基于PLC的点焊恒流模糊自整定PID控制器设计-.pdf

基于P L C的点焊恒流 模糊 自整定P I D 控制器设计 s ⑩ s l a s g p G ◎ 皿 衄 ◎ l Ⅱ w G ⑩ 皿 s G 贼 I 皿 ◎ we ] g a s ⑩ 皿 LC 南昌航空大学航空制造与工程学院 凌 敏 陈益平 胡德安 程东海 摘 要本文研制了用于点焊的模糊 自整定P t D 控制系统。该系统以三菱F X 2 N 可编程控制器为工具，利用模糊控制规 则在线对P I D 参数进行修正，能够补偿各种干扰对焊接过程中电流的影响，使其保持恒定，从而保证了点焊的焊接质 量。结果表明，与常规 的P I D 控制相比，模糊 自整定P I D 控制器控制灵活、响应快、适应性强，能够较好的改善系统 的动态性能。 关键词点焊；恒流自整定P l D 控制 1 刖 暑 可编程序控制器 P r o g r a m m a b l e L o g i c C o n t r o l l e r 简称P L C ，具有体积 小、功能强、灵活通用和维护方便等 一 系列优点，特别是其高可靠性和较 强的适应恶劣环境的能力， 在冶金、化 工、电力等领域获得广泛的应用，成 为现代工业控制的三大支柱之一。 电阻 焊工艺方法具有操作简单、 能量集中、生产效率高和易于实现自 动化等优点，在汽车、航空和船舶等 领域有着广泛的应用。而在实际生产 中不可避免地存在网压波动、分流、 焊接回路阻抗变化、电极磨损等干扰 因素，这些都会影响焊接质量，而为 了对各种干扰进行补偿，以确保良好 的焊接质量，所研制的质量监控器由 于采用的控制方法绝大多数是基于一 定的假设条件下建立数学模型的控制， 而实际焊接过程的复杂程度使得这些 模型与实际对象间相离较远 ，难 以达 到令人满意的效果。采用基于P L C 的模 糊控制系统能够回避对复杂的被控对 象的建模问题，将熟练操作人员的操 作经验转化成全面而精炼的模糊控制 作者简介凌敏 1 9 8 5 一．男，湖南醴陵人，在读硕士 主要从事电胆焊智能控制和集成制造等研究工作。 PL C 规则 ，形成模糊语言控制器 ，对被控 对象进行自 动化程度较高的自 动控制。 本文采用恒流控制方法，设计出一 种采用P I E 为核心控制部件，P I 【 控制 与模糊控制相结合的智能控制系统， 使 其既具 有模醐 控制灵活、响应陕、适应 性强等优点，又具有P Ⅲ控制精度高的 特点，具有较强的稳定性和鲁棒性。 2 模糊 自整定P I D 控制器设计 点焊生产过程中被控对象的负荷 多变，干扰因素复杂，在实际生产过 程中，常规HD 控制器参数没有确定不 变的数学模型和规律可循，往往难以 达到满意的控制效果。利用模糊控制 器调节它们不失为一种实用、简便 、 可行的选择。模糊自 整定P ] D 控制器能 充分利用操作人员的控制经验和专家 知识 ，充分发挥P ] D 控制器的优良控制 作用，使整个系统达到最佳控制效果。 设P I D 控制器的输出量为u “ ，输 入量为e f ，它们间的关系是 u c Kp e t KI e d x KD 式中K 为比例增益，K 1 为积分增益， K 为微分增益。 图l 为模糊自整定HD 控制器结构 图1 模糊 自整定P I D 控制器 图，它的原理是找出P I I 三个参数I p 、 l f 、 与电流偏差E 和电流偏差变化率 E c 之间的模糊关系，在运行中通过不 断检测E 和E c ，根据事先确定好的模糊 控制规则做出模糊推理，对三个系数 进行实时在线修正，从而使被控对象 有良好的动、静态性能。 根据控制目标及经验设定E 、E c 、 △K P 、△K l 、△K n 的模糊论域及模糊 词集，并可得出如下控制规则 I FEi s xAND ECi s YTHEN Ui s z 式中x 、v 、z 分别为输入、输出量模 糊词集中的元素，U 为模糊控制的输 出量。将输入、输出模糊控制论域都 量化设定为 1 3 档 f 一 6 ，一 5 ，一 4 ，一 3 ， 一 2 ，一 1 ，0 ，l ，2 ，3 ，4，5 ，6 l ， 且 令它们的模糊词集同为{ N B ， N M ， N S ， 0 ， P S ， P M， P B l ， 隶属函数取为三角形隶属 函数，通过隶属函数可方便地求得输 入语言变量的赋值表。