基于PCS7的模糊控制功能块的设计与实现
模糊控制的数学理论基础包括：模糊集合、语言变量、逻辑推理，它根据规范化的实践控制经验实现控制作用，工程实践证明，模糊控制主要适用于具有非线性、时变性等复杂系统的控制，而将模糊控制和基于模型的控制方法相结合的先进控制方法对强制通风式加热炉温控系统更具有可研究性。
本文结合Smith预估补偿和FUZZY_PID控制各自的优点，针对加热炉的非线性、时变性、大滞后特性，在强制通风式加热炉基础控制系统基础之上，实现对加热炉物料出口温度的Smith-模糊PID控制，并在Matlab中仿真以及在西门子PCS 7系统中实际实施。
本论文工作成果为同类系统设计起到借鉴作用，同时也提供了将先进控制算法应用到实际控制对象中的可行性途径。 M000191
关键词：强制通风式加热炉 Smith-模糊PID控制 结构化文本 人机界面
The mathematical theory of fuzzy control includes the fuzzy sets, variables, logical reasoning. It achieves control action based on the standardized practice experience. Practice has proved that fuzzy control is mainly applied to the nonlinear, time-varying complex systems. The advanced control method combining fuzzy control and model-based control for forced ventilation furnace temperature control system can be more valuable.
In this paper, the advantages of Smith Predictor is combined with the robust of Fuzzy-PID control in nonlinear systems, this paper builds advanced controller by using Smith_Fuzzy-PID control for the material outlet temperature of furnace. The result is good through Matlab simulation and practical implementation of the Siemens process control system PCS7.
This paper describes the results of Smith_Fuzzy-PID controller, and it plays a reference design in similar systems, while it also provides the feasibility ways for advanced control algorithms applying to actual objects.
Key Words: Forced ventilation furnace; Smith_ Fuzzy-PID Control; SCL ; HMI
目 录 查看完整请+Q:351916072获取
1.绪论 1
1.1背景与意义 1
1.2强制通风式加热炉仿真系统介绍 1
2.加热炉控制系统设计 3
2.1强制通风式加热炉控制系统的设计方案 3
2.1.1强制通风式加热炉的基础控制设计 3
2.1.2物料A出口温度串级控制设计 5
3.强制通风式加热炉控制系统的实施 7
3.1西门子PCS7简介 7
3.2加热炉控制系统硬件设计 8
3.3加热炉控制系统软件设计 8
4.先进控制算法设计与实施 12
4.1Fuzzy_PID控制原理 12
4.1.1变量论域、模糊集、隶属度函数的确立 12
4.1.2制定模糊PID控制规则表 13
4.1.3模糊推理及反模糊化 14
4.1.4量化因子和比例因子的初始化 14
4.2 Smith预估控制及其补偿原理 15
4.3 Smith-模糊PID控制的设计 16
4.4 Smith-模糊PID控制器开发 16
4.4.1 系统模型辨识及离散化 16
4.4.2 模糊PID程序设计 18
4.4.3 FB功能块程序结构及编译 19
4.5 Smith-模糊PID控制器实施与测试 20
5.结论与展望 24
5.1结论 24
5.2展望 24
参考文献 26
附录 27
致谢 44 查看完整请+Q:351916072获取
在实际应用过程中，对大多数复杂的加热炉系统来说常规的控制方法控制效果不明显，随着近年来工业自动化控制技术的快速发展，部分先进的控制策略已经被应用到实际工业加热炉现场，在解决加热炉系统的非线性、时变性、大滞后等难题方面很多专家学者做了大量的理论研究，并进行仿真实验验证理论的可行性。其中Fuzzy control以其较好的控制效果且设计方便在实际工艺现场受到人们的青睐。模糊控制的控制基础是工程师在调节各种工艺过程积累成熟的控制经验，将专家的经验进一步规范化程序化，达到无限接近最优控制效果的目的，其具有以下优点：不依赖被控对象精确数学模型、设计简单、便于应用、抗干扰能力强、响应速度快等。
