基于PLC实现对集装箱吊车的模糊控制.pdf

第 1期 总第 1 4 6 期 2 0 0 8年 2厅 机 械 工 程 与 自 动 化 MEC HANI CAL ENGI NE ERI NG AUT0MATI ON No． 1 Fe b． 文章 编号 1 6 7 2 6 4 1 3 2 0 0 8 0 1 0 1 5 5 - 0 3 基于 P L C实现对集装箱 吊车的模糊控制 赵春 雨 ，姜波 新疆大学 电气工程学院，新疆 乌鲁木齐8 3 0 0 0 8 摘要由开关量输入输 出模块 A／ D和 D／ A 等基本单元组成的小型 P L C具有体积小 、成本低 和可靠性高 的优 势，如果能通过软件编程使小型 P L C具有模糊控 制功能，并应用 于不易建立数学模型 的过程控 制系统 ，将使 系统具有较高的可靠性和性能价格比。基于西门子 s 7 2 0 0 P L C，提出了一种实现集装箱吊车模糊控制的方 法 。 关键词 模糊控制}P L C；集装箱 吊车 中图分类号T P 2 7 3 ． 4 T H2 4 7 文献标 识码 A 0 引 言t 在大多数港 口，集装箱的装卸采用的都是集装箱 吊车 。集装箱用缆绳悬 吊在 吊车上 ，吊车在水平轨道 上移动。当吊车头运行或启动、制动时 ，悬吊着的集 装箱将会摆动，摇摆中的集装箱是不允许释放 的。为 加速集装箱的搬运 ，操作者凭主观感觉来控制吊车头 的运动，而这往往受到操作者的情绪和经验等多方面 因素的影响 ， 效率难 以提高。采用 P I D控制或基于数 学模型的控制都难以实现既快又平稳地进行装卸[ 1 ] ， 而采用模糊控制无疑是个好办法。传统的模糊控制采 用的是微机控制 ，如果在港 口采用微机控制集装箱吊 车，系统显得比较冗余 。 本文提出了在 P L C上实现对 集装箱 吊车的模糊控制方法，该方法既充分利用 了 P L C控制精度高、 结构简单、 抗干扰能力强的特点 ， 又 提高了控制系统的智能化程度，具有成本低、控制效 果好的优点 。 1 系统 的结构及 工作 原理 1 ． 1 系统 的 结 构 系统 的结构 见 图 1 。 1 ． 2 工作 原理 图 1系统的结构 收稿 日期 2 0 0 7 0 4 1 3 ；肄 回 日期 2 0 0 7 ～ 0 8 2 1 作者简介 赵春雨 1 9 8 2 一 ， 男， 辽 宁沈 阳人 ， 硕士研究生。 本系统主要使用了吊车头位置 距离 传感器和集 装箱摆角 Z J 度 传感器 ，将检测到的距离和角度数据 输入到 A／ D转换单元 。 经 P L C的分析计算后 ， 再经过 D／ A转换单元输出马达功率， 驱动吊车头在水平轨道 上移动，从而引起距离和角度的变化 ，最终实现当集 装箱正好悬于目标位置上且不摇晃时 ，吊车头停车。 2模 糊控 制器 的设计 方法 2 ． 1确定模 糊控 制 器的 结构 根据控制对象的特点、要求 ，选用较为常用的二 维模糊控制器 ， 其结构见图 2 ，以吊车头距离 和集 装箱角度 作为输入量 ， 马达功率 户 为输 出量。 图 2 二维模糊控 制器 的结构 2 ． 2确 定模 糊语 言 变量 的语 言值及 其论 域 综合实际工作情况 和操作经验及控制的稳定性等 因素 ，取 A A n g l e 和 D Di s t a n c e 作为输入语 言变 量， P P o we r 作为输 出语言变量， 各语言变量的语言 值分别为 ∈ { P B、 P S、 Z E、 NS、 NB} ； D∈{ P B、 PM、 PS、 Z E、 NB} ； 维普资讯 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 1 5 6 机 械 工 程 与 自 动 化 2 0 0 8年第 1 期 P∈{ P B、 P M 、 Z E、 NM 、 NB} 。 其 中 P B、 P M、 P S 、 Z E、NS 、NM、NB分别为正大、 正中、正小、零、负小、负中、负大 ； 语言变量 、 D、 P论域范围及量化等级都取为 { 一3 、一2 、一1 、 0 、1 、 2 、 3} 。 2 ． 3确 定隶属 函数 为便于计算， 文中的输入模糊集和输出模糊集的隶 属函数都取为三角形 ， 相邻三角形隶属函数的顶点和起 点对应 ， 这 能获得较高 的隶属度 函数重叠 率和重叠鲁棒 性 引 。