摘要
可编程序逻辑控制器(Prgogrammable Logic Conortller)以其可靠性高、抗干扰能力强、功能丰富等强大技术优势,成为目前自动化领域的主流控制装置。然而,PLC还大都只是承担最基本的控制功能,如顺序控制和PID反馈控制。随着工业的不断发展,过程对象越来越复杂,非线性、大滞后、数学模型难以建立,单纯的PID控制很难满足控制要求。而先进控制策略对于解决这类系统的控制问题,显示出强大的优势。因此把先进控制嵌入到PLC中是当前一个研究热点。
论文首先在前人研究的基础上总结了先进控制策略在PLC上实现的研究现状,重点分析了PLC模糊控制器和PLC预测控制器的实现方法。随后介绍了西门子SIMATIC S7-300 PLC系统及其组态软件STEP7,并给出了基于S7一300PLC的常规控制系统的组态和基本控制算法的实现。在此基础上,重点研究了先进控制策略中模糊算法和预测算法,结合PLC的特点,给出了基于PLC的模糊控制和单值广义预测控制的实现方法,并详细阐述了PLC模糊控制器和PLC预测控制器的设计步骤。最后,结合工业对象模型,建立仿真系统,验证了PLC模糊控制器、PLC预测控制器的可靠性和有效性。
论文的工作充分表明PLC先进控制策略实现的可行性,基于PLC的先进控制的研究开辟了自控系统研究的一个新的领域,由于PLC在工业中的广泛应用,所以基于PLC的先进控制有着广阔的发展前景。
关键词：PLC，STEP7，模糊控制，预测控制
第一章 前言
1.1 论文研究的目的和意义
可编程序逻辑控制器(Programmable Logic Controller,PLC)具有可靠性高、抗干扰能力强、功能丰富等强大技术优势,已经成为目前自动化领域的主流控制系统。然而,从目前的应用情况来看,PLC还大都只是承担最基本的控制功能,如顺序控制、数据采集和PID反馈控制。各个PLC厂家也在其产品中设计了PID模块。虽然PID算法控制有很高的稳定性,但对于一些复杂控制系统,PID控制很难满足控制要求,这也使PLC的发展面临着一种挑战"随着越来越多的PLC产品与IEC1131一3标准兼容,PLC控制系统越来越开放,将先进控制算法嵌入PLC常规控制系统成为可能。本课题从工业控制实际应用角度出发,对PLC的控制功能进行深入的研究和探讨,以提高和扩展PLC控制器的应用水平和应用范围。本课题:PLC先进控制性能的研究与应用,其目的是通过研究使一些先进控制算法在PLC及组态系统上得以实现,并开发相应的应用程序,经过验证后最终应用到工业过程控制中去。
在PLC组态系统中实现先进控制算法,包括预测控制算法和模糊逻辑控制算法,形成具有人工智能的控制模块及网络系统,能大大提高系统的控制水平,改善控制质量。从经济角度来看,目前PLC生产商的一些产品具备先进控制模块,如模糊模块。但它们的价格十分昂贵,且封闭性较强,不适合我国中小型企业的工业改造。因此开发较为通用的先进算法实现技术,对于我国中小型企业的工业改造具有很大的意义,既可降低生产成本,又可提高经济效益。
模糊控制与预测控制是智能控制中技术较为成熟的分支,因此,研制和开发出适合工业环境的实时先进控制开发工具,实现模糊控制、预测控制嵌入PLC,与常规控制集成运行,让先进控制从教授、专家手中走出来,实现先进控制的工程化、实用化、转化为社会生产力,对缩短控制系统开发周期,加快先进控制技术的广泛应用,提高我国的工业自动化水平有着重大的意义。
1.2 国内外文献综述
1.2.1 先进控制的发展及现状
在过程工业界,从40年代开始,采用PDI控制规律的单输入单输出简单反馈控制回路己成为过程控制的核心系统。目前,PID控制仍广泛应用,即便是在大量采用DCS控制的最现代的工业生产过程中,这类回路仍占总回路80%一90%。这是因为PID控制算法是对人的简单而有效操作的总结和模仿,足以维护一般过程的平稳操作与运行,而且这类算法简单且应用历史悠久,工业界比较熟悉且容易接受。然而,单回路PID控制并不能适用于所有的过程和不同的要求。50年代开始,逐渐发展了串级、比值、前馈、均匀和Smith预估控制等复杂控制系统,即当时的先进控制系统,在很大程度上满足了单变量控制系统的一些特殊的控制要求。
