基于西门子BS-RWB型变送器实现齿轮箱加载实验温度模糊控制器的设计

引言

齿轮箱加载实验是齿轮箱出厂前保证产品质量的必备工序，即保持齿轮箱油温高温下（100℃）使齿轮箱带负荷运行，达到检验齿轮箱性能的目的。传统PID调节器的设计建立在精准数学模型上，由于实际油温控制系统存在大惯性滞后环节，而且随着实验的进行油的成份会发生变化，导致惯性时间常数变化。另外，齿轮箱加载与不加载，会导致整个温控系统参数变化较大，难以建立系统的精准数学模型。而模糊控制的设计建立在操作者的实际控制经验上，不依赖精准的数学模型。故对基于模糊技术的齿轮箱加载实验油温调节系统进行设计。

1、硬件设计

系统硬件设计如图1。其温度变送器选用西门子BS-RWB型变送器，其测量温度-50～150℃、输出电流4～20mA。EM235模拟量模块可将0～20mA的电流转化成0～32000的整数，以实现对温度的测量。S7-200是西门子PLC，有PWM输出功能。根据给定温度和测量温度的偏差，经模糊控制器得出PWM占空比，控制固态继电器的通断，从而控制加热元件达到温度自动调节的目的。PWM是脉宽调制，控制量的输出是一个采样周期的脉冲宽度，脉宽越宽，控制量越大，加热元件发热越厉害，温度越高。硬件采用模块化设计可靠程度高。

2、 温度模糊控制器的设计

2.1 模糊化

1）观测量模糊化

用给定温度与测量温度的偏差作为观测量x∈X，X为论域：X={3，-2，-1，0，1，2，3}。

记温度模糊观测量为5个模糊集合PBx（正大）、PSx（正小）、0x（零）、NSx（负小）、NBx（负大），它们的隶属函数如表1。

2）控制量增量模糊化

控制量增量模糊化用PWM占空比增量y∈Y表示，Y为论域：

Y={-40％，-30％，-20％，-10％，0，10％，20％，30％，40％}

与观测量类似，也采用等级来描述控制量。记占空比增量为5个模糊集合PBy（正大）、PSy（正小）、0y（零），NSy（负小）、NBy（负大），其隶属函数如表2。采样周期的单位通常为秒，周期占空比增量以百分数的形式表示。

2.2 建立模糊控制规则一，构造模糊关系矩阵

根据实际经验温度偏差正大，需增加PWM占空比正大，温度偏差正小，需增加PWM占空比正小，得出模糊控制规则如表3。

2.3 模糊判决

采用最大隶属原则：

y0={（-40％，0），（-30％，0），（-20％，0.2），（-10％，0.5），（0％，0.5），（10％，1），（20％，0.5），（30％，0.5），（40％，0.5）}

故确切的响应是PWM的占空比增加10％。

3 、测试结果

在采样周期是5s的情况下，从室温38℃加热到100℃的数据，如表4。

在100℃油温下齿轮箱转速从0 r／min上升到2400r／min的数据，如表5。

测试表明系统运行稳定，超调量较小，满足齿轮箱加载实验温度控制的要求。

4 、结束语

该温度模糊控制器的设计步骤简单、调试方便、通用性强，在工程实践中有好的使用价值。

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