基于PLC的模糊控制应用研究.pdf

机械研究与应用 应用与试验 基于 P L C的模糊控制应用研究 崔俊涛 兰州资源环境职业技术学院， 甘肃 兰州7 3 0 0 0 0 摘要 简 要介绍模糊控制和 P L C ， 并在此基础上阐述 了 模糊控制的特点、 算法、 结构， 并根据 P L C的控制特点， 结合 手工给料的玻璃磨边机 自动化改造的实例提出了一种基于P L C的 自动给料模糊控制方法。 关键词 P L C； 模糊控制； 特点； 应用 中图分类号 T H1 2 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 7 4 4 1 4 2 0 1 1 0 6 0 0 7 3 0 0 3 Ap p l i c a t i o n a n d r e s e a r c h o f f u z z y c o n t r o l b a s e d o n PLC C u i J u n t a o L a n z h o u r e s o u r c e e n v i r o n m e n t v o c a t io n a l t e c h n o l o g y c o l l e g e ， L a n z h o u G a n s u 7 3 0 0 0 0。 C h i n a Ab s t r a c t F i r s t l y t h e f u z z y c o n t r o l a n d P L C a r e b r i e fl y i n t r o d u c e d，a n d t h e n t h e c h a r a c t e ri s t i c s o f f u z z y c o n t r o l ，a l g o ri t h m， a n d s t r u c t u r e a r e e l a b o r a t e d ， a n d a c c o r d i n g t o t h e c o n t r o l c h a r a c t e ri s t i c s o f P L C， c o mb i n e d w i t h m anu a l f e e d g l ass e d g e鲥 n d - i n g ma c h i n e a u t o ma t i o n t r ans f o r ma t i o n e x a mp l e ，o n e k i n d a u t o ma t i c f e e d i n g c o n t r o l me t h o d i s p rop o s e d b a s e d o n P L C． Ke y wo r d sP L C；f u z z y c o n t r o l ；c h a r a c t e ri s t i c ；a p p l i c a t i o n 1 模糊逻辑控制与 P L C概述 模糊逻辑控制 F u z z y L o g i c C o n tr o 1 简称模糊控 制 F u z z y C o n t r o 1 ， 是 以模糊集合论、 模糊语言变量 以及模糊逻辑推理为基础的一种计算机控制方法， 是 智能控制领域的重要分支 J 。如图1 所示， 模糊控制 系统主要由模糊控制器、 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。一个计算机数字 控制系统的控制器由计算机实现， 需要 A ／ D与 D ／ A 转换接口来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。 它有系统化的理论和大量的实际应用。因其简单易 用、 控制效果好等特点广泛应用于各种控制系统， 特 别是模型不确定、 非线性、 大时滞控制系统 J 。 差 H 遁 圜 嚣H躲H 图 1 模糊控制系统组成结构 P L C P r o g r a m ma b l e L o g i c a l C o n t r o l l e r 是从 6 0 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。