在工业生产过程中,仍有10%一20%的控制问题采用上述控制策略无法奏效,所涉及的被控过程往往具有强藕合性、不确定性、非线性、信息不完全性和大纯滞后等特性,并存在着苛刻的约束条件,更重要的是它们大多数是生产过程的核心部分,直接关系到产品的质量、生产率和成本等有关指标。随着过程工业日益走向大型化、连续化,对工业生产过程控制的品质提出了更高的要求,控制与经济效益的矛盾日趋尖锐,迫切需要一类合适的先进控制策略。
自50年代末发展起来的以状态空间方法为主体的现代控制理论,为过程控制带来了状态反馈、输出反馈、解藕控制、自适应控制等一系列多变量控制系统设计方法。上述多变量控制策略有其自身的不足之处,工业过程的复杂性使得建立其正确的数学模型比较困难。同时,计算机技术的持续发展使得计算机控制在工业生产过程中得到了广泛的应用,强大的计算能力可以用来求解过去认为是无法求解的问题,这一切都孕育着过程控制领域的新突破。
整个80年代,出现了许多约束模型预测控制的工程化软件包。通过在模型识别、优化算法、控制结构分析、参数整定和有关稳定性和鲁棒性研究等一系列工作,基于模型控制的理论体系已基本形成,并成为目前过程控制应用最成功,也最有前途的先进控制策略。近年来,人工智能技术有了长足的长进并在许多科学与工程领域中取得了较广泛的应用。就过程控制而言,专家系统、神经网络、模糊系统是最有潜力的三种工具。专家系统可望在过程故障诊断、监督控制、检测仪表和控制回路有效性检验中获得成功应用"神经网络则可以为复杂的非线性过程的建模提供有效的方法,进而可用于过程软测量和控制系统的设计上。模糊系统不仅是行之有效的模糊控制理论基础,而且有望成为表达确定性和不确定性两类混合并提炼这些经验使之成为知识进而改进以后的控制,也将是先进控制的重要内容。
由于先进控制受控制算法的复杂性和计算机硬件两方面因素的影响,早期的先进控制算法通常是在PC机和UNIX机上实施的。随着DCS功能的不断增强,更多的先进控制策略可以与基本控制回路一起在DCS控制站上实现。国外发达国家几乎所有企业都采用了DCS系统或其它智能化设备来实现对生产过程的控制,并在此基础上通过实施先进控制与优化较大的提升了系统的性能。可以说,高性能控制系统,尤其是DCS系统的普及为先进控制的应用提供了强有力的硬件和软件平台。国外从70年代末就开始了先进控制技术商品化软件的开发及应用,并在DCS的基础上实现先进控制和优化。如爱默生公司的Delta V和Honeywell公司的TDC3000,其先进控制软件RMPCT和RPID等在现场的实际应用都集中在自己的DCS系统上。传统的PLC由于不支持浮点运算以及先进控制所必须的精确的时间,因此,除了模糊逻辑控制外,其他的先进控制并没有在PLC平台上实现。然而,在过程工业中大多系统使用先进灵活的PLC控制系统,因此1996年Barnes提出了一种基于PC一PLC通讯的混合方式,通过控制网络实现计算机与PLC的通讯,从而实现先进控制。
1.2.2 PLC在工业控制领域的应用及存在的问题
(一)PLC在工业自动化控制中的应用
可编程逻辑控制器(PLC)是一种数字运算操作的电子系统,专为工业环境下应用而设计。它采用可编程序的存储器,用夹在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、记数和算术运算等操作指令,并通过数字式、模拟式的输入和输出, 控制各种类型的机械或生产过程。自从1969年第一台PLC在美国问世以来,各工业发达国家相继推出自己的PLC产品,发展十分迅猛,其应用几乎遍及工业自动化的各个领域。PLC在工业控制领域的应用可分为以下几种类型:
1.开关量的逻辑控制
这是PLC最基本、最广泛的应用领域,它取代传统的继电器控制系统。实现逻辑控制、顺序控制,可用于单机控制、多机群控、自动化生产线的控制。
2.位置控制
大多数PLC制造商,目前都提供拖动步进电机或伺服电机的单轴或多轴位置控制模块。这一功能广泛用于各种机械,如金属切削机床、金属成型机床、装配机械、机器人和电梯等。如PLC和计算机数控（CNC）装置组合一体,可以实现离散、分级的数值控制,组成数控机床控制系统。
3.闭环过程控制
过程控制是指对温度、压力、流量等连续变化的模拟量的闭环控制。现代大型PLC都配有PID子程序或PID模块,可实现单回路、多回路的自动调节控制。
4.用于组成多级控制系统,实现工厂自动化网络
5.计算机的下位前端级控制
高功能PLC用作程序控制的同时,还能够进行数值运算和简单的数据处理,具有传感器和驱动器的接口。
在多年的生产实践中,逐渐形成了PLC、DCS与IPC三足鼎立之势,如表1-1，,还有其它的单回路智能式调节器等在市场上占有一定的百分比。
表1-1
| 市场占有率 | PLC | DCS | IPC |
| 1993年 | 39亿美元（46%） | 26.4亿美元（31%） | 10.2亿美元（12%） |
| 2000年 | 76亿美元（50%） | 41亿美元（27%） | 21.3亿美元（14%） |
随着技术的发展和市场需求的增加,PLC的结构和功能不断改进,生产厂家不断推出功能更强的新产品。现代PLC的发展的主要趋势是向大型网络化、高可靠性、好的兼容性、多功能方面发展。一个或若干PLC与PC机联出系统,Pc机起到原编程器及人机界面操作站的作用,这20世纪90年代的新潮流,这样为系统集成带来了商机,同时编程软件和人机界面软件(监控软件或称组态软件)及软件接口(或称驱动软件)也得到了发展。近年来,PLC厂家在原来CPU模板上提供物理层RS232/422/485接口的基础,逐渐增加了各种通讯接口,而且提供完整的通讯网络。由于近来数据通讯技术发展很快,用户对开放性要求很强烈,现场总线技术及以太网技术也同步发展,所以PLC构成的PCS系统比DCS的开放性所处的现状更好一些。目前罗克韦尔AB公司已形成了多层结构体系,即Ether Net、ControlNet、Device Net及Asi等现场总线。西门子公司在Profibus-DP通讯网络及Profibus一FMS网络以外,提出了S7 Routing网络,即Profibus-DP和Indusrtial-Enternet两层结构。网络向上连是互联网问题,向下连是现场总线问题,另外现有网络能否用以太网“e网到底”方式、网络采用客户器/服务器方式、浏览器/服务器方式、生产者/消费者方式、接口软件采用OPC方式等问题都有待进一步落实。PLC与智能MCC马达控制中心、与数控机床配套的NOCNC数控设备,以及与其它运行控制系统、电控设备、变频器和软起动器等连成系统；PLC要与DCS分工合作,充当DCS的远程1/0站等；PLC要与PIC分工合作,除用PIC作人机界面外,作软件PLC的1/0部件也是可行的；此外还有PLC与紧急停车安全系统(ESD,Emergency Shut Down Systems)的关系、与立体仓库、机器人、CAD/CAM等等都要处理好关系。总之,PLC要兼容各种新技术,使PLC成为真正意义上的“电脑0”。
PLC的应用领域是宽阔的,还有许多领域急待开拓,如用于海关过境车辆认证、自动售药(若干中药店)在我国已有实例。另外,在离散事件系统中,如公路网交通流(车辆计数、乘客计数及停留时间计量)、物流系统、柔行制造系统(敏捷制造系统)及一切非标准服务系统中,均可以采用PLC,进而建模和采取对策并优化。
(二)PLC在工业自动化控制中存在的问题