利用输入语言 变量的赋值表及模糊控制规则，通过 现代焊接 2 0 1 1 年第1 2 期 总第1 0 8 期J 一1 7 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 附表 △K P 、／ k K ． 、△K 。 模糊控制查询表 E ／ AK ， A K AK。 ／ EC - 6 - 5 - 4 - 3 - 2 1 0 1 2 3 4 5 6 -6 6 ／ - 6 ／ 3 6l 一 5 ／ 0 6 ／ - 6 ／ 一 2 5 ／ - 4 ／ - 3 4 ／ - 3 ／ - 6 4 ／ -3 ／ 一 5 4 ／ -3 ／ - 6 3 ／ -3 ／ - 5 3 ／ -2 ／ - 6 2 ， 一1 ／ 一 4 O ／ 0 ／ 一 3 o } O|o Q}o|3 -5 6 ／ - 5 ／ 3 6l s 的 6 ／ - 5 ／ 一 2 5 ／ - 4 ／ - 3 一 3 ／ - 5 3 ／ -3 ／ - 4 3 ／ 3 ／ - 4 3 ／ 一3 ／ - 4 3 ／ -2 ／ - 4 2 ／ 一1 ／ - 3 Q { o } I ，s 一、 |o|o 一1 ／ 0 ／ -4 6 ／ - 6 ／ 3 6 ／ -5 ／ 0 6 ／ - 6 ／ 一 2 5 ／ - 4 ／ - 3 4 ／ -3 ／ - 6 3 ／ -3 ／ - 4 3 ／ -2 ／ - 3 3 ／ - 2 ／ - 3 3 ／ -2 ／ - 3 2 ／ -1 ／ - 3 0 ／ 一2 1 ／ 0 ／ 一1 2 ／ o ／ 一3 5 ／ - 5 ／ 2 5 ／ -4 ／ 0 5 ／ - 4 ／ - 2 5 ／ - 3 ／ 一 3 4 ／ -3 ／ - 4 3 ／ -3 ／ - 4 3 ／ 一2 ， 一 3 2 ／ -1 ／ - 3 2 1 -1 ／ 一 3 0 ／ 0 ／ 一3 1 ／ 2 ／ -2 1 ， 2 ， 一1 2 ， 2 ／ -2 4 ／ - 6 ／ 0 4 ／ - 4 ／ -l 4 ／ - 3 ／ - 2 4 ／ - 3 ／ - 3 4 ／ -2 ／ - 3 3 ／ -2 ／ - 3 3 ／ -2 ／ - 3 2 ／ -1 ／ - 3 0 ／ o ／ 一2 1 ／ 2 ／ - 2 2 ／ 3 ／ _ 2 - 2 1 3 1 -1 -2 ／ 3 ／ 一1 4 | 一 4 | Q 4 ／ - 4 ／ 一1 4 ／ 一 3 ／ -2 3 ／ - 3 ／ -3 3 ／ - 2 ／ - 3 2 ／ 一 1 ／ - 3 2 ／ 一1 ／ 一 3 O ／ 0 ／ - 3 1 ， 2 ／ - 2 1 ／ 2 ／ 一 2 - 3 ／ 3 ／ - 2 -3 ／ 3 ／ -1 3 ／ 3 ／ O 4 ／ 一 3 ／ 0 4 ／ - 3 ／ 一1 4 ／ - 3 ／ -2 3 ／ - 3 ／ - 2 3 -2 ／ - 2 2 ／ -1 ／ - 2 o|0} - 2 1 ／ 2 ／ 一 2 2 ／ 3 ／ - 2 -3 ／ 3 ／ - 2 - 3 ／ 4 ／ - 2 3 ， 4 ／ 一l 一 3 } 4 { C 1 3 ／ - 3 ／ 0 3 ／ - 3 ／ -l 3 ／ - 3 ／ -1 2 ／ 一1 ／ -1 2 ／ - 1 1 1 ／ 0 ／ -1 1 ／ 2 ／ -1 1 ／ 2 ／ 一1 -2 ／ 3 ／ -1 -3 ／ 3 ／ -1 3 ／ 4 ／ 一1 -3 ／ 5 ／ 一1 -3 ／ 5 ， 2 3 ／ 一 3 ， 0 3 ／ - 3 ／ 0 3 ／ - 2 ／ 0 2 ／ 一1 ／ 0 o } o 一 1 ／ 2 ， 0 -2 ／ 3 ／ 0 - 2 ／ 3 ／ 0 -2 ／ 3 ／ 0 -3 ／ 3 ／ 0 3| 4 -3 ／ 5 ／ 0 -3 ／ 6 1 3 3 ／ -1 ／ 2 2 ／ 一1 ／ 1 2 ／ -1 ／ -l Q | Q | Q 一1 ／ 2 ／ 2 1 ／ 2 ／ 2 -3 ／ 3 ／ 2 -3 ／ 3 ／ 2 -3 ／ 3 ／ 2 3 ／ 3 ／ 2 3 ／ 4 ／ 2 - 4 ／ 5 ／ 2 4 | 6 4 3 ／ 0 ／ 6 2|o| 0 ／ 0 ／ 一 2 1 ， 2 ／ 0 2 ／ 3 ， 3 3 ／ 3 ／ 3 -3 ／ 3 ／ 3 -3 ／ 3 ／ 3 3 ， 4 ／ 3 3 ／ 5 ／ 3 -3 ／ 6 ／ 3 4{6| 4 6 | 6 | 5 2 ／ 0 ／ 6 2|ol 2 o ／ o ／ 1 1 ， 2 ／ 2 - 3 ／ 3 ／ 3 3 ／ 3 ／ 3 -3 ／ 3 ／ 3 -3 ／ 3 ／ 3 3 ／ 4 ／ 3 4 ／ 5 ／ 3 4 ／ 6 ／ 3 4{6| 4 一 s | 6 I ∈ 6 o | o { 6 o| s o | 鼬4 一 、 | 2 | 4 - 3 ／ 3 ／ 4 3 ／ 3 ／ 4 3| 4 } 4 3 ， 4 ／ 3 3 ， 4 ／ 3 4 | 5 | 3 - 6 ／ 6 ／ 3 一 s{6| 4 6 t 6 | t 图3 算法流程 M a m d a n i 推理法，可得到一个模糊控制 查询表，如附表。 通过MA T L A B 仿真实验，结果如 图2 所示，5 0 s 时加入了0 ． 2 的扰动。与 传统的P I D 控制器相比，模糊 自整定 P I D 控制器的调节较快，波动小，能 够较好的改善系统的动态性能。 3 模糊P I D 控制在P L C 上的实现 本系统采用三菱W, 2 N 可编程控制 器作为核心控制部件，利用模拟量输 入模块进行输入数据采集，其输出通 过模拟量输出模块对执行单元进行控 制，该系统的算法流程图如图3 所示。 首先将量化因子存人断电保持数 据寄存器 D 2 0 0 ～ D 5 1 1 中，然后模拟 输人量存人P L C 的数据存储器 D 中，经过限幅量化处理后，根据它们 所对应的输入模糊论域 中的对应元 素， 查询模糊控制查询表，求得模糊输出 量，再乘以输出量化因子即可得到实 际输出值，再将其送入P I D 控制器中， 实现参数的实时在线修正。 在全部程序设计中， 模糊控制查询 表的查询是最为关键的部分 ，图4 是实 现查询表查询的梯形图 L A D 程序。 其中L D 是相等触点接通指令 ， 仅当D 2 2 内部值等于D 2 0 0 内部值时， M0 置位 “ 1 ”，否则置 “ 0 ”。D 2 2 0 ～ D 2 6 8 中按顺序存储着△K P 模糊控制 查询表中的控制结果。将D 2 2 与D 2 3 中 的数据分别与输入论域中的元素 D 2 0 0 ～D 2 1 2 中的数据相比较，根据比较结 J 一1 8现代焊接 2 0 1 1 年第1 2 期 总第1 0 8 期 m ∞0 L一 一 ∞ n ∞ 0 2 1 2 L一一 ⋯⋯ ⋯一 ～ ， j ∞0 - ～ 一一 一 一 3 D ∞D 2 1 2 L _ ⋯一 ∞ 1 1 1 3 I } { I ⋯～⋯ 一 D 2 2 0 o ∞ I J 4 l Ⅻ I l L 2 1 1 2 -一一 卜⋯一 m D 5 o D I L 2 l ∞ ⅢⅫ0 图4 查询表查询梯形 图 果 ，由辅助继电器 M 位的状 态查 询输出值，将其送入中间单元D 5 0 0 ， 以备输出使用。采用同样查表程序查 询△K I ，△K n 。当模糊查询表容量不 大时，这种程序设计方法简单明了， 响应速度快 ，控制性能良好。 4结束语 本文采用P I E 为核心控制部件 ，在 线查表，实现了模糊控制器对P I D 控制 器参数的实时在线调整，提高了系统 适应抗外部干扰参数变化的鲁棒性， 改善了动态性能 ，减小了稳态误差， 较之常规P I D 控制有更好的控制性能， 具有较强的实际意义。 参考文献 [ 1 ] 陶永华 新型P I D 控制及其应用[M] ． 北京 机械lT业 出版社．2 0 0 2 ． [ 2 ] 谭丹， 马秀坤等． 模糊P I D 在P L C 过程控制系统中的 应用研究【J 1． 可编程控制器与工厂自动化， 2 0 0 9 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m