模糊控制热真空环境模拟设备设计与实现

··２００９!５#０引言重要的航天设备都要经过地面真空实验室进行低温及高温的模拟实验，在做真空环境下的低温及高温试验时，因受传输介质的影响，只能靠空间辐射，在这种环境下温度控制十分困难，温度可能超调，但不允许超过实验的极限温度，否则损坏实验设备，因而必须采用质量良好的控制设备，采用有效的控制方式，方可满足控制要求。本文在吸取前人控制策略成功经验的基础上，研究开发了基于模糊控制技术的控制器取代原系统的手动控制方法。１模糊控制器整体结构采用目前最为常用的４个“双入单出”模糊控制器犤１－３犦，这样以被控变量的误差和误差的变化率作为输入，输出一个控制变量。模糊控制器的模糊输入变量犤４犦可选为实际温度ｙ与温度给定值ｙｇ之间的误差ｅ＝ｙ－ｙｇ及其变化率ｅｃ，而其输出模糊变量为电加热器的输出控制及电磁阀开度ｕ。此模糊控制器的功能即是由ＰＬＣ通过编程实现，具体包括输入量的模糊化、模糊推理和解模糊３个部分。２论域的确定为提高温度控制精度，采用４个控制精度各不相同的模糊控制器，用于降温的主进液阀控制器、辅助进液阀控制器和用于升温的热沉加热器、底板加热器，控制精度依次设定为±１０℃，±８℃，±６℃，±５℃。各温控器温度偏差的论域设定为犤－１０℃，＋１０℃犦，犤－８℃，＋８℃犦，犤－６℃，＋６℃犦，犤－５℃，＋５犦；量化在模糊论域犤－６，＋６犦中，分１３个等级，即狖－６，－５，－４，－３，－２，－ｌ，０，＋ｌ，＋２，＋３，＋４，＋５，＋６狚，则偏差量化因子分别为Ｋｅ１＝６／１０＝０．６，Ｋｅ２＝６／８＝０．７５，Ｋｅ３＝６／６＝１，Ｋｅ４＝６／５＝１．２。设误差ｅ的基本论域为犤－６℃，＋６℃犦，若选定Ｅ的论域Ｘ＝狖－６，－５，…，－１，０，＋１，＋２，＋３，＋４，＋５，＋６狚，则误差ｅ的量化因子ｋｌ＝６／６＝１。为语言变量Ｅ选取７个语言值：ＰＢ，ＰＭ，ＰＳ，ＺＥ，ＮＳ，ＮＭ和ＮＢ。通过操作者的实践经验总结，可确定出在论域Ｘ上用以描述模糊子集ＰＢ，ＰＭ，ＰＳ，ＺＥ，ＮＳ，ＮＭ，ＮＢ的隶属度函数μ（ｘ），并据此建立语言变量Ｅ的赋值表。本系统最大升温速率６００℃／ｈ＝０．１７℃／ｓ，而采样周期Ｔ＝１０００ｍｓ，这样升温速率＜０．５。则ｅｃ的基本模糊控制热真空环境模拟设备设计与实现李荣!#$%&’()*+,-,./012#７３００６０3摘要：设计了一个基于ＰＬＣ的数据采集系统，用来对真空仓系统中指定各个点的温度实现采集；通过ＲＳ２３２串行通讯方式将数据传给工控机；温度采用模糊控制方法。以ＭＣＧＳ为仿真平台，对真空仓温度控制系统进行了仿真。结果表明，模糊控制器的鲁棒性强，响应速度快，可以达到预期的效果，能够满足太空设备地面试验要求。关键词：模糊控制；ＰＩＤ；ＰＬＣ中图分类号：ＴＰ２７３文献标识码：Ａ文章编号：１６７１－２１５３（２００９）０５－００２１－０４收稿日期：２００９－０５－１８作者简介：李荣（１９６８－），男，甘肃天水人，讲师，硕士，研究方向为控制工程。宁波职业技术学院学报ＪｏｕｒｎａｌｏｆＮｉｎｇｂｏＰｏｌｙｔｅｃｈｎｉｃ２００９年１０月Ｏｃｔ，２００９第１３卷第５期Ｖｏｌ．１３Ｎｏ．５!··２００９!５#宁波职业技术学院学报论域可设为犤－０．５，＋０．５犦，选择偏差变化率语言变量ＥＣ的论域Ｙ＝（－６，－５，…，－ｌ，０，＋ｌ，＋２，＋３，＋４，＋５，＋６），则误差变化率ｅｃ的量化因子ｋ２＝６／０．５＝１２。为语言变量ＥＣ选取ＰＢ，ＰＭ，ＰＳ，ＺＥ，ＮＳ，ＮＭ，ＮＢ共７个语言值。通过操作者的实践经验总结，在确定出模糊子集ＰＢ，…，ＮＢ的隶属函数μ（ｘ）之后，便可建立语言变量ＥＣ的赋值表。