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        基于PLC的模糊控制在船舶主機調(diào)速系統(tǒng)的應用

        2007-01-28 08:05:42,,
        船海工程 2007年6期
        關(guān)鍵詞:子程序模糊控制編程

        , ,

        (海軍工程大學 船舶與動力學院,武漢 430033)

        由于船用機艙設(shè)備使用環(huán)境惡劣、實時性和可靠性要求高,而PLC有可靠性高、耗能低、抗干擾能力強、控制精確及系統(tǒng)功能可拓展性強等特點,因此各種型號的PLC也廣泛應用于各種船舶的機艙設(shè)備監(jiān)控。

        隨著微電子技術(shù)、計算機技術(shù)和模糊邏輯等相關(guān)技術(shù)的進一步發(fā)展,PLC逐步向智能產(chǎn)品轉(zhuǎn)化[1-2]。各大PLC生產(chǎn)公司也不斷研制專門的軟件或硬件模糊控制器。模糊控制在PLC上的實現(xiàn)方式基本分兩種[3]:一是通過專用的硬件實現(xiàn),但其價格昂貴,并且需要使用專用編程設(shè)備;另一種實際采用較多的是通過軟件實現(xiàn),把模糊控制程序作為整個PLC控制程序的一個子程序,包括數(shù)據(jù)的讀取、模糊推理和控制信號輸出,通過中斷調(diào)用子程序完成模糊控制。

        本文運用第二種方法采用模糊控制方案,設(shè)計了一種通用的模糊控制器,利用STEP7軟件,采用模塊化編程方法,使用梯形圖及語句表編制程序?qū)崿F(xiàn)模糊控制算法,使模糊控制策略在S7-300 PLC上得以較好地實現(xiàn)。并將之運用到船舶主機調(diào)速系統(tǒng)當中進行研究分析。

        1 主機遙控系統(tǒng)組成

        系統(tǒng)主要由駕駛室、集控室遙控操縱臺、主控制箱、機旁操縱箱等組成。

        PLC接受車鐘指令,檢測主機(燃油切斷、盤車機合上、主起動閥開、滑油溫度低、主機轉(zhuǎn)速等)和齒輪箱(正車、倒車)的相關(guān)狀態(tài)信息,經(jīng)相關(guān)程序計算輸出,并通過調(diào)速器接口和開關(guān)量實現(xiàn)對主機的調(diào)速及齒輪箱的操作控制,同時進行報警及狀態(tài)顯示。系統(tǒng)可通過設(shè)在集控室、駕駛室的人機界面進行參數(shù)修改及顯示,結(jié)構(gòu)見圖1[5]。

        PLC在主機遙控系統(tǒng)中的主要程序模塊主要有調(diào)速控制、換向控制、故障監(jiān)測和診斷控制等幾個部分,本文主要針對調(diào)速控制模塊的程序運用模糊控制進行改進。

        圖1 PLC在主機遙控系統(tǒng)的應用結(jié)構(gòu)

        2 主機調(diào)速系統(tǒng)模糊控制策略

        傳統(tǒng)PLC調(diào)速控制均采用傳統(tǒng)的PI或PID的控制方法,對模型的依賴性較強。通常主機在不同的工況,不同的工作環(huán)境、不同的壽命周期內(nèi),其模型參數(shù)會有較大變化,而且非線性、時變性對傳統(tǒng)控制器品質(zhì)有較大影響。傳統(tǒng)的PID方法用于船舶柴油機主機調(diào)速回路有其不足之處,它很難保證所設(shè)定的調(diào)節(jié)器參數(shù)在整個系統(tǒng)變化范圍內(nèi)達到最優(yōu)。因此,為了提高運行的可靠性、平穩(wěn)性,在調(diào)速系統(tǒng)中采用模糊控制。原理見圖2[6]。

        圖2 主機調(diào)速系統(tǒng)模糊控制原理

        2.1 定義各變量隸屬度函數(shù)

        在模糊化設(shè)計中,可用狀態(tài)詞正大、正中、正小、正零、負零、負小、負中、負大來表示E變量的變化。其語言變量為{PB、PM、PS、PZ、NZ、NS、NM、NB}。Ec和u語言變量為{PB、PM、PS、ZE、NS、NM、NB}。E(即e)和Ec(即ec)的論域定義為[-6,6]之間,輸出控制量u的論域定義為[-7,7]之間。采用三角形函數(shù)作為隸屬確定模糊語言變量的隸屬度,可分別得到模糊變量E、Ec、u的隸屬度賦值表,見表1、2、3。

        表1 E的隸屬度

        表2 Ec的隸屬度

        表3 u的隸屬度

        2.2 建立模糊控制規(guī)則表

        模糊量轉(zhuǎn)為執(zhí)行機構(gòu)可執(zhí)行的精確量,采用最大隸屬度法,即μ(u*)≥μ(u),μ是u的隸屬度函數(shù),u*是與最大隸屬度對應的模糊控制量值。

        知識庫由數(shù)據(jù)庫和規(guī)則庫組成??刂埔?guī)則采用基于IF-THEN(條件-結(jié)果)的產(chǎn)生式規(guī)則,其結(jié)構(gòu)簡單,易于修改和掌握,比較適合PLC編程。如:ifE=NBandEc=NBthenu=PB表示為:R1=NBE×NBEc×PBU。總結(jié)控制經(jīng)驗,共有56(7×8)條控制規(guī)則??偟哪:P(guān)系為:R=R1∪R2∪…∪R56,R是模糊關(guān)系矩陣,∪表示取大。采用合成推理法:U=E×EC°R。×表示求值積,°是合成運算符,這里采用最大-最小合成法。整個模糊推理過程后得到模糊控制量查詢表,見表4。

