摘要：文章应用德国SIEMENS.html" target="_blank" title="SIEMENS">SIEMENS S7-300可编程序控制器设计一个二维模糊控制器，将模糊控制器的模糊输出反模糊化后作为实际输出传输到可控硅，通过改变可控硅的输出对中位水箱温度进行模糊控制，并通过在组态王中的参数连接与设置，来实现温度运行画面的监测。运行结果表明，所设计的二维模糊控制器能精确控制中位水箱温度，获得了良好的控制效果。

关键词：模糊化；反模糊化；模糊控制器;模糊输入；模糊输出

0 引言

传统的自动控制中有一个共同的特点，即控制器的综合设计都要建立在被控对象准确的数学模型的基础上[1]，但是在实际工业生产中，很多系统影响因素很多，十分复杂。大多数实际系统都是非线性的，建立精确的数学模型特别困难。电炉加热器温度对象的数学模型是非线性的，由于建立的温度对象模型不够精确，采用此模型整定出的PID控制器也难以达到理想的控制效果。基于这种情况下，模糊控制就显得意义重大。因为模糊控制不用建立数学模型，根据实际系统的输入输出的结果数据，参考现场操作人员的运行经验，就可对系统进行实时控制。模糊控制技术日趋成熟和完善[2–6]，利用模糊控制思想来设计温度非线性控制系统将更直接，更有效，是非线性控制的一种更有力的控制手段。本文设计的两维温度模糊控制器已成功地应用于实际的温度控制系统且取得了良好的控制效果。

1 温度模糊控制系统的硬件

过程控制实验装置是基于工业过程物理模拟对象，它集自动化仪表技术、计算机技术、通信技术、自动控制技术为一体的多功能装置。该温度系统控制器的硬件选用德国SIEMENS.html" target="_blank" title="SIEMENS">SIEMENS公司的S7-300可编程控制器，模拟量输入模块选用8路*12Bit的SM331，模拟量输出模块选用4路*12Bit的SM332。温度过程控制系统由被控对象和控制装置两部分组成。被控系统对象包括上位水箱、中位水箱、下位水箱。该文选用中位水箱的电炉加热器作为温度被控对象，采用电热炉丝对中位水箱温度进行加热，被控参数为中位水箱的温度，监测水温的传感器是铂热电阻Pt100温度变送器，采用三线制接线，它的精度高。执行元件采用调压型可控硅，改变可控硅触发器的输入控制电流4-20mA，就可改变其输出电压，控制加热管的加热功率，从而达到中位水箱温度控制的目的。

温度模糊控制系统的框图如图1：

图1 温度模糊控制系统的框图

2 模糊控制器的设计

温度模糊控制器设计为两个输入一个输出，输入为测量温度与给定温度之差E和实际测量温度TT，输出为OUT，为可控硅提供供电电压。

2.1 模糊输入

因为受限于实验系统的功能，当温度测量值大于给定值时，只能通过关闭可控硅输出使中位水箱温度自然冷却，所以所有的正偏差都只需对应0的输出即可。又因为在运行时考虑到气候环境和安全因素，一般将温度控制在30~70摄氏度的范围内，所以将偏差范围适当放大，即将偏差范围设置在-50~0摄氏度的范围内。根据模糊集合隶属函数遵循的基本原则，一般取重叠率为0.2~0.6为宜，重叠鲁棒性为0.3~0.7。因而设计了E和TT的7个模糊子集及隶属函数。

输入1：E（偏差）模糊子集及隶属函数如下

E为负非常大(NVBIG)，隶属函数为梯形(-100，-100，-40，-32)

E为负大(NBIG)，隶属函数为三角形(-40，-32，-24)

E为负中(NMID)，隶属函数为三角形(-32，-24，-16)

E为负小(NSMALL)，隶属函数为三角形(-24，-16，-8)

E为负非常小(NVSMALL)，隶属函数为三角形(-16，-8，0)

E为零(ZERO)，隶属函数为三角形(-8，0，8)

E为正(P)，隶属函数为梯形(0，8，100，100)

对于输入TT，当温度在50摄氏度及以下时，曲线运行情况良好，当温度达到60摄氏度以后曲线开始出现偏差，而且偏差随着温度的上升不断增加，所以输入TT的 7个模糊子集范围定在30～70摄氏度。

输入2：TT（中位水箱温度）模糊子集及隶属函数如下

TT很低(LOWEST)，隶属函数为梯形(0，0，35，40)