设控制量变化ｕ的基本论域为犤－３６，＋３６犦，若选定ｕ的论域为Ｚ＝（－６，－５，…－１，０，＋ｌ，＋２，＋３，＋４，＋５，＋６），则得控制量变化ｕ的比例因子ｋ３＝３６／６＝６。同样，为语言变量Ｕ选取ＰＢ，ＰＭ，ＰＳ，ＺＥ，ＮＳ，ＮＭ，ＮＢ共７个语言值。通过操作者的实践经验总结，在确定出模糊子集ＰＢ，…，ＮＢ的隶属函数μ（ｘ）之后，便可建立语言变量Ｕ的赋值表。３模糊控制器查询规则的建立基于操作者手动控制策略的总结，得出一组由４９条模糊条件语句构成的控制规则犤６犦，将这些模糊条件语句加以归纳，可建立反映真空温度控制系统的控制规则表（见表１）。模糊控制状态表包含的每一条模糊条件语句都决定一个模糊关系，有４９个，即通过４９个模糊关系元（ｉ＝１，２，…，４９）的“并”运算，可获取表征温控系统控制规则的总和模糊关系Ｒ，即Ｒ＝Ｒ１∪Ｒ２∪……∪Ｒ４８∪Ｒ４９＝∪４９ｉ＝１Ｒｉ。（２）计算出模糊关系Ｒ后，基于推理合成规则，由系统误差ｅ的论域Ｘ＝狖－６，－５，…，０，＋１，…，＋５，＋６狚和误差变化率ｅｃ的论域Ｙ＝狖－６，－５，－４，…，０，…，＋５，＋６狚，根据语言变量误差Ｅ和误差变化ＥＣ赋值表，针对论域Ｘ，Ｙ全部元素的所有组合，求取相应的语言变量控制量变化Ｕ的模糊集合，并应用最大隶属度法对此模糊集合进行模糊判决，取得以论域ｚ＝狖－６，－５，－４，－３，－２，－１，０，＋１，＋２，＋３，＋４，＋５，＋６狚元素表示的控制量变化值ｕ。在上述离线计算基础上，便可建立如表２所示查询表。查询表犤７犦是真空温控系统模糊控制算法总表，把它存放到计算机的文件中，并编制一个查找查询表的子程序。表１模糊控制规则ＥＮＢＮＭＮＳＺＥＰＳＰＭＰＢＰＢＰＢＰＢＰＢＰＢＰＢＰＢＰＭＰＭＰＭＰＭＰＭＰＢＰＢＮＭＮＭＮＳＰＳＰＳＰＳＰＢＮＭＮＭＮＳＺＥＰＳＰＳＰＭＮＭＮＳＮＳＮＳＰＳＰＭＰＭＮＢＮＳＮＭＮＭＮＭＮＭＮＭＮＢＮＢＮＢＮＢＮＢＮＢＮＢＥｃＰＢＰＭＰＳＺＥＮＳＮＭＮＢ表２模糊控制器查询的建立Ｅ－６６６５５３３３２１００００－５６５５５３３３２１００００－４５５５５３３３２１００００－３５５５５４４４２－１－１－１－１－１－２５５５５３３１００－３－３－３－３－１５５５５３３１０－２－２－３－３－３０３５５５３１０－１－３－５－６－６－６Ｅｃ－６－５－４－３－２－１０１２３４５６１３３３２００－１－３－３－５－６－６－６３０１１０００－１－２－２－５－５－５－５２１３３１００－１－３－３－５－５－６－６４０００－１－１－２－３－３－３－５－５－６－６５０００－１－１－２－２－３－３－３－５－５－６６０００－１－１－１－３－３－３－５－５－６－６!##$Ｒ１＝犤（ＮＢ）Ｅ×（ＰＢ）ＥＣ犦Ｔ×（ＰＢ）ＵＲ４９＝犤（ＰＢ）Ｅ×（ＮＢ）ＥＣ犦Ｔ×（ＮＢ）Ｕ（１）!!··２００９!５#在实际控制过程中，只要在每一个控制周期中，将采集到的实测误差ｅ（ｋ）（ｋ＝０，１，２，…）和计算得到的误差变化ｅ（ｋ）－ｅ（ｋ－１）分别乘以量化因子ｋ１和ｋ２取得以相应论域元素表征的查找查询表所需的Ｅ和Ｅｃ后，通过查找表的相应行和列，立即可输出所需的控制量变化ｕ，再乘以比例因子ｋ３，便是加到被控过程的实际控制量变化值。４真空温度模糊控制模糊控制器的控制算法是由计算机的程序实现的。这种程序一般包括两个部分：一个是计算机离线计算查询表的程序，属于模糊矩阵运算；另一个是计算机在模糊控制过程中在线计算输入变量（误差、误差变化），并将它们模糊量化处理，查找查询表后再作输出处理的程序。不难看出，这些算法程序非常简单，计算机易于实现。图１为模糊控制程序设计流程。通过流程图就可以进行编制实用的控制程序软件了。