基于S7-300 PLC的模糊控制器的设计.pdf

I ％ 酶 勰糍 撕赫獬 秘鹣 鹈瓣霉 鞠嚼穗 赫 舔 电 气自 动 化 2 0 1 2 年 第3 4 卷第1 期 智能控制技术 n t e ．Q e n t Co n t r o l T e c h n i q u e 基于 S 73 0 0 P L C的模糊控 制器 的设计 罗庚兴 广东松山职业技术学院， 广东韶关5 1 2 1 2 6 摘要将先进的智能控制方法与 P L C控制器相结合， 根据二维模糊控制器的工作原理和 P L C的特点， 提出了一种用 P L C实现模糊控 制的设计方法。该方法采用 MA T L A B的模糊逻辑工具箱进行分析和计算， 离线生成模糊控制查询表， 借助 P L C的存储器间址 寻址方式实现模糊控制算法。运用 P L C S I M仿真软件测试该算法 ， 证明该控制器的模糊输入和解模糊输出是正确的。 关键词P L C； 模糊控制器 ； 模糊化； 解模糊 ； 查表运算 [ 中图分类号]T P 2 1 3 ． 5 ； T P 2 7 4． 5 [ 文献标志码]A[ 文章编号]1 0 0 03 8 8 6 2 0 1 2 0 1 0 0 2 2 0 3 F u z z y Co n t r o l De s i g n Ba s e d o n S73 0 0 PL C L u o Ge n g x i n g G u a n g d o n g S o n g S h a n P o l y t e c h n i c C o l l e g e ， S h a o g u a n G u a n g d o n g 5 1 2 1 2 6 ，C h i n a Ab s t r a c t A d e s i g n me t h o d f o r a c h i e v i n g f u z z y c o n t r o l wi t h P L C i s g i v e n b y c o mb i n i n g a d v a n c e d i n t e H i g e n t c o n t r o l me t h o d s w i t h P L C c o n t r o l l e r s an d b a s i n g o n t h e wo r k i n g p ri n c i p l e o f t wo d i me n s i o n c o n t r o l l e r s a n d t h e c h a r a c t e ris t i c s o f P L C． I t a c h i e v e s t h e f u z z y c o n t r o l a ri t h me t i c b y a d o p t i n g t h e MAT L AB f u z z y t o o l b o x f o r a n a l y s i s a n d c alc u l a t i o n ，c r e a t i n g t h e f u z z y c o n t r o l q u e r y i n g t a b l e o ff - l i n e，a n d w i t h t h e h e l p o f i n d i r e c t l y a d d r e s s i n g t h e me mo r i e s o f P L C ．I t i s p r o v e d t h a t t h e f u z z y i n p u t a n d an t i f u z zy o u t p u t i s c o r r e c t b y t e s t i n g t h e a r i t h me t i c wi t h t h e P L CS I M s i mu l a t i o n s o f t wa r e ． Ke y wo r d s P L C；f u z z y c o n t r o l l e r ；f u z z i fi c a t i o n；d e f u z z i fi c a t i o n；q u e r y i n g o p e r a t i o n I ， 引 吾 模糊控制器是一种新型控制器， 其优点是不要求掌握受控对 象的精确数学模型， 而根据人工控制规则组织决策表， 然后由该 决策表决定控制量的大小 J 。P L C是集成了微电子技术、 计算机 技术和 自动控制技术等新技术的新型工业控制装置。将模糊控 制器与 P L C结合起来 ， 扬长避短， 既具有模糊控制灵活而适应性 强的优点， 又具有 P L C可靠性高、 参数监控修改方便、 通讯便捷 等优点。