根据隶属函数确定语言变量赋值表， 表 1为语言 变量 的赋值表 ，D和 P语言变量的赋值表略。 表 1 语言变量 的赋值表 量化等级 语言值 一 3 2 一 l O l 2 3 NB l O ． 5 O O O O O NS O O ． 5 l O O O O Z E O O O l O O O PS O O O O l O ． 5 O PB O O O O O o ． 5 l 2 ． 4输入 量 的模 糊化 首先， 将输入量 n 、 d的某一精确量分别乘 以量化 因子 Kd 、 K ， 将其量化为论域元素内的值， 再 由模糊 语言变量的赋值表确定输入量的模糊化结果 、 D， 实 现输 入量 的模糊化 。 2 ． 5 模 糊控 制规 则袁 表 2 为 模糊控 制规则 表 。 表 2 模糊控制规则表 P D A N B ZE PS PM PB NB N B NB NB NB PM NS N B NB NM NM PB Z E N B ZE NM NM PM PS NB PB PM PM PB PB NB PB P B PB PB 2 ． 6模 糊 推 理 控制规则中每一条件语句对应有模糊关系 R Ro AI Bj Co 。 其中 A、B 、 C 。 分别为定义在 、D、P上的模糊子 集。 全部的模糊控制规则确定整个系统的模糊关系 J R 。 当给定输人 、D后 ，依据模糊关系推理合成控制规 则P D。 R，可得到模糊控制查询表 。见表 3 。 表 3 模糊控制查询表 P D A 一 3 2 一 l O l 2 3 3 ～ 3 3 3 3 ～ 3 2 2 2 3 3 2 ～ 2 2 3 3 一 l ～ 3 O l l ～ l 2 2 O ～ 3 O O O O 2 2 l 一 3 O l l l l l 2 3 3 2 2 2 3 3 3 3 3 3 3 3 3 2 ． 7 输 出量 的清晰化 根据控制量的量化值 P，乘 以比例 因子 K 得出 其控制量的精确值 户， 再 由D／ A转换输出， 施加给被 控对 象 。 3 模 糊控 制器 的 P L C实现 方法 要想在 P I C上实现模糊控制， 关键在于解决输入 量等级量化梯形图设计和模糊控制量的查表程序梯形 图设计。图 3为模糊控制算法流程图。 将查询表的元素逐行置入 P L C 的 V W2 0 0 ～ V W2 4 8 一N I 将 A ／D 采 样 得 到 的 a 和 d 分 别 置 入 V w l 0 o 、 V w l 。 l I 将输入值 a 、d 分别量化到输入模糊语言变量的 论域 卜3 、一 2 、 一 l 、0 、l 、2 、3 l 中的元索，并 置入 V Wl o 4 、Vw1 0 5中 I l 查 模 糊 控 制 查 询 表 ， 得 出 控 制 量 的 量 化 值P ， 置 入 V w l 1 o J I 输 出 控 制 量 P 再 乘 以 比 例 因 子K p ， 得 实 际 控 制 量 p ● 经 D／ A输 出控 制量 P ● 结束 图 3 模糊控制算法流程 图 3 ． 1 输入 量等 级量化 的程序 设计 对于角度取其基本论域 n为 [ 一9 O 。 ，9 O 。 ] ，精确 量按 四舍五人原则量化到论域 A为 [ 一3 ，3 ]中的论 域 元素 ， 则 量化 因子 为 1 ／ 3 0 ， 表 4为角度 量化 表 。 例如 输入量 n为 2 5 。 ∈ [ 1 5 。 ， 4 5 。 ] ， 根据表 4取 为 1 。由表 4对输入量 n实现等级量化 引。其程序如下 LD M 0 ． O AD 一VW l 0 0， 7 5 M 0 ． 1 LD M 0 ． 1 M OV W 3，VW l O 4 LD M 0 ． 2 AD 一VW l O O， 4 5 一 M 0 ． 3 LD M 0 ． 3 M VW 2，VW l O 4 LD M I ． 4 AR 一VW 1 O O，一 7 5 ． O 维普资讯 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 0 8年第 1 期 赵春 雨，等 基 于 P L C实现对集装箱 吊车的模糊控制 1 5 7 LD M OVW LD M OVW M 1 ． 5 M 1 ． 5 2，VW 1 0 4 M l I 6 3 ，VW 1 04 表 4 角度量化表 n 。 