TT比较低(LOWER)，隶属函数为三角形(35，40，45)

TT低(LOW)，隶属函数为三角形(40，45，50)

TT中(MID)，隶属函数为三角形(45，50，55)

TT高(HIGH)，隶属函数为三角形(50，55，60)

TT比较高(HIGHER)，隶属函数为三角形(55，60，65)

TT很高(HIGHEST)，隶属函数为梯形(60，65，100，100)

2.2 模糊输出

经过不断的尝试，发现当温度运行曲线能在给定值附近达到稳定。此设计方案中，输出应有6个值，分别为：

(1)ZERO=0，此时可控硅输出为0%，对应测量值大于给定值的情况。

(2)EQUAL1=4，此时可控硅输出为4%。对应温度较低时使运行曲线稳定的输出值。

(3)EQUAL2=5，此时可控硅输出为5%。对应温度较高时使运行曲线稳定的输出值。

(4)EQUAL3=6，此时可控硅输出为6%。对应温度很高时使运行曲线稳定的输出值。

(5)HIGH=80，此时可控硅的输出为80%。对应当测量值小于给定值，且相差范围不很大时的可控硅输出，可使温度较快上升。

(6)HIGHEST=100，此时可控硅的输出为100%。对应当测量值小于给定值，且相差范围很大时的可控硅输出，可使温度很快上升。

2．3 模糊规则

考虑到温度控制所需要的时间较长，而且存在一定的滞后，所以在测量值小于给定值且相差较大时，通过最大的输出来使温度最快地上升，而当偏差变小时，也提供较高的输出，来提供有效的加热水平。而当偏差变为正时，只有通过关闭可控硅的输出来使中位水箱自然冷却。

对于2个模糊输入，而且每个模糊输入有7个隶属度函数，该模糊控制模块需要设计7*7=49条模糊规则，在49条规则中的EQUAL1、EQUAL2、EQUAL3即为针对不同区域温度而设置的输出值，当温度为LOWEST、LOWER、LOW的时候使用EQUAL1，当温度为MID、HIGH的时候使用EQUAL2，当温度为HIGHER、HIGHEST的时候使用EQUAL3。这样正好能对应60摄氏度和65摄氏度时候不断增加的偏差。49条规则如表一：

表一：模糊控制规则

3软件实现

首先进行硬件组态，然后采用PLC编制软件程序，整个程序写在OB１中，OB35模块用于每隔１００ms调用模糊控制功能程序模块。FC1为模糊控制功能程序模块，其中包括了FC30，FB30，FC31这三个程序模块。由FC30模块对送来的偏差及TT模糊化，送FB30后根据模糊控制规则由偏差的大小算出相应的输出信号的大小，再送FC31进行反模糊化得到精确量，通过改变可控硅的输出来达到控制中位水箱温度。

将编制软件程序下载到PLC中运行，设置好组态王各参数以后，并运行组态王，温度曲线图会显示在画面中，从而可以实现温度集中控制的目的。

图2给出了四次温度测量值PV跟踪温度给定值SP变化的运行曲线。从曲线图可知以上设计的模糊控制器，达到了令人满意的控制效果，无论温度在高、中、低的区段，都可以精确达到给定值。如果在加入外部干扰（冷水）后，曲线呈缓慢下降形态，大约过了2分钟左右温度重新达到给定值，可以看出设计的模糊控制器具有较强的抗干扰较作用，见图3。

运行结果表明，温度非线性系统采用的以上模糊控制方法，基本实现了无偏差，无超调量且响应速度较快的性能要求。由此能够说明此模糊控制系统有较强的鲁棒性，实际的温度输出能跟踪给定温度，从而证实了所设计的二维模糊控制器取到了优良的控制效果。

4结论

本文无须建立被控对象数学模型，通过SIMATIC S7对温度偏差和实际的温度进行模糊化处理，利用控制经验知识建立了两维温度模糊控制规则，再通过反模糊化输出传输到可控硅，改变可控硅的输出对中位水箱温度进行模糊控制，以达到用两维模糊控制器的方法来控制中位水箱温度。本文作者创新点：首次利用PLC和组态网实现了温度非线性模糊控制系统的实时控制，归纳的模糊规则精确度较高，设计的两维模糊控制器成功应用于本校的过程控制实验装置中，开创了本实验装置的先进控制方式的实际应用。