采用 P L C来实现模糊控制， 将使模糊控制在工业控制 中发挥更大的作用。 1 模糊控制原理 1 ． 1 模糊控制系统结构 模糊控制系统的设计以基本二维模糊控制器的设计为基础， 图 1 所示为结构框图。模糊控制器包括输入量模糊化、 模糊推理 和解模糊三个部分。图中 r 为设定值 ， Y 为测量值， “ 为输 出值。 e为误差， 计算公式为 e r y ； e c为误差变化率 ， 计算公式为 e c e ， 一e 2 式中， 式中， e 。 为当前采样的误差 ， e 为上次采样的误差。E和 E C分别为 e 和 e c 模糊化后的模糊变量。A U为输 出 模糊变量， A U为 AU解模糊化后 的输出 增量， “为精确输出量。K e 、 K e c 分别为 e 、 e c的模糊量化 因子。 为 △ “的比例 因子 。 图 1 模糊控制系统结构图 1 ． 2 模糊变量隶属函数 设定模糊变量 E的模糊论域为[一 3 ， 3 ] ， 并将其量化为 7个 等级 { 一 3 ， 一 2 ， 一1 ， 0 ， 1 ， 2 ， 3 } 。设定模糊变量 E C的模糊论域为 [ 一 2 ， 2 ] ， 并将其量化为5 个等级{ 一 2 ， 一 1 ， 0 ， 1 ， 2 ， } 。输出模糊 变量 A U的模糊论域为[一3 ， 3 ] ， 并量化为 7个等级{ 一3 ， 一 2 ， 一 1 ， 0 ， 1 ， 2 ， 3 } 。 设定模糊变量的语言值集合。设定输入模糊变量 E和输出 模糊变量 AU的语言值集合为 { 负大 N B ， 负 中 N M ， 负小 N S ， 零 Z O ， 正小 P S ， 正中 P M ， 正大 P } 七级语言变 量。设定输入模糊变量 E C语言值集合为 { 负大 N B ， 负小 N S ， 零 Z O ， 正小 P S ， 正大 P B } 五级语言变量。 收稿日期2 0 1 1 0 4 1 3 图 2 模糊变量的语言值隶属 函数 曲线 基金项目 广东韶钢集团公司科研项目 基于P L C的模糊P I D控帮 】 在水 箱液位控制的实验研究 K 1 0 4 0 1 2 2 E le c t r i c a I Au t o ma t io n 智 能控 制技术 n t e l li g e n t Co n t r o I T e c h n iq u e 设定模糊变量语言值隶属函数。设定输入模糊变量 E、 C 和输出模糊变量 A U取三角形隶属函数， 如图2所示。 1 ． 3 设定量化因子和比例因子 设定的输入模糊变量 E的模糊论域[一 3 ， 3 ] ， 假设实际论域 e E [ 一 l 5 ， 1 5 ] ； 输入模糊变量 E C的模糊论域[一 2 ， 2 ] ， 假设实际 论域 e e ∈[ 一 0 ． 4， 0 ． 4 ] ； 输出模糊变量 AU的模糊论域[一3 ， 3 ] ， 假设实际论域 u [一3 ， 3 ] 。根据以上设定， 量化因子和比例 因 子的计算式如下 Ke Em a -- Em i ． 0． 2 二 e C㈣一 ecmi “ Au m -ax -- A ／x m in 兰二i 2 一 0 ． 4一 一0 ． 4 一 3 3 t 一 一 ‘ 1 ． 4 模糊控制规则库 模糊变量 E有7级语言变量， 模糊变量 E C有5级语言变量 ， 所以输出模糊变量 A U总共有 3 5条模糊控制规则。根据基本控 制理论和经验 ， 总结如下 3 5条规则 1 I f[ E i s N B]a n d[ E C i s N B]t h e n[ AU i s N B] 2 I f[ E i s N B ]a n d[ E C i s N S ]t h e n[ A U i s N B1 3 I f[ E i s N B]a n d[ E C i s Z O]t h e n[ △ i s N B] 4 If[ E i s N B ]a n d[ E C i s P S ] t h e n[ △U i s N M] 5 I f[ E i s N B ]a n d[ E C i s P B]t h e n[ A U i s Z O1 3 5 I f [ E i s P B ]a n d[ E C i s P B]t h e n[ AU i s P B] 上述模糊控制规则语句可绘制成模糊控制规则表 如表 1 。 表 1 模糊控制规则表 1 ． 5 模糊控制查询表 根据模糊控制规则表， 选用 Ma md a n i 的极大 一 极小推理法进 行模糊推理合成 ， 可得到输出控制模糊变量 A U 。解模糊方法选 用加权平均法。加权平均法较适合输出模糊集的隶属度函数是 对称情况。 