        表4 模糊控制規(guī)則表

        2.3 模糊控制程序流程圖

        模糊控制程序流程見圖3[2]。

        圖3 模糊控制程序流程圖

        3 STEP7實現(xiàn)的模糊控制算法

        PLC系統(tǒng)選用Siemens S7-300。詳細配置如下:CPU為CPU315-2DP;接口模塊為IM361,可以擴展;信號處理模塊為SM334和SM321,SM334為模擬量輸人/輸出模塊,實現(xiàn)模擬參數(shù)的數(shù)據(jù)采集和輸出,SM321為數(shù)字輸人模塊,采集現(xiàn)場開關(guān)參數(shù)數(shù)據(jù);功能模塊為FM355C,為智能控制模塊,實現(xiàn)參數(shù)的PID控制;通信模塊為CP5613通訊卡,支持MPI協(xié)議、PROFIBUS-DP協(xié)議、S7 Connections,用于工程師站/操作員站和PLC的多點連接和上位組態(tài)軟件WinCC的通信。

        為了簡化程序編寫量,提高程序的通用性并且方便調(diào)試,PLC程序設(shè)計采用了模塊化編程方法。編程語言采用梯形圖(LAD)和語句表(STL)結(jié)合的形式。

        主模塊OB1實現(xiàn)對子程序塊的調(diào)用和數(shù)據(jù)的傳遞,OB35為中斷服務程序模塊。FB1模塊為模糊控制器,完成整個模糊控制功能。它由FC1~FC4 4個子程序塊組成。其中FC1完成e(速度誤差)和ec(誤差變化率)的計算;FC2進行模糊化處理,即完成精確量e、ec到模糊量E、Ec的轉(zhuǎn)換;FC3完成控制量表的查詢功能;FC4完成模糊控制量U到精確量u的轉(zhuǎn)化,并輸出u。FB1依次調(diào)用4個子模塊完成模糊控制各部分的功能,并實現(xiàn)他們之間的數(shù)據(jù)傳遞。FB1模糊控制器編制完成后,保存在STFP7標準庫中,其具有很強的靈活性和通用性,如同STEP7中PID控制器(FB41)一樣,方便調(diào)用。針對不同的被控變量,只要對FB1輸人輸出端進行正確的組態(tài)即可對變量進行模糊控制。

        整個程序設(shè)計的關(guān)鍵是模糊控制量表的查詢部分,即FC3子程序塊。在編程之前,將模糊控制量表中U的值按由上到下,由左到右的順序依次置入數(shù)據(jù)塊DB1中,數(shù)據(jù)類型為WORD型。首地址為DBW0,依次為DBW2、DBW4、…、DBW336(U的個數(shù)是13×13)。

        最后由FC4功能塊實現(xiàn)控制量U從模糊量到精確量的轉(zhuǎn)換,即U乘以量化因子Ku再經(jīng)過限幅,將最終計算結(jié)果送到模擬量輸出模塊實現(xiàn)控制作用。

        應用基于PLC的模糊控制器后,主機調(diào)速控制效果較以前有很大改善,整定時間縮短,超調(diào)量縮小,控制穩(wěn)定。在一定時間內(nèi)(20 min)、一定轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)(800~1 600 r/min)、外加一些干擾時用計算機仿真得到比較結(jié)果見圖4。

        圖4 模糊PLC控制和傳統(tǒng)PLC控制效果

        4 結(jié)論

        仿真得到基于Siemens S7-300 PLC實現(xiàn)主機調(diào)速系統(tǒng)的模糊控制,既保留了PLC控制的可靠、靈活等特點,又提高了控制系統(tǒng)的智能化程度。具有控制精度高、編程簡單、程序改變靈活、可擴展性強、工作可靠、抗干擾能力強等特點。系統(tǒng)縮短了控制響應時間,從而明顯提高了艦艇的機動性和作戰(zhàn)能力,具有很強的實用性。由于是對軟件進行的模糊控制改進,不需要對已成熟系統(tǒng)進行大的變動,很容易系統(tǒng)升級和擴展,因此具有良好的操作性。同時S7-300具有數(shù)據(jù)通信能力,能夠?qū)崿F(xiàn)與上位機和全艦網(wǎng)絡的信息共享,為進一步提高艦艇的自動化、智能化、數(shù)字化奠定了基礎(chǔ),具有良好的應用前景。

        [1] 殷 銘,戴先中,徐科軍.模糊測控儀器儀表研究與應用的新進展[J].自動化儀表,1999,20(12):2-3.

        [2] 康斌棟,王志新.基于PLC模糊控制軟件的設(shè)計研究[J].機電一體化,2000(1):57-58.

        [3] 王志凱,郭宗仁,李 瑣.用PLC實現(xiàn)模糊控制的兩種設(shè)計方法[J].工業(yè)控制計算機,2002(2):15-16.

        [4] 祝 福,王文義.PLC在船用柴油機調(diào)速器中的應用[J].造船技術(shù),2005(1):24-25.

        [5] 張華力, 郭慶祝.可編程邏輯控制器在船舶主機遙控系統(tǒng)中的應用[J].船電技術(shù),2006 (1):36-37.

        [6] 王春芳.船舶柴油機調(diào)速系統(tǒng)模糊控制策略[J].集美大學學報,1998,3(4):43-45.

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