速度和精度，減小超調并縮短響應時間，提高系統的工作穩定性。

3．模糊控制的實現

    3.1控制方式

    模糊自整定PID參數控制系統如圖2所示。圖2中主要由參數可調整PID和模糊控制器兩部分組成。參數可調整PID完成對被控對象的控制；模糊控制器采用二輸入三輸出結構，以偏差 和偏差變化率 為輸入量，以PID的參數KP，KI和KD為輸出量，利用模糊控制器模糊推理的方法對PID參數KP，KI和KD進行在線自整定，以滿足不同的 和 時對系統控制的要求，使被控制對象具有良好的動態和靜態性能。

    3.2模糊子集及隸屬度

    取系統偏差 和偏差變化率 為模糊控制器的輸入量，參數KP，KI和KD為模糊控制器的輸出量，其各模糊子集如下：
  
    e(n)：E={NB，NM，NS，NE，PS，PM，PB}            
  
    e(n)：EC={ NB，NM，NS，NE，PS，PM，PB }

    K_P： Up ={ NE，PS，PM，PB }

    K_I： UI ={ NE，PS，PM，PB }

    K_D：UD={ NE，PS，PM，PB }

    式中：NB，NM，NS，NE，PS，PM，PB分別為負大，負中，負小，零，正小，正中，正大。

    依據爐窯的實際工作情況和操作經驗，選取各輸入量和輸出量論域為：
  
    e(n)屬于 [-20，20]，     e(n)：屬于 [-3，3]，  K_P屬于 [0，30]，   K_I 屬于 [0，15]，  K_D 屬于 [0，10]。

    將各輸入量與輸出量分別進行線性化尺度變換，得各量的模糊論域為：E 屬于 [-6，6]，EC 屬于 [-6，6]，  K_P 屬于[0，6]，  K_I 屬于 [0，6]，  K_D 屬于 [0，6]。

    模糊控制器在PLC中只能以查模糊控制作用表的方式實現，且取有限精度。E與EC取13級，K_P，K_I和K_D取7級。

    各模糊子集在相應基本論域上隸屬函數可按正態分布

    式中： 為輸入量標準值； 為輸入量； 為數據的標準差。

    由此得到模糊輸入變量E，EC和輸出變量Up，UI和UD的隸屬度賦值如表1和表2所示。

    3.3模糊控制規則

    根據系統響應，在控制過程中對于不同的系統偏差 和偏差變化率 的模糊量化值E和EC，歸納PID參數KP，KI和KD的模糊控制規則如下：

    （1）系統啟動瞬間， 為最大， 為零，為加快系統的響應速度，應取較大的KP和較小的KD；為防止因 的瞬間變大可能引起的積分溢出，取KI =0，語言規則為：
       
    if   is  PB and   is ZE  then  KP is PB ，KI is ZE，KD is PS.

    （2）當響應過程中期， 中等大小， 較大時，為使系統靜態誤差盡快消除，應取較大的KI，且適當增加KD值；為使超調小，KP值適當減小，語言規則為：

    if   is  PM  and  is NB then KP is PM，KI is PB，KD is PM.

    (3) 當響應接近規定輸出值時， 很小而 較大，為使系統響應的超調減小，系統性能穩定，應取較小的KP，較大的KD和較大的KI語言規則為：

    if   is  ZE  and   is  NB then KP is PS，KI is PB，KD is PB.

    由以上規則和操作經驗可以列出輸出量KP，KI和KD的模糊規則表，例如KP控制規則表如表3所示

    3.4利用MATLAB模糊邏輯工具設計模糊控制

    在MATLAB命令窗口中鍵入Fuzzy進入模糊邏輯編輯窗口，確定模糊控制器的結構為兩輸入（ ， ）、三輸出（KP，KI和KD），并確定輸入、輸出名，如圖3所示。打開隸屬函數編輯器窗口，選擇隸屬函數的類型為三角隸屬函數trimf，根據輸入、輸出變量的模糊子集，選定要編輯變量圖標，確定當前變量論域，最后對各變量的隸屬函數標明其對應模糊子集的模糊語言值如圖4所示。

4．利用SIMULINK創建仿真框圖

    SIMULINK是MATLAB中的一個用來對動態系統進行建模、仿真和分析的軟件包。在SIMULINK環境下，建立如圖5所示相應的模糊自整定PID控制器的仿真模型，其中Subsystem子模塊為模糊自調整機構。設被控對象的傳遞函數為：

5．仿真結果分析

    仿真實驗結果如圖6所示。由仿真結果可知，基于模糊推理的PID控制器相比于傳統PID控制器，由于模糊控制器能夠根據系統偏差 和變化率 對PID的三個參數KP，KI和KD進行在線修正，所以得到的系統動態響應曲線較好，響應時間短，超調量小，穩態精度高；其中參數的Fuzzy在線自整定能有效抑制干擾和噪聲，提高控制系統品質是有效的，特別是這種模糊自整定算法簡單，所需控制時間短，也能夠滿足實時控制的要求。

    可以看出，采用模糊自整定PID參數控制器很好的改善了系統的動態性能，取得了很好的動態效果。

6．結論
    
    在PID控制的窯爐溫度系統中，利用Fuzzy根據不同的偏差 和偏差變化率 對PID參數KP，KI和KD進行在線調節，可以很好的完成系統控制工作，基于模糊控制理論和自整定PID調節的恒溫控制系統能根據給定溫度和環境的變化做出最好決策。可以有效的提高可靠性，穩定行和節能效果，并且使該系統動態響應快，起調量小，魯棒性強，具有應用價值。

參考文獻

[1] 模糊自整定控制理論及其應用   張代光  北京航空航天大學出版社   2002年

[2] 基于PLC的模糊自整定PID參數控制器的變頻調速恒壓供氣系統的應用。 段鐵群 《電機與控制學報》2003.4

[3] 智能控制理論與概述     孫增圻   清華大學出版  2002年

[4] 自動控制技術及儀表控制系統     張寶芬     化學工業出版社  2002年