I ≤一7 5 ． 一 7 5 ～ 一 4 s l一 4 5 ～ 一 l 4 1 5 1 5 l 5 ～ 4 5 4 5 ～ 7 5 ≥ 7 5 I一3 ～ 2、I l l 0 l 2 3 3 ． 2 模 糊控 制 查询表 查询程 序 的设计 根 据表 3 ，将查 询 表的元 素逐行 依 次置人 P L C的 VW2 0 0 VW2 4 8中， 查表程序设计利用变址寄存器， 通过采取 “ 基址偏移地址”寻址的方法来实现。设 A、 D的论域元素分别为 、 y， 则输 出控制量 P的位 置为表首地址 3 3 y3 。其程序如下 LD M 2 ． O M OVW VW l O 4 ， VW l O 6 AENO I 3， VW l O 6 AENO M OVW VW 1 06 ． VW 1 0 7 AENO *I 3， VW l O 7 AENO M OVW V W l O 7， VW l O 8 AENO I VW 1 0 5， VW l O 8 AENO M OV W VW 1 0 8． VW l O 9 I 3． VW l O 9 LD M 2 ． 0 M OVW V W l O 9， VW l l O 4系统仿 真 用 MATI AB中的 S i mu l i n k进 行 系统 仿真 ， 根 据 曲线图来观察输入 、输出变量以及模型中所有其它变 量值的变化 。图 4中的曲线 右方 从上到下的变量依 次为功率 P 、 角度 、 吊车头距离 D 。 运 行结 果 表明 ，控 制迅 速准 确 ，且 整个运 行过 程 中集装箱的摆角较小，较好地达到了控制的目的。 图 4仿 翼 图 5结 束语 本文采用 P I C和二维模糊控制器相结合 的方法 实现对集装箱吊车的模糊控制 ， 该方法实用效果 良好 。 利 用 P I C实现 模糊 控制 ，既 保 留了 P L C控 制 系统 可 靠 、灵 活 、适 应 能力强 等特点 ，又 提高 了控 制 系统 的 智能化程度 ，其应用前景广阔。本文 的创新点在于在 对模 糊控 制器 设计 过程 分析 的基础上 ，提 出 了通过编 程在 P L C上实现模糊控制的程序设计方法 。 参考文献 [ 1 ] 易继锴 ， 侯 嫒彬． 智 能控制技术 I- M] ． 北京 北京工业大 学 出版社 ， 2 0 0 4 ． [ 2 ] 廉小亲． 模糊控制技术I- M] ． 北京 中国电力出版社， 2 0 0 4 ． [ 3 ] 廖 常初． P L C编程 及应 用[ M] ． 北京 机械 工业 出版 社， 2 OO 5． A Fuz z y Co nt r o l l e r f o r Co nt a i n e r Cr a ne Ba s e d 0 n PLC Z HAO C h u n y u， J I ANG Bo C o l l e g e o f E l e c t r i c E n g i n e e r i n g ， X i n j i a n g Un i v e r s i t y ， Ur u mq i 8 3 0 0 0 8 ， C h in a Ab s t r a c t Mi n i PL C， c o mp o s e d o f i n p u t a n d o u t p u t mo d u l e s ， A／ D a n d D／ A c e l l s ， h a s h i g h p e r f o r ma n c e， s ma l l v o l u me ， l o w c o s t a n d hi g h r el i a b i l i t y． Thi s p a pe r i nt r odu c e s a n a ppr oa c h of f u z z y c on t r ol f o r c ont a i ne r c r a ne． a nd a f uz z y c o nt r ol l e r i s d e s i gne d wi t h S7 2 00 PLC． Ke y wor ds f uz z y c o nt r o l ； PLC ； c ont a i ne r c r a ne 维普资讯 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m