机械 2005 年 第32 卷 增刊 ·147· PLC 在模糊控制中的应用 张崇智 （中国一航 北京航空材料研究院，北京 100095） 摘要：阐述了应用 PLC 进行模糊控制的控制原理、设计及模拟分析。该设计采用分区控制的方法，具有过冲小、调节迅 速、运行平稳等优点。 关键词：PLC；D/A 转换；模糊控制 在自动控制领域中，对于难以建立数学模型、非线性、 大滞后和时变的控制对象采用传统的控制策略，如 PID， 往往难以实现自动控制，比如各种工业窑炉、水处理等； 对于这样的系统，由操作人员凭直觉和经验来进行手动操 作却往往运行得比较好。 采用模糊逻辑把人的控制经验归纳为用定性描述的 一组条件语句，然后利用模糊集理论，将其定量化，使控 制器得以接受人的经验、模仿人的操作策略，这就形成了 所谓的模糊控制器。这种控制器来自于操作员的经验或实 际实验的结果，而不是来自于数学模型。可以完全替代人 的手动操作，可克服人的不确定因素，使系统具有更高的 可靠性；更重要的是它能解决传统基于线性系统理论难以 解决的控制问题：传统的控制系统设计，总是假定对象为 严格线性的，这种简化只适用在稳定条件下，当强干扰使 过程操作点远离原设定的工作点时，这种线性的假设将不 成立。同样，随时间的推移，过程参数发生变化后，也是 如此。在这种情况下，用模糊控制器扩展或替代 PID 控制 器，将达到更好的控制性能，甚至比传统的我们熟悉的状 式中：et 为当前时刻的偏差；et-1 为前一个采样时刻的偏 差 设定采样周期为 10 秒。由于模糊控制规则是根据人 们对过程控制的操作经验制定的，所以模糊控制器总是选 择偏差 e 和偏差变化率 e′作为输入变量，而把控制量 u 作为控制器的输出变量。PLC 的 D/A 模块实现执行元件 的输出。 给定 y0 e 模糊化 模糊判断 e′ de dt u 控制器 传动 y y(t) A/D 转换 传感器 图 1 模糊控制器 1.2 模糊控制调节机构 态控制器或自适应算法还好。正是因为模糊控制的这些优 将所选择的模糊子集进行匹配，首先将模糊变量 e 和 点，目前已成功地应用在工业过程控制、机器人、家用电 器等诸多领域。 模糊控制不需要建立精确的数学模型，即可实现用户 的要求，具有较好的鲁棒性。为此，我们采用三菱公司的 PLC 进行了模拟试验并取得了很好的效果。 1 模糊控制的规则及原理 1.1 输入与输出变量 图 1 所示模糊控制器，设被控对象的给定值为 y0， 实测值为 y(t)，则闭环偏差为 e e=y(t)－y0 偏差变化率为 e′ e′=et－et-1 e′分成 7 档: e={NL,NM,NS,Z,PS,PM,PL} e′={NL,NM,NS,Z,PS,PM,PL} 上述子集缩写符号和取值说明如下: NL 为负大，NL=－3；NM 为负中，NM=－2；NS 为 负小，NS=－1；Z 为零，Z=0；PS 为正小，PS=1；PM 为 正中，PM=2；PL 为正大，PL=3。 然后，根据这两个变量可以得到另一个模糊变量集 u。 由经验所确定的 u 值输入到 PLC，即可实现过程的控制。 u={-3,-2,-1,0,1,2,3}，事实上，u 的子集仅代表 7 个档(多少 由 e 和 e′而定)，数值内容由技术要求而定(见表 1)。 2 模糊算法的 PLC 实现 通过对比分析决定采用了日本三菱公司 FX2 系列 

·148· 机械 2005 年 第 32 卷 增刊 PLC，按照上述要求进行编程，由于 FX2 的功能指令十分 强大，所以整个模糊控制算法子程序编制非常容易。控制 系统由 FX2-24MT 基本单元、FX-4AD 模拟量输入模块和 FX-2AD 模拟量输出模块组成。表中的控制量按列顺序由 编程器存入 PLC 的文件寄存器中，控制量的首地址为 D1000，末地址为 D1048，计算偏移地址 Z 用变址寻址的 方法查表。 表 1 模糊控制查询表 e 0 -2 -1 -1 0 1 1 2 1 -1 -1 0 1 1 2 2 2 -1 0 1 1 2 2 3 3 0 1 1 2 2 3 3 u -3 -3 -3 -2 -2 -1 -1 0 -2 -3 -2 -2 -1 -1 0 1 -1 -2 -2 -1 -1 0 1 1 e′ -3 -2 -1 0 1 2 3 查询方法： D0=e+3 D1=e′+3 D2=6×D0+D1→ZD1000+Z 就是控制量存放的地址。 部分程序如下: LD M8000 [ZCP K-3 K3 D10 M0] [ZCP K-3 K3 D11 M3] [BON D10 M10 K15] [BON D11 M11 K15] [BMOV D1000Z D20 K1] 当且仅当－33 则 M2 为 ON。类似地，e′也分为三个区域，若 e′< －3，则 M3 为 ON；若－33，则 M5 为 ON；若 e<0，则 M10 为 ON；若 e′<0， 则 M11 为 ON。利用这些辅助继电器的值可以组合成九种 逻辑控制条件，CPU 根据实际情况查表将控制量 D20 送 到 D/A 模块来实现执行元件的输出。 3 结论 综合上述分析，可以看出，模糊控制是根据 e 和 e′ 来确定控制量的，它既看现状又看动向，通过软件硬件的 调试和模拟实验，表明它对设定的工艺曲线跟踪情况非常 好，运行稳定，完全能够满足设计要求，可以成功应用到 生产实践中去。 参考文献： [1]汤兵勇，路林吉，王文杰.模糊控制理论与应用技术[M].北京：清 华大学出版社，2002. [2]余永权.模糊控制技术与模糊家用电器[M].北京：北京航空航天大 学出版社，2000. [3]黄云龙.可编程控制器教程[M].科学出版社，2003. 执行 M42 换低速档，RG1=1、RG2＝0，条件也满足，启 动主轴，还是出现 AL-12 报警。同时发现，主轴箱在换 档的过程中，有异常响声。这说明主轴箱内存在有机械故 障。检查主轴箱，发现换档机构正常，但齿轮边缘有变形 现象。经修整后，安装好主轴电动机，启动机床，完全恢 复正常。此外，通过调整系统 5613 号参数，消除了主轴 零点漂移。 数控机床中的无报警故障大都是一些较难处理的故 障。在有些故障中，以机械原因引起的较多，其次是一些 综合因素引起的故障，对这些故障的修理一般具有一定的 难度，特别是对故障的现象判断尤其重要。在数控机床的 修理中，对这方面故障的判断经验只有在实践中进行摸 索，不断总结，不断提高，以适应现代工业新型设备维修 的需要。 参考文献： [1]王侃夫. 数控机床故障诊断及维护[M].北京：机械工业出版社， 2000.