它具有可靠性高、 编程简单、 适应性 强、 使用维护方便等技术优势， 广泛应用于工业 自动 控制领域， 已成为现代工业控制的三大支柱 P L C 、 机 器人和 C A D ／ C A M 之一。 通过研究模糊控制理论及其应用， 用 P L C软件 实现， 能够加深对模糊控制的认识， 发挥模糊控制的 优势， 有助于拓展 P L C的应用范围， 提高控制性能， 降低控制系统成本， 有着良好的经济效益。 2 模糊控制的特点 模糊控制与传统控制方法相比有以下优点 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的影响而非 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上。 2 适用于简单控制系统 的控制 对于一般 的 控制问题， 可采用常规控制方法， 也可采用模糊控制 方法。模糊控制器的控制效果在快速性和鲁棒性等 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 收稿 日期 2 0 1 1 1 0 - 0 8 作者简介 崔俊涛 1 9 8 2 一 ， 男， 天津人， 助教， 主要从事自 动化方面的工作。 73 应用与试验 机械研究与应用 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 对控制效果影响 有限， 避免了常规控制系统中控制器参数或系统参数 的变化而引起整个系统失灵 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， 所 以无需校准。 6 模糊控制系统其本身的严谨性 当模糊语 一 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 确定。模糊控制方法是在更高层次上模拟人类思维 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 ， 极大地缩短设计 时 问， 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， 因此可使用较便宜的传感器 作为敏感元件， 降低生产成本。 3 模糊控制算法【 4 J 模糊控制算法主要是指模糊化、 模糊推理、 清晰 化三部分 的机理。 3 ． 1 模糊化的具体过程如下 1 首先对这些输人量进行处理以变成模糊控 制器要求 的输入量 。 2 将上述已经处理过的输入量进行尺度变换， 使其变换到各 自的论域范围。 3 将 已经变换到论域范 围输入量进行模糊处 理， 使原先精确的输入量变成模糊量， 并用相应的模 糊集合来表示。 通常是将系统的输出反馈与给定值之间的误差 e 卜Y以及误差变化率 c d e ／ d t 作为模糊控制器的 输入语言变量 E和 E C 。其中 r 表示参考输入， Y表 示系统输出， e表示误差 ， ∞ 表示误差变化率。其语 言值实际上是一个模糊子集， 通过隶属度函数来描 述。语言值的隶属函数又称为语言值的语言规则， 它 可以以连续函数或离散量化等级出现。前者比较准 确、 后者简洁直观。常见的隶属函数， 如图2 所示。 3 ． 2 模糊数据库和规则库 这两部分结合起来构成的知识库包含了该模糊 控制器在具体应用领域中的知识和所要求的控制 目 标。数据库主要包括各语言变量的隶属度函数， 输入 输出的尺度变换因子以及对输人输出空间所进行的 模糊划分的级数等； 规则库包括用语言变量所描述的 7 4 一 整套模糊控制规则， 由于控制规则一般来源于专家 知识， 所以规则库反映了此具体应用领域内的控制经 验和知识。知识库是模糊控制系统必不可缺的基础。 模糊规则库是由若干模糊推理规则组成的， 其模糊推 理规则形式如式 1 所示。 R “ i f 】 i s F ⋯ i s F I t h e n Y i s G 1 a 单点模糊棠台 的隶描度l峨 数 r7t b 三扣形模糊袋台t o 斯删模糊集台 的隶心虚嘲觳 的束描度蚺敷 图2 常见的隶属函数 3 ． 3 模糊推理机 模糊推理机是模糊控制系统的核心， 它具有模拟 人的基于模糊概念 的推理能力。