PLC的最大缺点是软硬件体系封闭，专用总线、专用通信网络协议、各公司的结构不一致等问题造成各种不兼容。虽然1992年颁布了《可编程序控制器的编程软件标准》，但是很多工业生产的环境都容易对PLC的使用产生影响，从而妨碍其正常运行。
1．温度。PLC的工作温度为0℃～55℃，因此，在PLC的安装过程中要考虑到散热性的要求，防止阳光直射，尽量远离发热量大的其他设备。如果周围温度大于55℃，则要安装通风装置或制冷装置，以降低PLC的工作温度，满足PLC正常工作的温度需求。
2．湿度。为了保证PLC元件的稳定性，要注意湿度控制。元器件的绝缘性与环境水汽含量有关，应保证相对空气湿度在85％以下。
3．震动控制。PLC对防震有一定要求，其工作环境要尽可能远离频率在10～55 Hz之间的震动，必要时要采取措施减少震动危害。
1.2.3 PLC基本控制方法
PLC从其出现到现在己有30年的历史,以微处理器为基础,综合了计算机技术,自动控制技术和通信技术发展起来的一种通用的工业自动控制装置。PLC最初只用于开关量的简单控制,发展到后来的连续系统的PID反馈控制。由于PLC的强大的功能,它被广泛的应用于工业控制系统中。随着工业技术的不断发展,工业控制系统也呈现出大规模更复杂特点和功能,基于PLC的控制方案必须依据系统的规模和特点不断的完善与更新,才能适应工业的发展,满足用户的需求。
基于PLC的控制系统大致可以分为以下几种:
1.PLC单机/扩展控制系统
对于小规模控制系统,被控对象少,输入输出点数较少,控制要求也比较简单,如数据采集,简单的顺序控制,闭环回路的PID控制等,一个的PLC便能满足要求；若FO点数较多,一个机架的所有插槽都被占用,可以使用扩展机架进行系统的扩展。
2．PLC分布式控制系统
实际应用中许多控制系统被控对象数量多,分散分布且分布距离甚远,此时若采用一台PLC控制,全部的I/O设备都集中在控制室,则从控制室I/O设备到现场生产设备的控制电缆冗长繁杂,安装困难且易受各种电磁干扰。对于此类被控对象应采用分布式控制系统。PLC可用远程I/O站和PLC网络两种形式组成分布式控制系统。
(l)远程I/O站组成的分布式控制系统
支持远程I/O站的PLC系统一般由一个本地站和多个远程I/O站组成,本地站和各远程I/O站均由配置在本地站上的控制器控制。本地站配置有控制器、远程I/O处理器、I/O模块及其他设备。远程站配置有远程I/O适配器、I/O模块及其他设备。本地站中远程I/O处理器和各远程站中远程UO适配器之间用一根同轴电缆以总线、环形等拓扑结构连接起来,构成PLC远程通讯系统。
(2)PLC网络组成的分布式控制系统
采用PLC网络技术,每个被控子系统配置一套带网络适配器的PLC系统就近控制,各PLC的网络适配器之间用一根通讯电缆连接起来,构成PLC网络。各PLC控制器对不依赖于其他生产子系统的内部逻辑进行解算和I/O控制。可见采用PLC网络能进一步提高控制系统得可靠性和灵活性。
3.IPC一PLC分布式测控系统
工控机(IPC)和PLC作为工业自动化领域两支重要的支柱,在现代化工业生产中得到了极为广泛的应用,采用PLC和工控机进行分布式测控可以使两者互补功能上的不足,前者用于控制方面方便又可靠,而后者在图形显示、数据处理、打印报表以及文字显示等方面有很强的功能。通常,这类系统采用RS485总线型主从分布式工业通讯网络进行测控,由一台工控机作为上位机,通过RS485总线管理着若干台PLC,并完成图形显示、曲线绘制、数据建档、打印报表等。而PLC作为下位机完成执行机构的控制、传感器信号的数据采集等。
4.基于PLC的现场总线系统
随着企业综合自动化系统的推进,需要把企业经营决策、生产调度、过程优化和设备管理等与过程控制系统紧密地结合在一起进行数据综合处理,这就需要系统具有网络化开放式的结构"因此基于PLC的现场总线系统应运而生。
(1)系统网络结构