模糊控制理论和实际应用技术的发展时间并不长，但却在各个领域被广泛应用，随着研究和应用的更加深入，模糊控制与其他先进控制方法相结合用于控制较复杂系统、优化复杂系统动态特性成为模糊控制研究和应用一个重要方向，本文将Smith预估补偿控制和模糊PID控制结合，实现对加热炉物料出口温度的模糊PID-Smith控制。
Smith预估补偿控制对大滞后系统具有较好的控制效果；模糊PID控制因其控制原理，在非线性，时变系统中被广泛应用，通过Matlab仿真以及在PCS 7中实施研究该控制方式的可行性，并对同类对象的控制提供一定的借鉴作用。
本文被控对象是工业现场常用的一种强制通风式加热炉，其工作原理是通过控制泵等动力设备强制物料在加热炉内循环流动并提供能量，热水循环加热炉是最常见的强制加热炉。强制加热炉实际运行工况的好坏很大程度上是由其控制策略、方法决定的，以往运用常规PID控制已经能够实现对加热炉的基本控制任务，未进一步优化，控制效果不能令人满意。
1.2强制通风式加热炉仿真系统介绍
SMPT-1000是一套以65t/h产量负荷的锅炉及蒸发器为原型，模拟锅炉、加热炉及水汽全流程的半实物仿真实验装置，它能精确的反应实际过程工业生产设备的对象特性以及仿真各种工艺工况，具有较高的仿真精度，SMPT-1000实训平台如图1-1所示：
图1-1 SMPT-1000实训平台
本文以SMPT-1000实训平台上的强制通风式加热炉系统为控制对象，该加热炉工艺过程如图1-2所示：
图1-2 强制通风式加热炉工艺简图
物料A为待加热的易燃工业产品，P1101为物料A上料泵，E1101为换热器，F1101为加热炉（包括辐射段、对流段），P1102为燃料泵，K1101为变频风机。
待加热物料A先进入换热器E1101预热，接着进入加热炉F1101的对流段，在此高温烟气对物料A进一步预热再接着物料A全部进入加热炉F1101炉体，加热炉F1101炉体内燃料燃烧释放大量热能对物料A进行主要加热过程，高温热物料A经过温度微调达到工艺所要求的物料温度后即可用于下一工艺生产环节。
加热炉F1101炉体内燃烧的燃料和空气分别由P1102、K1101动力提供，燃烧后产生的烟气通过烟囱排放到大气中。
2.加热炉控制系统设计
2.1强制通风式加热炉控制系统的设计方案
2.1.1强制通风式加热炉的基础控制设计
本文主要针对强制通风式加热炉出口物料温度设计实施模糊PID-Smith控制策略，鉴于加热炉系统本身为一个较为复杂系统，需要其基础控制方案支持加热烈从冷态开车到系统平稳运行，在此基础上才能实施加热炉出口物料温控的先进控制方法。该加热炉控制系统的完整P&ID图见附录7，其基础控制方案详细情况如下：
（1）加热炉物料A进料流量单闭环控制回路
进入加热炉的物料A流量是影响整个生产系统产量的重要指标，同时物料A流量对其出口温度有影响，所以要对物料A流量进行控制。物料A流量的大小直接受物料阀门开度控制，为了保证物料A进料流量稳定在一定范围内，设计物料A进料流量的单闭环控制回路，如图2-1所示：
图2-1 物料A进料流量单闭环回路控制
因待加热物料A易燃，FV1101选气开式线性特性阀；在此单回路控制系统中，调节阀FV1101为正作用，测量变送与被控对象调节作用为正，为了形成负反馈此流量控制器选择反作用；物料A流量涉及到该工艺生产成本是一个非常重要的被控变量，控制器选比例积分(PI)控制。
（2）燃料量-空气量比值控制回路
燃料需要在充足的空气条件下才能完全燃烧，即为了保证充分燃烧空燃比要保持在一定的范围内，因此设计燃料-空气的比值控制回路，一般燃料流量回路为主回路，空气流量回路为副回路。为了保证燃料的充分燃烧和考虑到燃烧的安全问题，选择燃料量为主物料，空气量跟随主物料变化而变化，保持燃/空流量比值不变，设计燃料量-空气量比值控制系统，该比值控制系统如图2-2所示： 查看完整请+Q:351916072获取
本文结合Smith预估补偿和FUZZY_PID控制各自的优点，针对加热炉的非线性、时变性、大滞后特性，在强制通风式加热炉基础控制系统基础之上，实现对加热炉物料出口温度的Smith-模糊PID控制，并在Matlab中仿真以及在西门子PCS 7系统中实际实施。
本论文工作成果为同类系统设计起到借鉴作用，同时也提供了将先进控制算法应用到实际控制对象中的可行性途径。 M000191
关键词：强制通风式加热炉 Smith-模糊PID控制 结构化文本 人机界面
The mathematical theory of fuzzy control includes the fuzzy sets, variables, logical reasoning. It achieves control action based on the standardized practice experience. Practice has proved that fuzzy control is mainly applied to the nonlinear, time-varying complex systems. The advanced control method combining fuzzy control and model-based control for forced ventilation furnace temperature control system can be more valuable.