采用 MA T L A B的模糊逻辑工具箱进行分析仿真和计算， 离 线求出每一对模糊论域上的输入 E， E C 所对应的输出控制变 量 A U 。 在 MA T L A B命令窗口运行 F u z z y函数进入模糊逻辑编辑器， 并建立一个新的． f i s文件， 选择控制类型为 Ma md a n i 型， 根据上 面的分析分别输入 E、 E C和 A U的隶属函数和量化区间， 并根据 表 1输入模糊控制规则。取与的方法 A n d m e t h o d 为 mi n ， 或的 方法 O r m e t h o d 为 m a x ， 解模糊化 D e f u z z i fi c a t i o n 的方法为 c e n ． 电气 自动 化} 2 0 1 2年第 3 4卷 第 1 期 t r o i d ， 这样就建立了一个． f i s 系统文件 ， 取名为 F C 1 ． fi s 。 完成模糊控制器 F C 1 ． fi s文件的编辑之后， 通过编辑器上 的 命令 V i e w - * R u l e s ， 打开 R u l e V i e w e r 窗 口， 在输入区分别 的输入 模糊论域 E， E C 的所有取值组合 ， 求取对应的输出控制变量 A U 的值如表 2所示。 表 2 模糊控制查询表 E 一 3 2 1 O l 2 3 2 模糊控制算法在 P L C中的实现 2 ． 1 程序结构 及流程图 模糊控制算法的程序结 构如 图3所示。O B 1是主程 序， 用于控制系统起停和调 用子程序 F C 1 0和 F C 1 2 。功 能 F C 1 0用于实现输入输出 模拟量的规范化处理， 误差 e 和误差变化率 e c超限处理 ， 将 e 和 e c 模糊化为 E和 E C， 图3 程序结构框图 并对 E和E C超限处理。功能 F C 1 2用于实现查模糊控制表， 求 得输出模糊增量 △ O B 3 5是循环中断组织块 ， 实现每采样时刻 调用功能 F C 1 1 。功能 F C 1 1 用于 定时计算 e和 e c ， 将 A U解模糊 为 A U， 计算 M ∑AU 。 数据块 D B 1 0用于存放设定 值 、 测量值、 输 出值、 误差和误差 变化率及其量化值 、 量化因子、 比 例因子等参数。数据块 D B 1 1用 于存放模糊控制查询表 A U的 数据 。 模糊控制设计流程图如图4 所示 。 2 ． 2 建立变量数据块 共享数据块 D B 1 0的参数及 数据类型如表 3 所示。为了运算 精确 ， 输入输出变量、 误差和误差 变化率 、 量化因子等参数均设置 成实型数据。因为 P L C的内部 存储器地址是 3 2位的， 误差和误 差变化率的量化值 E和 E C必须 设置成 3 2位的整型数据。 囤4 模糊控制算法流程图 E le c t r i c a l A u t o ma l i o n 2 3 电 气自 动 化 2 0 1 2 年 第3 4 卷第1 期 智能控制技术 n t e l lic l e n t Co n t r o I T e c h n i q u e s 根据模糊控制查询表表2中 A U的值按 由左到右、 由上到下 的顺序依次填入共享数据块 D B 1 1中的 D B D O～D B D 1 3 6中， 共 3 5 个数据， 如表 4 。A U的数据类型选择为实型， AU的数据采用基 址 变址的寻址方式访问， 基址为0 ， 偏移地址为 [ E C 2 x 7 E 3 ] 4 ， 即 [ D B 1 0 ． D B D 4 0 2 X 7 D B 1 0 ． D B D 3 63 ] X 4 。 表 3 参数数据块 地址 名称 类型 初始值 注释 S ’I ’RUC。l 。 R R E A L 6 ． 0 0 00 0 0 e十 0 0 1 设定值 Y R E AL 0 ． 0 0 0 0 0 0 e 0 0 0 测量值 U R E AL 1 ． 0 0 00 0 0 e 0 0 1 输 出值 K E R E AL 2 ． 0 0 0 O 0 0 e一 0 0 1 误差量化 因子 K E C R E A L 5 ． 0 0 0 0 0 0 e 0 0 0 误差变化率量化 因子 K U R E A L 1 ． 0 0 0 0 0 0 e 0 0 0 输 出增量 比例 因子 E 1 R E A L 0 ． 0 0 00 0 0 e 0 0 0 第 n次误差 E 2 R E A L 0 ． 0 0 0 0 0 0 e 0 0 0 第 n1次误差 E C R E A L 0 ． 0 0 00 0 0 e 0 0 0 误差变化率 E N D I N T L O 误差 量化值 E C N D I N T L 0 误差变化 率量化值 UC R E A L 0 ． 