系统通常由2级网络结构组成:底层是基于PROFIBUS一DP、AP的现场级设备层控制系统；上层是基于PROFIBUS一FMS或工业以太网及TCP/IP的车间级监控系统。
(2)控制器或主站
控制器基于通用工业PC机、Windows/NT软硬件平台。
(3)具有现场总线接口的底层现场设备
一般包括分散式I/O站、智能分散式I/O一PLC从站、智能交直流驱动器、智能执行机构、人机接口HMI、传感器与变送器等。
1.2.4 PLC基本控制方法
(一)通信功能
随着计算机技术的发展，网络通信在控制系统特别是工业自动化控制中广泛应用，通信功能受到高度重视。PLC通信包括PLC间的通信和PLC与其他智能设备之间的通信。将重要数据传递或共享给其他系统来进行信息处理，是PLC通信功能的突出特点。
当前，PLC的通信功能不断加强。以三菱公司的FX系列PLC为例，它通过接入开放式通信网络，使用MELSEC远程链接CC—Link系统主站模块、CC—Link接口模块、DeviceNet接口模块、AS—I主站模块等，组成远程I／O网络FX提供专用的通信协议，符合通信中的ASC II传输模式，PLC一侧不需要用户编程，用户只需简单设置就可以实现自动通信。
(二)特点
1．通信协议统一。PLC的发展趋势是采用国际标准通信协议，给不同厂家的产品互联互通和用户使用提供便利，这使得通信开放程度提高了。
2．密切结合现场总线。因为很多现场总线都是PLC生产厂家开发的，所以它与PLC关系密切。在PLC中，使用较多并且已进入国际标准的现场总线有DeviceNet Profibus AS—I等。
3．通信程序设计简单化。使用时通信协议只需编写计算机一侧的程序，就可以实现PLC的自动接收发送。很多厂家还设计了专门的计算机和PLC通信的接口软件，来减少用户编写计算机通信程序的工作量。
第二章 PLC模糊控制器的研究与实现
多年来我国科研人员在模糊控制理论和方法的研究取得了可喜的成绩,其中有的己经接近或达到世界先进水平,给我国的工业自动化事业带来深刻影响,这确实是一个很大的进步。但在我国先进的模糊控制理论与工程实践之间存在巨大的脱节,工业生产过程控制系统很少应用模糊控制理论和设计方法,绝大多数实际的工程项目仍在使用传统的控制理论、方法和技术。常规自动控制系统:如集散控制系统(DCS)、可编程序控制器（PLC）、工业控制计算机等大多基于传统PID控制,难以实现对多变量、非线性、大滞后、不确定、无法建模的复杂对象的控制。模糊控制是智能控制中技术最为成熟的一个分支,因此,研制和开发出适合工业环境的实时模糊控制开发工具,实现模糊控制嵌入PLC,与常规控制集成运行,实现模糊控制的工程化、实用化、转化为社会生产力,对缩短控制系统开发周期,加快先进控制技术的广泛应用,提高我国的工业自动化水平有着重大的意义。
2.1模糊控制算法与系统
2.1.1 模糊控制理论
近半个世纪以来,经典控制和现代控制理论、方法和技术(简称传统控制),取得了令人瞩目的成就,在国民经济各个领域发挥了很大的作用。随着工业生产过程的发展,现代工业自动控制系统对控制精度、响应速度、系统稳定性与适应能力的要求越来越高。由于传统控制是建立在精确的系统数学模型基础上,而实际系统常常存在复杂性、非线性、时变性、不确定性等问题,难以获得精确数学模型,传统控制在工业生产的许多场合难以奏效。
1974年,英国伦敦大学的E.H.Mmadani教授首先把模糊集合理论用于锅炉和蒸汽机控制,开创了模糊控制的先河,并取得了比传统的直接数字控制算法更好的效果,从而宣告模糊控制的诞生。
模糊控制是以人的控制经验作为控制的知识模型,以模糊集合、模糊语言变量以及模糊逻辑推理作为控制算法的数学工具,用计一算机来实现的一种计算机智能控制。它的基本思想是把人类专家对特定的被控对象或过程的控制策略总结成一系列以“IF(条件)THEN(作用)”产生式形式表示的控制规则,通过模糊推理得到控制作用集,作用于被控对象或过程,适合用于控制没有数学模型或者很难建立数学模型的复杂系统。控制作用集为一组条件语句,状态条件和控制作用均为一组被量化了的模糊语言集,如:“正大”,“负大”,“高”,“低”,“正常”。模糊控制与传统控制方法相比有以下优点，它的特点概括如下:
1.解决复杂系统的控制问题
在控制系统设计时,常规控制系统设计要求一个过程的数学模型。在很多控制问题中,这种数学模型不存在或者不完整,其原因在于这些过程还没被人类完全认识,系统本身由于滞后、强非线性和事变性等因素影响而非常复杂,其数学模型的建立非常困难。在这种情况下可采用模糊控制。模糊控制不需要精确的数学模型,它建立在人类积累的语言型经验基础之上。
2.适用于简单控制系统的控制
对于一般的控制问题,尽管可以采用常规控制方法,同样也可以采用模糊控制方法。模糊控制器的控制效果在快速性和鲁棒性方面都优于常规控制器。
3.非专业性
模糊控制使用的是语言型控制律,因此,在设计控制系统时不需要专门的控制设计人员,在调整和维护上只需要一般技术人员即可。
4.鲁棒性
模糊控制系统具有极好的稳定特性和鲁棒性。控制律中几个规则的实效对控制特性只有极小的影响。系统参数的变化对控制效果只有有限的影响没,避免了常规控制系统中控制器参数或系统参数的变化易引起整个系统失灵的问题。
5.操作时刻省去系统参数调节
常规控制系统在投入运行前或在工作中,工作点移动后其参数必须进行校准。在模糊控制系统中由于采用语言型模糊变量,这种校准是不必要的。
6.模糊控制系统本身是一严格的控制系统
当模糊语言变量、隶属函数、控制规则、模糊推理方法和去模糊化方法都确定后,模糊控制器的输入和输出关系就是确定的。模糊控制方法是在更高层次上的模拟人类思维的一种系统方法。
7.模糊控制系统具有较好的经济性
随着模糊硬件和软件产品的发展,模糊控制系统的成本会不断降低,其中部分模糊处理器的价格己低于常规微处理器。由于模糊软件包的使用,极大地缩短了设计时间,加之模糊控制系统的设计不需要专门的设计人员,故设计成本也比常规系统低。模糊控制系统对信号传感器精度要求不高,因此可使用较使宜的传感器作为敏感元件,降低生产成本。
2.1.2 模糊控制系统
模糊控制系统结构如图2-1所示,主要由模糊控制器!输入输出接口、检测装置、执行结构和被控对象等几部分组成。
图2-1 模糊控制系统组成结构
由图2-1可知,模糊控制系统的结构与一般计算机数字控制系统结构基本类似,只是它的控制器为模糊控制器。因此它也是一个计算机数字控制系统,控制器由计算机实现,需要A/D与D/A转换接口,以实现计算机与模拟环节的连接；一般情况下,它也是一个闭环反馈控制系统,被控制量要反馈回控制器,与设定值相比较,根据误差信号进行控制。
2.2 PLC模糊控制器设计
PLC是从60年代起由继电器逻辑控制发展而来,是一种数字运算操作电子系统,专为在工业环境下应用而设计,它采用可编程存储器,用于其内部存储程序执行逻辑运算、顺序控制、定时、计算和算术运算等操作指令,并通过数字式、模拟式的输入/输出控制各种类型的机械或生产过程。它现在己发展成为以微处理器为基础的高度集成化的工业控制装置。一般高档的PLC为了满足各种复杂工业控制需要,除了提供基本的编程功能以外,还提供了多种高级编程功能。西门子S7-300PLC就具有许多高级编程功能。基于S7-300PLC实现通用模糊控制器便是利用这些高级编程功能实现的。