In this paper, the advantages of Smith Predictor is combined with the robust of Fuzzy-PID control in nonlinear systems, this paper builds advanced controller by using Smith_Fuzzy-PID control for the material outlet temperature of furnace. The result is good through Matlab simulation and practical implementation of the Siemens process control system PCS7.
This paper describes the results of Smith_Fuzzy-PID controller, and it plays a reference design in similar systems, while it also provides the feasibility ways for advanced control algorithms applying to actual objects.
Key Words: Forced ventilation furnace; Smith_ Fuzzy-PID Control; SCL ; HMI
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1.绪论 1
1.1背景与意义 1
1.2强制通风式加热炉仿真系统介绍 1
2.加热炉控制系统设计 3
2.1强制通风式加热炉控制系统的设计方案 3
2.1.1强制通风式加热炉的基础控制设计 3
2.1.2物料A出口温度串级控制设计 5
3.强制通风式加热炉控制系统的实施 7
3.1西门子PCS7简介 7
3.2加热炉控制系统硬件设计 8
3.3加热炉控制系统软件设计 8
4.先进控制算法设计与实施 12
4.1Fuzzy_PID控制原理 12
4.1.1变量论域、模糊集、隶属度函数的确立 12
4.1.2制定模糊PID控制规则表 13
4.1.3模糊推理及反模糊化 14
4.1.4量化因子和比例因子的初始化 14
4.2 Smith预估控制及其补偿原理 15
4.3 Smith-模糊PID控制的设计 16
4.4 Smith-模糊PID控制器开发 16
4.4.1 系统模型辨识及离散化 16
4.4.2 模糊PID程序设计 18
4.4.3 FB功能块程序结构及编译 19
4.5 Smith-模糊PID控制器实施与测试 20
5.结论与展望 24
5.1结论 24
5.2展望 24
参考文献 26
附录 27
致谢 44 查看完整请+Q:351916072获取
在实际应用过程中，对大多数复杂的加热炉系统来说常规的控制方法控制效果不明显，随着近年来工业自动化控制技术的快速发展，部分先进的控制策略已经被应用到实际工业加热炉现场，在解决加热炉系统的非线性、时变性、大滞后等难题方面很多专家学者做了大量的理论研究，并进行仿真实验验证理论的可行性。其中Fuzzy control以其较好的控制效果且设计方便在实际工艺现场受到人们的青睐。模糊控制的控制基础是工程师在调节各种工艺过程积累成熟的控制经验，将专家的经验进一步规范化程序化，达到无限接近最优控制效果的目的，其具有以下优点：不依赖被控对象精确数学模型、设计简单、便于应用、抗干扰能力强、响应速度快等。
模糊控制理论和实际应用技术的发展时间并不长，但却在各个领域被广泛应用，随着研究和应用的更加深入，模糊控制与其他先进控制方法相结合用于控制较复杂系统、优化复杂系统动态特性成为模糊控制研究和应用一个重要方向，本文将Smith预估补偿控制和模糊PID控制结合，实现对加热炉物料出口温度的模糊PID-Smith控制。
