基于西门子S7—200PLC的模糊控制程序的实现.pdf

工艺设 计改造及检测检修 C h i n a S c i e n c e T e c h n o lo g y O v e r v ie w 于西门子S 7 2 0 0 P L C 的模糊控制程序的实现 柳东林 王立卫 陕西彬长集 团小庄矿业有 限公司， 陕西彬县 7 1 3 5 0 0 【 摘要】矿用通风机是矿井生产的重要设备， 其运行状态对安全生产至关重要。 本文结合矿用通风机，探讨了如何通过P L C 可编程逻辑控制器 件来实现模糊控制算法，从而来控制风机转速 实现了对巷道内c 0 及瓦斯浓度主要参数的监控。 本设计首先通过m a t l a b 仿真得到控制规则表 储 存在P L c 数据匠， 然岳用建立指针的查询办法实现数据的查询， 这样实现的模糊控制算法是可以离线使用的。 论文对所设计的西门子模糊控制进行了 实验验证。 实验结果表明， 论文所确定的测试方法正确， 所设计仪器满足测试要求。 【 关键词】 矿用通风机 模糊控制 c o及瓦斯浓度 1模糊控制的概述 ’ 在传统的控制领域里， 控制系统动态模式的精确与否是影响控 制优劣的最主要关键， 系统动态的信息越详细， 则越能达到精确控 制的目的。 然而， 对于复杂的系统， 由于变量太多， 往往难以正确的 描述系统的动态， 于是工程师便利用各种方法来简化系统动态， 以 达成 控制 的 目的。 在上世纪7 O 年代 ， 美国加州大学博客 利分校 电器 工程 系控制专家L． A． Z a d e h 提出了模糊集合理论 ， 为模糊控制技术 的产生奠 定了理论基础 。 模糊控制系统是以模糊语言变量、 模糊逻辑推理以及模糊集理 论做为基础， 结合基于规则的专家系统和控 制理论的一种智能的控 制系统， 同时也是运用到计算机的控制技术构成的一种具备反馈通 道的 闭环结构的数 字控 制系统 。 模糊控制器包括五个主要部分， 即 定义变量、 模糊化、 模糊规 则、 模糊推理及解模糊。 1 定义变量； 也就是决定程序被观察的状况 及考虑控制的动作， 例如在一般控制问题上， 输入变量有输出误差E 与输 出误差之变化率E C， 而控制变量则为下一个状态之输入U。 其 中E 、 E C 、 U统称为模糊变量。 2 模糊化 将输入值以适当的比例转 换到论域的数值， 利用口语化变量来描述测量物理量的过程， 以适 合的语言值求该值相对之隶属度， 此口语化变量我们称之为模糊子 集合。 3 模糊规则； 包括数据库与规则库两部分， 其中数据库是提供 处理模糊数据之相关定义； 而规则库则藉由一群语言控制规则描述 控制目标和策略。 4 模糊推理； 模仿人类下判断时的模糊概念， 运用 模糊逻辑和模糊推论法进行推论， 而得到模糊控制讯号。 此部分是 模糊控制器的精髓所在。 5 解模糊； 将推论所得到的模糊值转换为 明确的控制讯号， 做为系统的输入值。 2模糊控制器的设计 通过煤矿上巷道内风机通风控制为例， 介绍通过模糊控制算法 来控制风机的转速， 以实现巷道内的C O及瓦斯的浓度处于一个合理 的范围 假设瓦斯正常浓度范围在1 3 0 --2 0 0 P P M之间 。 为了使 N P L C 能够根据输入量适时控制输出控制量， 必须在ma t l a b -件中仿真分 析得出模糊控制输出规则表。 Ma t l a b 中模糊控制器设计步骤如下 1 确定输入、 输出变量的论域， 并确定控制器的参数 量化因子 和比例因子 ； C O 基本论域 [ 1 3 0 ， 2 0 0 ] p p m； C O 语言值论域 [ 一 6 ， 6 】 ； C O 量化因子 1 0 0 ／ 1 2 ； △C O 基本论域 [ _ 6 ， 6 ] p p m； △C O 语言值论 域 [ 一 6 ， 6 ] ； △C O量化因子 1 ； 输出变量U基本论域 [ 0 5 0 ] HZ ； U语 言值论域 [ 0 1 2 】 ； 注 各语言值论域都对应{ NB， N M， NS ， O， P S ， P M， P B } 2 选择隶属函数， 确定模糊化和清晰化的方法； 这里选择常用的 的梯形函数作为隶属函数， 将输人变量E ， E C 模糊化。 