0 0 0 0 0 0 e 0 0 0 输出增量 48 ． 0 E ND S TRUCT 2 ． 3 定时采集输入量 e 和 e c并计算输出量 u ． 在 F C 1 1中编写采集输入量 e 和 e c 并计算输出量 “的程序。 程序段 1 用于计算误差 e并将之保存到 D B 1 0 ． D B D 2 4中。程序 段 2和 3用于计算误差变化率 e c ， 初始采样时的误差变化率为初 次误差减初次误差， 用开关 M 0 ． 6实现初始误差变化率 的计算。 程序段4 6用于计算输出量 “ 。考虑输出量的非线性 ， 对输出 量进行了超上限和超下限处理。 输入采样和输出刷新的定时时间， 在循环中断 O B 3 5的硬件 组态中设定。这里设为 1 o o o ms 。通过 O B 3 5中调用 F C 1 1 实现 2 4 E le c t r i c a I Au t o r n a t io n 每隔 1 s 钟采样输入和刷新输出的控制。 2 ． 4设计模糊控制查询子程序 根据模糊量 E和 E C查询模糊控制输出 A U是实现 P L C模 糊控制器的关键。在 F C 1 0中编写程序实现 将 e 和 e c 模糊化为 层和 E C， 分别存放在数据寄存器 D B I O ． D B D 3 6和 D B 1 0 ． D B D 4 0 中， 并对 E和E C超限处理 ， 使 的数值在模糊论域[一3 ， 3 ] 中， E C的数值在模糊论域[ 一 2 ， 2 ] 中。 在 F C 1 2中编写程序， 实现模糊控制输出 A U的数据查询。 程序如下 O P N D B 1 0 ／ ／ 打开数据块 D B1 0 L D B D 4 0 ／ ／ 读取 E C的值 L L } f2 ／ ／ E C的模 糊论域 的元素 {一 2， 一1 ， 0， 1 ， 2 } 转换为 { 0 ， 1 ， 2 ， 3， 4} D L L 7 ／ ／ E C的转换结果 二维坐标值 X7 ， 转换 为一 维坐标值 D L D B D 3 6 ／ ／ 读取 E的值 D L L 3 ／ ／ E的模糊论域 的元素 {一3 ， 一2 ，一1 ， 0， 1 2 ， 3} 转换为 { 0 ， l ， 2 ， 3 ， 4， 5， 6} D L L 4 D T LD 3 O L LD 3 O L L8 ／ ／ 将绝对偏移 量转 换为 3 2位 4字 节 的地址 偏 移量 ／ ／ 将地址偏移量保存到临时存储 区 L D 3 0中 ／ ／ 读取地址偏移量 ／ ／ 形 成 存储 器 间接 寻址 的双 字 地 址 指 针 格式 D T L D 3 4 ／ ／ 将地址指针保存 到临时存储 区 L D 3 4中 O P N D B I 1 ／ ／ 打开模糊控制查询表数据块 DB 1 1 L D B D [ L D 3 4 ] ／ ／ 读 取地 址 L D 3 4指 定 的双 字 数 据 ， 即 AU 的值 T D B 1 0 ． D B D 4 4／ ／ 将 AU保存到 D B 1 0 ． D B D 4 4中 3 仿真测试 打开仿真软件西门子 S T E P 7的 P L C S I M， 按图6所示输入模 块。给定 值 D B 1 0 ．D B D 0 、 测 量 值 D B 1 0 ．D B D 4 、 误 差 D B 1 0 ． D B D 2 4 、 误差变化率 D B 1 0 ． D B D 3 2 、 模糊输出增量 D B 1 0 ． D B D 4 4 的数据类型均选择为实型 R e a 1 ； 过程值 P I W2 9 4数据类型选择 为整型， 输入方式为滑块式 S l i d e r I n t ； 模糊误差 D B 1 0 ． D B D 3 6 和模糊误差变化率 D B 1 0 ． D B D 4 0的数据类型选择为有符号整型 I n t e g e r 。将图 3所示的程序及组态好的硬件下载到仿真软件 中。运行仿真软件， 将鼠标放在 P I W 2 9 4输入模块的滑块上， 按 下方向键左 表示 或右 表示 一 ， 改变测量值的大小 ， 可以观 察到误差 D B 1 0 ． D B D 2 4 、 误差变化率 D B 1 0 D B D 3 2及其分别对应 的量化值 D B 1 0 ． D B D 3 6和 D B 1 0 D B D 4 0 ， 也可以观察到模糊输出 增量 D B 1 0 D B D 4 4的值。 下转第 3 0页 ， O O O 0 0 0 O O 0 l ． ． ． ． ． ● ● ． ． 加 ∞ 斗 电 气自 动 化 2 0 1 2 年 第3 4 卷第1 期 模式识别 P a tt e r n I d e n t if ic a t i o n s 通信时还需加上时钟信号 S T R O B E和行有效控制信号 L V A L 。 