一般模糊控制器的设计师依据实际控制问题,设计出适合于一定被控过程的控制器,使之达到预定的目标。它的隶属函数、控制规则以及用于控制的其他数据一旦确定并输入到微处理器的存储器中,便不会再改变。本文的通用模糊控制器以通用化为目的,它必须根据用户的需要,灵活的控制不同的实际过程。由前文所述,模糊控制的实现一种是基于硬件,一种是基于软件。基于硬件即是用模糊逻辑芯片来实现模糊化、模糊推理、去模糊化全过程；基于软件则是由软件来实现,又大致分为查表法、软件推理法两种。比较而言,基于硬件的模糊控制推理速度快,控制精度高,但灵活性差,价格昂贵,不适合一般用户的要求；而软件推理法控制精度高,灵活性好,但资源投入大、响应速度有时太慢；查表法响应速度快,资源投入小,虽然控制精度相对较低,但完全能满足一般控制的要求,因为在工业实际控制中采用模糊控制器时,一般并不以高控制精度为目标。所以本文的通用控制器选用计算机离线计算,PLC在线查表的方法实现模糊控制。把复杂的模糊推理过程交给计算机离线完成,得到模糊控制器的总控制表。经过系统在线反复调试、修改,最后以数据模块的形式存入PLC系统的内存中,由一个查询该表的子程序管理。
2.2.1 PLC模糊控制器结构
一般的二维模糊控制器选用受控变量和输入给定的偏差E和偏差变化率EC作为输入量,因为他们能够比较严格的反映受控过程中的输入变量的动作特性,因而在控制效果上要好于一维模糊控制器,同时也比:三维模糊控制器计算简单,模糊控制规则容易理解。在实际应用上都广泛的采用二维模糊控制器,所以本通用模糊控制器选用二维模糊控制器.输出变量选择为调节量的变化,输出方式采用增量式输出,有利于系统偏差减少。PLC通用模糊控制器对输入输出变量这样的选择同时也满足了绝大部分模糊控制系统的要求,具有良好的通用性。采用通用模糊控制器组成的模糊控制系统的基本结构如图2-2:
图2-2 通用模糊控制器结构图
第三章 PLC预测控制器的研究与实现
预测控制是在70年代后期发展起来的一类基于模型的闭环优化控制算法,它的产生,并不是理论发展的需要,而首先是工业实践向控制提出的挑战。从70年代开始,预测控制作为一种新型的计算机控制算法引起了人们的广泛关注。1978年Richalet等人描述了模型预测启发控制(Model predictive Heuristic Control,简称为MPHC)或称模型算法控制(Model Algorithmic control,简称为MAC),以及Cutler等提出的建立在阶跃响应基础上的动态矩阵控制(Dynamic Martix Control,简称DMC)。80年代初期出现了预测控制的另一分支--广义预测控制(Generalized predictive Control,简称为GPC),它是在自适应控制的研究中发展起来的。这是因为包括最小方差控制、广义最小方差控制都不能保证闭环系统的稳定性,并且他们对模型失配非常敏感。为了克服这个缺陷,许多学者提出了新的自适应控制算法:扩展控制自适应控制、广义预测控制等算法。此外,预测控制还有一些较为的分支,80年代,Moreri等从结构设计的内模控制(Internal Model Control,简称为PMC)]等等。
近年来,国内外对预测控制的研究和应用日趋广泛和深入,有许多预测控制方面的综述和著作发表,并有很多在工程上的应用实例。预测控制算法的实现目前依然基于PC机上,通过专用预测软件包完成。随着计算机技术的发展,PLC的功能越来越强大,这给预测控制的实现方式提供了新的平台。本章在对预测算法研究的基础上,选取广义预测算法,并结合PLC的特点,提出了基于PLC的单值广义预测控制的实现方法,力图在PLC预测控制器的研究领域中起到一个启发式作用。
第四章 基于PLC空调性能检测实验室计算机控制系统
随着国民经济的迅速发展和人民生活水平的不断提高,越来越多的宾馆、饭店、写字楼、体育馆等大中型建筑物采用空调机组进行室内空气品质的调节。空调的需求量与日俱增,因此也为国内的空调厂家提供了广泛的市场。同时,空调品质和性能的检验也开始趋于标准化。以前,空调生产商必须把所生产的各种机组送到国家质检中心来进行资格认定,以至于浪费了很大的财力和物力。针对这种情况,越来越多的生产商开始注重检测实验室的开发,依据国家空调检测中心对产品的抽查和验收标准,建立自己的空调性能检测实验室,大大提高了生产效率和产品质量。
4.1 工艺过程简述