3 确定模糊控 制规则 E 、 E C、 U分别代表瓦斯浓度的误差值、 瓦斯浓度误差变化率 以及风机交流电的频率 变频后的频率 。 将 以上模糊规则输入到 ma t l a b 程序中。 4 仿真结果如下 为了进一步得到模糊控制器的输 入输出控制规则表， 可以往控制器输入不同的输入量， 得到不同的 输出量u。 例如 输入量为[ 0 0 】 ， 输出U为2 。 3用西门子s 7 2 0 0 P L C 实现模糊控制器 P L C 作为矿山巷道风机的微控制器， 具有抗干扰能力强， 可靠 性强 ， 扩展性能好、 编程简单的优点 。 但是除了简单的P I D 控制， 对于 复杂的控制算法， P L C 实现起来比较繁琐。 为了能将模糊控制算法在 P L C 中实现， 采用将模糊控制规则表存储在P L C 数据区， 并通过采集 控制器的输入量， 来定位查询输出控制量的办法， 这样子实现起来 比较简单容易。 而且P L C 也能快速实现控制量的输出。 风机通风控制程序主要包括C O 浓度信号采集模块、 标度转换 模块、 模糊控制输出模块、 通信模块、 手动控制模块等等。 为瓦斯浓度采集模块功能程序， 通过C O 传感器采用上海韩感 电子科技有限公司的L HG6 1 0 1 型C O 变送器， 该传感器能将采集到 的C O 浓度信号转换为0 ～1 0 V DC 或4 ～2 0 mA模拟量输出， 通过在 S 7 - 2 0 0 P L C中读取AL W2 位置中的值， 通过标度转换， 就可知到当 前采集到的C O 浓度值的大小 。 模糊控 制规则表查询 首先通 过建立数据 块 ， 将前文 中通过 ma fl a b 真得到的模糊控制器输入输出规则表存储在数据块中。 实 现查询表的程序的思路是 用建立指针的查询的办法实现数据表的 查询。 具体来讲， 首先得将采集到C O 浓度值和C O 浓度的变化率， 通 过模糊化， 找到对应的所属的输入变量的区间范围 例如 C O的浓度 偏差E 所属的数据区间为[ 2 3 】 ， 而E C 所属的区间范围为[ 1 2 ] 。 在程序 中通过一个F o r 循环查找E 和E C 对应所属的数据区间的位置 ， 并用 字V W3 0 和字V W4 6 分别存储E 和E C 对应的数据区间的 区间编号 。 将数据块首地址VB 7 0 4 存储在数据指针V D 7 5 中， 通过前面查询得 到的E和EC， 计算指针偏移地址 其中 偏移地址VW 4 6 1 3 VW3 0 ， 并将偏移地址存储在VD 3 6 中。 那么输出对应的控制量的 地址即为 V D7 5 数据块基址 V D3 6 偏移地址 ， 从而可以索引对 应地址得到输出控制量的值。 4结论 与展望 本文结合实例， 探讨了如何通过P L c 可编程逻辑控制器件来实 现模糊控制算法。 由于P L C 在实现复杂控制算法时的有所缺陷， 所以 通过查询控制规则表的办法来实现这一控制算法， 前提是必须在工 控机或者个人P C中通过ma fl a b 真得到控制规则表。 这样实现的 模糊控制算法是可以离线使用的， 但缺点是控制精度不够。 随着工 控微型控制器或嵌入式P C 的不断发展， 相信在未来的不久 ， 将出现 新的微型控制器来代替现行P L C 运算能力和控制精度的不足。 参考文献 [ 1 ] 曾光奇， 胡均安。 王东， 等． 模糊控制理论及工程应用． 武汉 华中科 技大学 出版 社， 2 0 0 6 ． [ 2 ] 徐世许． 可编程序控制器原理、 应用、 网络． 合肥 中国科学技术大 学。 2 0 0 0 ． 作者简介 柳东 1 9 8 7 ． 0 6 一 ， 毕业于西安科技大学， 现任陕西彬长小庄矿业有限公司， 主要从事弱电控制工作。 王立卫 1 9 8 5 ． 1 0 - ， 毕业于江西理工大学， 现任陕西彬长小庄矿业有限公司， 主要从事工程管理工作。 6 2 2 0 1 3 年l 2 k l 上第2 3 期总第1 7 9 期 基