C C D信号的频率较高， 本系统中工作频率为 1 0 MH z ， 为了提高传 输距离及与图像处理卡匹配， 需将数字信号转换为 L V D S电平。 L V D S 是一种低摆幅的差分信号技术， 它使得信号能在差分 P C B 线对或平衡电缆上以几百 Mb p s的速率传输， 其低压幅和低电流 驱动输出实现了低噪声和低功耗。 5 测试结果 系统在 1 0 MH z 工作频率下采集图像信号， 测试对象为一张普 通 A 4纸， 传至上位机显示得到的灰度图像如图6所示。测试结果 表明， 本系统在高速状态下能够正常工作并得到较清晰的图像。 上接第2 4页 图 6 测试图像 6 结束语 本文介绍了利用 C P L D和线阵 C C D图像传感器进行图像采 集的实现方案 ， 主要讨论了线阵 C C D的驱动方法和信号处理技 术。系统实现了高速运动图像的正常采集与显示 ， 具有速度快、 成本低 、 可靠性高等特点， 为后续的图像处理系统提供了稳定可 靠的图像数据。 参考文献 [ 1 ]王庆有． 图像传感 器应用技术 [ M] ． 北京 电子工业 出版社 ， 2 0 0 3 ． [ 2 ]薛旭成．C C D成像系统 中模拟前端 设计 [ J ] ． 光学精 密工程 ， 2 0 0 7， 8 8 1 1 9 11 1 9 5 ． [ 3 ]许秀贞．C C D噪声分析及处理技术 [ J ] ． 红外与激光工程 ， 2 0 0 4 ， 8 4 3 4 33 4 6 ． [ 4 ]王华伟．C C D信号处理电路设计研究[ J ] ． 科学技术与工程， 2 0 0 7 ， 8 1 6 4 1 5 3 4 1 5 6 ． [ 5 ]刘蕾． 基于C P L D的线阵 C C D的驱动及数据采集[ J ] ． 电子测量与仪 器学报 ， 2 0 0 6 ， 8 4 1 0 71 1 0 ． 【 作者简介】张志成， 1 9 8 6一 ， 男， 硕士研究生， 主要研究方向为机器 视觉。 程序段1 计 算误差 通过观察仿真值， 并与表 2的值进行对照， 可以 S UB R EN E N O DB1 0 ． D BD 0一 I N1 oU T DB1 0D BD 4 一 I N2 程序段2 保存第一次采样的e 程序段3 计算误差变化率e c e I e 2 O H S UB R EN E No D B1 0 ． DBD2 4-- l N1 0UT 一 DB1 0 ． DB D3 2 DB1 0 ． DB D2 4 -- D B1 0 ． DBD2 8一 l N2 程序段4 计算 △U △UxKu ， u ZAu MUL R ADDL R E N EN O EN E NO DB1 0 ． DB D4 4-- IN1 oUT 一 L D1 0 DB1 0 ． DB 08一 I N1 oUT 一 DB1 0 DB D8 DB1 0 ． DB D2 O一 IN2 L D 1 0一 l N2 程序段5 “超下限处理 CMP R 1 ． 5 O 0 0 o 1 e DB1 0 ． D BD8 IN1 0 01 一 1 ． 5 o o O o o e 0 01 l N 2 程序段6 “ 超 上限处理 CMP R 8 ．0 0 0 0 0 0 e DB1 0 ． DBD8 l N1 0 0 1 一 8．0 0 0 0 0 0 e 0 0 1 l N2 图5 功能 F C l l定时计算误差 、 误差变化率 e c和输入 “的程序 3 0 E e c t r ic a I A u t o ma t io n 推断出控制程序运行正确。 4 结束语 模糊控制器与 P L C结合起来 ， 通过 S T E P ／软件 的存储器问址寻址方式实现模糊控制策略 ， 既保留了 P L C控制系统可靠、 灵活、 适应能力强的特点 ， 又极大 提高了控制系统的智能化程度。这种控制策略对现 有大时滞、 非线性、 建模困难的过控对象的技术改造 很有意义 。 参考文献 [ 1 ]陶永华主编． 新型P I D控制及其应用 第2版 [ M] ． 北 京 机械工业 出版社 ， 2 0 0 2 ． [ 2 ]罗庚兴 ， 宁玉珊编著． 大 中型 P L C应用技 术 [ M] ． 北京 北京师范大学 出版集 团， 2 0 1 0 ． [ 3 ]褚静． 模糊 控制原 理与应 用 [ M] ． 北京 机 械工业 出版 社 ． 1 9 9 8 ． [ 4 ]王 晶晶． 在 s 7 3 0 0中利用模糊控制算法实现恒 温控制 [ J ] ． 山东电子 ， 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