模糊推理机运用知 识库内的模糊规则， 按照模糊逻辑中的蕴涵关系以及 各种模糊推理方法进行模糊推理。所以， 模糊系统中 的知识库和推理机是紧密结合的。 模糊推理机根据模糊逻辑法则把模糊规则库中 的模糊“ I F T H E N ” 规则转换成某种映射 ， 即将式 2 上的模糊集合映射成 上的模糊集合。 模糊推理机 U 1 u 2 X ⋯ U s cR 2 模糊规则 R “ ’ i f 2 1 i s F ， ． ． i s F l t h e n Y i s G 3 3 ． 4 清晰化 经过推理机所决定的控制输出时一个模糊矢量 u不能直接用来控制对象， 需要先转换成一个执行器 可以接受的精确量， 这种转化一般称为解模糊过程， 目前解模糊常用以下三种方法 1 最大隶属度平均法 MO M 即直接选择模 糊子集中隶属度最大的元素等级作为控制量。该方 法能突出U 的主要信息， 计算简单， 但其余多数信息 被丢失， 显得 比较粗糙。其定义为 y a r g V[ Y ] Y ∈ 2 重心法 C O G 在论域上把隶属函数曲线 与模坐标围成的面积平分为两部分的元素称为模糊 集中位数。利用中位数作为控制量的解模糊方法称 为重心法。其概括了其中所有元素信息， 但计算复 杂。其定义为 ∑ ， ∑ 威 i1 机械研究与应用 3 加权平均法 WMM 它是在模糊控制系 统中应用较广泛的一种方法。其定义为 ∑ 口 ， 旦 L 一 ∑口 4 模糊控制器的结构 构成模糊控制器有三个主要步骤模糊化、 模糊控 制规则推理和解模糊， 如图3 所示。 图 3 糊控制器原理图 5 玻璃磨边 自动控制系统 P L C模糊控制器 的设计【 5 笔者结合对手工给料的玻璃磨边机自动化改造 中， 利用对各磨头的电流检测， 用模糊控制法建立了 自动进给控制的解决方案作一简要叙述。 5 ． 1 系统构成 以晶体管输出型 P I c作为主控制器， 除了控制 各工作磨头电机启停外 ， 主要控制各磨头的进给， 输 出脉冲， 驱动步进电机转动， 带动磨头。电流检测用 电流传感器， 0 5 A对应 4 2 0 m A输出。系统构成 如图4所示 。 一PLO 步避电机 l l _ { 皇 煎 壁壁 量 卜 图4 系统构成图 5 ． 2 系统分析 该系统最主要的功能就是实现磨头的自动进给， 减轻工人劳动强度， 由人工调整到自动调整。调整的 依据就是磨头电机的电流大小， 一般普通磨头电流值 在 2 A左右， 变化幅度在 l A左右， 金刚磨头， 变化幅 度只有 0 ． I A左右。由于磨边的大小不同， 玻璃质量 差别也较大， 所以电流变化幅度不同， 因此利用电流 作为控制输入量时， 需要借助人的经验， 模仿工人的 思维判断， 根据电流的变化来判断磨头的磨损情况， 再利用步进电机拖动磨头电机移动， 使磨头与玻璃间 应用与试验 保持一定的研磨度 ， 所 以在此过程 中， 需要利用模糊 控制法来实现， 首先根据工人经验建立起常见玻璃磨 边时的电流大小及变化规律， 即知识库， 并以此为判 据 ， 来判断当前研磨状况 ， 如图 5所示。 P L 0 图5 玻璃磨边机模糊控制原理图 5 ． 3知识库的建立 知识库主要是解决两个问题 ， 如何确定研磨面的 大小以及研磨力度的大小。 1 研磨面大小的确定通过将磨头进给一个 螺距， 得到电流变化 A I 1 2 一 ， 。 ， 其中， 。 是初始电流， ， 2 是进给一个螺距后的电流。△ ，的大小 ， 可以选 择 研磨面的大小， 确定一个基准研磨电流 ， 0 ， 作为调节 的基准值。为此， 需要根据实验和工人的操作经验建 立一个数据库， 粗磨参考数据如表 1 所示。根据实际 情况， 特别是要考虑电流传感器的检测精度和电源稳 定性， 可以适当调整研磨面等级的划分， 提高模糊化 程度。例如， 对金刚磨头只采用 3 个等级， 以提高控 制的可靠性 。 表1 粗磨参考数据 研磨面大小等级 基准研磨电流l o l A 2 研磨力度的确定 电机空载电流假设为 2 A， 则加载后， 其工作电流将被控制在上面表格中的 某一基准研磨电流附近。因此， 针对每一种研磨面， 需要建立一个模糊控制规则库。于是将负载后电流 变化分成7 个等级， 即根据变化量是否达到基准电流 变化量百分比的 8 0 ％、 5 0 ％、 2 0 ％而划分为 正大、 正 中、 正小、 零、 负小、 负中、 负大。