Smith预估补偿控制对大滞后系统具有较好的控制效果；模糊PID控制因其控制原理，在非线性，时变系统中被广泛应用，通过Matlab仿真以及在PCS 7中实施研究该控制方式的可行性，并对同类对象的控制提供一定的借鉴作用。
本文被控对象是工业现场常用的一种强制通风式加热炉，其工作原理是通过控制泵等动力设备强制物料在加热炉内循环流动并提供能量，热水循环加热炉是最常见的强制加热炉。强制加热炉实际运行工况的好坏很大程度上是由其控制策略、方法决定的，以往运用常规PID控制已经能够实现对加热炉的基本控制任务，未进一步优化，控制效果不能令人满意。
1.2强制通风式加热炉仿真系统介绍
SMPT-1000是一套以65t/h产量负荷的锅炉及蒸发器为原型，模拟锅炉、加热炉及水汽全流程的半实物仿真实验装置，它能精确的反应实际过程工业生产设备的对象特性以及仿真各种工艺工况，具有较高的仿真精度，SMPT-1000实训平台如图1-1所示：
图1-1 SMPT-1000实训平台
本文以SMPT-1000实训平台上的强制通风式加热炉系统为控制对象，该加热炉工艺过程如图1-2所示：
图1-2 强制通风式加热炉工艺简图
物料A为待加热的易燃工业产品，P1101为物料A上料泵，E1101为换热器，F1101为加热炉（包括辐射段、对流段），P1102为燃料泵，K1101为变频风机。
待加热物料A先进入换热器E1101预热，接着进入加热炉F1101的对流段，在此高温烟气对物料A进一步预热再接着物料A全部进入加热炉F1101炉体，加热炉F1101炉体内燃料燃烧释放大量热能对物料A进行主要加热过程，高温热物料A经过温度微调达到工艺所要求的物料温度后即可用于下一工艺生产环节。
加热炉F1101炉体内燃烧的燃料和空气分别由P1102、K1101动力提供，燃烧后产生的烟气通过烟囱排放到大气中。
2.加热炉控制系统设计
2.1强制通风式加热炉控制系统的设计方案
2.1.1强制通风式加热炉的基础控制设计
本文主要针对强制通风式加热炉出口物料温度设计实施模糊PID-Smith控制策略，鉴于加热炉系统本身为一个较为复杂系统，需要其基础控制方案支持加热烈从冷态开车到系统平稳运行，在此基础上才能实施加热炉出口物料温控的先进控制方法。该加热炉控制系统的完整P&ID图见附录7，其基础控制方案详细情况如下：
（1）加热炉物料A进料流量单闭环控制回路
进入加热炉的物料A流量是影响整个生产系统产量的重要指标，同时物料A流量对其出口温度有影响，所以要对物料A流量进行控制。物料A流量的大小直接受物料阀门开度控制，为了保证物料A进料流量稳定在一定范围内，设计物料A进料流量的单闭环控制回路，如图2-1所示：
图2-1 物料A进料流量单闭环回路控制
因待加热物料A易燃，FV1101选气开式线性特性阀；在此单回路控制系统中，调节阀FV1101为正作用，测量变送与被控对象调节作用为正，为了形成负反馈此流量控制器选择反作用；物料A流量涉及到该工艺生产成本是一个非常重要的被控变量，控制器选比例积分(PI)控制。
（2）燃料量-空气量比值控制回路
燃料需要在充足的空气条件下才能完全燃烧，即为了保证充分燃烧空燃比要保持在一定的范围内，因此设计燃料-空气的比值控制回路，一般燃料流量回路为主回路，空气流量回路为副回路。为了保证燃料的充分燃烧和考虑到燃烧的安全问题，选择燃料量为主物料，空气量跟随主物料变化而变化，保持燃/空流量比值不变，设计燃料量-空气量比值控制系统，该比值控制系统如图2-2所示： 查看完整请+Q:351916072获取
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