５ＭＣＧＳ监控软件人机界面当开机完成后，打开参数设定窗口，按试验要求输入试验参数，完成后按确定按钮，则设定参数就会写入，设备就会自动按试验设定参数自动执行。主界面如图２所示。试验程序一旦开始工作，显示器中的工艺流程具有动画效果，表示试验工作已经开始了。如当设备正在加热时，加热单元灯会显示绿色，加热单元到真空室的管路会有红色的流动块，表示正在加热。当设备正在制冷时，制冷机组显示绿色，所有正在工作的元件用绿色表示，所有停止工作的元件用红色表示；当试验完成后，程序自动执行关机程序。工艺流程动画窗口如图３所示。６结果与讨论经过现场调试，实验运行结果令人满意，取得了良好的控制效果。相对于传统的ＰＩＤ控制，模糊控制的响应具有较小的超调量，且调节时间也较短，对被控对象模型的依赖性较低，其控制品质明显高于传统ＰＩＤ所达到的控制性能指标。但同时也应该注意到模糊控制虽然在动态响应与抑制系统内部参数变化对系统输出的影响等方面都能取得较好的效果，结构简单，实现方法简明，但在某些性能方面尚有图１模糊控制程序设计流程开始将量化因子输入ＰＬＣ采样时间到？将Ｅ，Ｅｃ输入ＰＬＣ存储区将输入量量化至模糊论域并存入ＰＬＣ存储区查模糊控制查询表求ＵＵ乘以量化因子清晰化输出控制量结束图２主界面窗口图３工艺流程动画窗口李荣：模糊控制热真空环境模拟设备设计与实现!··２００９!５#宁波职业技术学院学报ＭｏｄｅｌｉｎｇｏｆｔｈｅｈｉｇｈｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｃｕｒｒｅｎｔｍｏｄｅＰＷＭｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒｂａｓｅｄｏｎｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｐｌａｔｆｏｒｍＧＡＯＹｕｎ１，ＷＡＮＧＮｉｎｇ２（１．ＪｉａｎｇｓｕＣｏｌｌｅｇｅｏｆＩｎｆｏｒｍａｔｉｏｎＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｗｕｘｉ２１４０００，Ｃｈｉｎａ；２．ＷｕｘｉＷｆｉｅｒｉＩｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ｗｕｘｉ２１４０００，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：ＴｈｅｐａｐｅｒｉｎｔｒｏｄｕｃｅｔｈｅｆｅａｔｕｒｅｓｏｆｔｈｅｈｉｇｈｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｃｕｒｒｅｎｔｍｏｄｅＰＷＭｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒＵＣ２８４３ｂａｓｅｄｏｎＰＳＰＩＣＥｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｐｌａｔｆｏｒｍａｒｅａｎａｌｙｓｅｄ．ＡｎａｐｐｒｏａｃｈｏｆｍｏｄｅｌｔｈｅＩＣｉｎｓｐｉｃｅｉｓｐｒｅｓｅｎｔｅｄ．Ｔｈｅｍｏｄｅｌｉｍｐｌｅｍｅｎｔａｔｉｏｎｉｎｔｈｅｐｒｏｇｒａｍｉｓｓｕｃｃｅｓｓｆｕｌ．ＣｏｍｐａｒｉｓｏｎｓｏｆｍｅａｓｕｒｅｄＩＣｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅａｎｄｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｒｅｓｕｌｔｓａｒｅｇｉｖｅｎｔｏｉｌｌｕｓｔｒａｔｅｔｈｅｐｒｏｘｉｍｉｔｙｏｆｔｈｅｍｏｄｅｌｓｔｏｒｅａｌＩＣｂｅｈａｖｉｏｕｒ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ＵＣ２８４３；ｍｏｄｅｌ；ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｐｌａｔｆｏｒｍＤｅｓｉｇｎａｎｄｒｅａｌｉｚａｔｉｏｎｏｎｔｈｅｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｅｑｕｉｐｍｅｎｔｓｏｆｈｏｔｖａｃｕｕｍｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔｂａｓｅｄｏｎｆｕｚｚｙｃｏｎｔｒｏｌＬＩＲｏｎｇ（ＤｅｐａｒｔｍｅｎｔｏｆＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓａｎｄＥｌｅｃｔｒｉｃｉｔｙｏｆＬａｎｚｈｏｕＰｅｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌＰｒｏｆｅｓｓｉｏｎａｌＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＣｏｌｌｅｇｅ，Ｌａｎｚｈｏｕ７３００６０，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：ＡｄａｔａｃｏｌｌｅｃｔｉｏｎｓｙｓｔｅｍｂａｓｅｄｏｎＰＬＣｉｓｄｅｓｉｇｎｅｄｔｏｃｏｌｌｅｃｔｔｈｅｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｏｆｅａｃｈａｐｐｏｉｎｔｅｄｐｏｉｎｔｉｎｖａｃｕｕｍｒｏｏｍｓｙｓｔｅｍ．ＲＳ２３２ｓｅｒｉａｌｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｉｓｕｓｅｄｔｏｔｒａｎｓｍｉｔｔｈｅｄａｔａｔｏｔｈｅｉｎｄｕｓｔｒｉａｌｃｏｍｐｕｔｅｒ．Ｔｈｅｆｕｚｚｙｃｏｎｔｒｏｌｉｓｕｓｅｄｔｏｃｏｎｔｒｏｌｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ．ＴａｋｅＭＣＧＳａｓｅｍｕｌａｔｅｆｌａｔ，ｔｈｅｖａｃｕｕｍｒｏｏｍｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｃｏｎｔｒｏｌｓｙｓｔｅｍｉｓｅｍｕｌａｔｅｄ．Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｈｏｗｓｔｈａｔｔｈｅｆｕｚｚｙｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒｈａｓｓｔｒｏｎｇｒｏｂｕｓｔｎｅｓｓａｎｄｑｕｉｃｋｒｅｓｐｏｎｓｅ，ｃａｎｓａｔｉｓｆｉｅｄｔｈｅｒｅｑｕｅｓｔｏｆｔｈｅｇｒｏｕｎｄｔｅｓｔｏｆａｅｒｏｓｐａｃｅｅｑｕｉｐｍｅｎｔｓ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｆｕｚｚｙｃｏｎｔｒｏｌ；ＰＩＤ；ＰＬＣ欠缺，这就需要进一步对将模糊控制与其他的控制策略结合使用的模糊集成控制系统的设计和工程实现进行研究。但总体而言，本研究在不依赖过程对象精确数学模型的基础上，利用ＰＬＣ实现的模糊控制策略己经较好地实现了对电加热器的控制，为同类过程对象的模糊控制的适用性进行了实验论证，并给出了ＰＬＣ实现