本实验室使用空气烩差法来测试空调的制冷能力和制热能力,并可进行包括非稳态制热在内的各项性能试验,同时也可对风机性能进行测试。工艺系统图如图4-1所示。
图4-1 空调性能检测实验室工艺流程图
1.实验室主要技术指标和工艺要求:
()l被测机形式:窗体、分体机、柜机、吊顶机、嵌入机
(2)可测试冷热量范围:250OW一1500OW
(3)风量测试范围:室内侧300-2500m3/h,室外侧800-4500m3/h
(4)温湿度调解范围:
室内干球温度15一35℃士.02℃
室内湿球温度10一30℃士0.2℃
室外干球温度-10一55℃土.02℃
室外湿球温度#11一35e士.02e
(5)被测机电源形式:单相90-260V,三相230-430V 50Hz或60Hz
(6)控制方式:工况参数采用自动控制,数据由计算机自动采集处理,自动生成实验报告
(7)整个系统能够完成以下测试项目:
名义工况下对制冷量、热泵制热量和消耗功率等技术参数进行测试试验；
最大(小)运行工况制冷试验；
热泵最大(小)运行工况制热试验；
低温试验;凝露试验；除霜试验；
凝结水排除能力试验；
(8)风量测试重复性误差≤2%,被测机组制冷(热)量测试重复性误差≤2%,与标准机的偏差≤2%"
2.系统参数
模拟量:入口干球温度、入口湿球温度、出口干球温度、出口湿球温度、入口水温、出口水温、热水箱温度、喷嘴压差、水阻、大/小流量电磁流量计开关量:辅助风机、预处理风机、l#取样风机、2#取样风机、l#冷水泵、2#冷水泵、热水泵、水路1,2组加热器、水箱1,2,3组加热器。
4.2 控制要求
（1）上位机实时监测各个检测点的参数值及系统各个设备的运行状态,同时能对下位机参数进行在线修改,对现场设备发出控制信号。
（2）在计算机和智能控制器上均能实现手动/自动两种控制方式的切换。
（3）为保证系统的安全可靠运行,加热器和水系统实施连锁控制。
（4）预处理风机和取样风机实施连锁控制。
4.3控制方案设计
（1）根据系统要求,对于模拟量:喷嘴压差、入口干球温度、入口湿球温度、入口水温、出口水温、热水箱温度选用智能仪表进行PID控制；其余模拟量和开关量由PLC进行控制。
（2）整个系统实现由上位机集中监测和控制.通过PLC、智能仪表等现场设备与上位机的通讯,实现各个参数、设备状态的在线监测、修改或控制。
（3）为了保证系统安全运行,设计PLC控制和现场操作柜按钮控制两种不同方式,通过转换开关进行切换。如果PLC出现故障,可进行按钮手动控制,保障系统正常运行。
第五章 结束语
随着工业生产过程的发展,控制对象越来越复杂,大量存在高度非线性、时变性、大滞后和不确定性等问题,使得传统控制方法难以满足要求。作为当今主流控制装置的PLC也因此而面临挑战"随着计算机技术的飞速发展,PLC呈现出强大的功能,高速的计算、通讯能力使其能完成比较复杂的算法,这给先进控制策略与PLC结合开辟了一条可行之路。把先进控制嵌入PLC中,是PLC今后发展的一个重要的方向。
在课题的研究过程中,作者总结了以下几点收获与体会:
1.通过对先进控制各种算法的分析比较,对先进控制理论有了进一步认识,从中学到了不少解决问题的方法,理解了传统控制方法与先进控制方法的区别。
2.基于PLC实现先进控制与基于PC实现先进控制相比较,最重要的一个优势在于PLC实现先进控制不需要通讯协议,而基于P(二实现先进控制,在系统设计和运行之前必须正确的配置PC与PLC之间的通讯协议,因此可以降低系统得开发时间。其次,在系统运行时,在下位机上完成先进控制算法比在上位机完成更具有实时性。在可靠性方面,由于基于PC实现先进控制,现场的数据和信号要经过通讯传给上位机,这难免会出现数据的丢失和信号的误差,从而使系统的控制精度下降,而基于PLC实现先进控制避免了这类现象的发生。
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