对于每一种情况， 建 立一个控制方案， 即确定进给方向和进给量的大小， 使加工电流控制在 1 ％ 2 0 ％ ， 0 范围。 总体来讲， 知识库的建立是一个需要不断调整的 过程， 需要把各种情况考虑全面 ， 而且要通过实际运 下转第7 8页 7 5 1 2 3 4 5 6 7 8 9 O 2 2 2 2 2 2 2 2 2 3 1 5 2 5 3 5 4 5 5 5}2． 3． 4． O 0 ． O ． O ． O ． O 一0 O_0～O～ -5 5，5，5，5 ，O 1 l 2 2 3 3 4 4 O ． ． ． ． ． ． ． ． ． O O O O O O O O O 设计与制造 助弹簧， 压杆带动钢印上 下移动， 进行压印运动模 拟。借助此运动仿真过 程便可迅速 、 直观地检验 该设计机构可否正确运 行。另外 ， 该运动仿真过 程同 时还可 以被 录制成 ．a v i 格式动画文件 ． 6 J 。 机械研 究与应用 4 结语 利用 A u t o d e s k I n v e n t o r l 1软件 的对压 印机进行 结构设计及装配“ 驱动约束” 下的运动仿真， 提高了 设计的效率和质量， 此设计思想其他机械产品的设计 提供了一个简捷实用的途径和模式。 图6 装配约束对话框 参考文献 图7 驱动约束对话框 胡仁喜． A u t o d e s k I n v e n t o r P r o f e s s i o n a l 2 0 1 0中文版从入门到精通 [ M] ． 北京 机械工业出版社， 2 0 1 0 ． 陈红江， 等．A u t o d e s k I n v e n t o r P r o f e s s i o n al 1 1案例精解 [ M] ． 北 京 中国电力 出版社 ， 2 0 0 8 ． 康蓉娣， 郭建增．I N V E N T O R软件在电动式调节阀结构设计中 的应用 [ J ] ． 舰船防化， 2 0 0 9 6 2 5 2 9 ． 张林艳． 挖掘机工作装置虚拟样机的建立与动力学仿真[ J ] ． 辽 宁石油化工大学学报 ， 2 0 0 8， 2 8 3 4 6 4 9 ． 王培霞 张炳春， 等． 基于 I n v e n t o r系统的虚拟装配技术研究 [ J 】 ． 哈尔滨商业大学学报， 2 0 0 8 8 5 0 3 5 0 5 ． 赵鹏． 基 于 I n v e n t o r的模具标准仲库开发 [ J ] ． 机械， 2 0 0 9 1 1 4 2 4 4 ． 【 上接 第 7 5页 行情况做修改和补充。 5 ． 4 软件编写 对于软件 ， 即程序的编写， 主要难点是解决知识 库的建立和模糊推理算法。参考程序流程见图9所 示 。 7 8 图6 程序流程图 6结语 笔者利用模糊控制集理论建立了一个简单而有 效的控制模型 ， 通过实例表明， 基于 P L C的模糊控制 控制器适用于各种场合 ， 控制程序易于模块化、 标准 化。与 P L C的模糊控制模 块相 比， 具有编程方式灵 活， 限制条件少， 模糊控制变量和模糊控制规则个数 不受系统硬件限制等特点， 减少了系统的开发成本， 扩大了应用范围 ， 适用于各类控制领域[ 6 ．7 】 。 参考文献 [ 1 ] 基希林， 曲非非． P L C的发展[ J ] ． 微计算机信息， 2 0 0 2 ， 1 8 9 1 2． [ 2 ] 陈夕松， 张景胜． 过程控制发展综述与教学研讨[ [ J ] ． 南京工程 学报， 2 0 0 2， 2 1 4 9 5 2 ． [ 3 ] 沈平， 赵宏， 孙优贤． 过程控制理论基础[ M] ． 杭州 浙江大 学 出版社 ， 1 9 9 1 ． [ 4 ] 蔡 白兴． 智能控制原理与应用 [ M] ． 北京 清华大学出版社， 2 o o 7． [ 5 ] 刘卫平， 王明泉． P L C的发展及应用前景[ J ] ． 机械管理开发， 2 0 0 9 5 2 4 2 7 ． [ 6 ] 张荣智 ． P L C在模糊控制中的应用[ J ] ． 机械， 2 0 0 5 s 1 5 7 ． [ 7 ] 王广野． 可编程序控制器 P L C现状及发展趋势[ J ] ． 国内外机电 一 体化技术， 2 0 0 9 2 1 5 1 8 ． 、1 1 ； I二J