羅庚興

(廣東松山職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東 韶關(guān) 512126)

0 引言

模糊控制器是一種新型控制器，其優(yōu)點是不要求掌握受控對象的精確數(shù)學(xué)模型，而根據(jù)人工控制規(guī)則組織決策表，然后由該決策表決定控制量的大小［1］。PLC是集成了微電子技術(shù)、計算機技術(shù)和自動控制技術(shù)等新技術(shù)的新型工業(yè)控制裝置。將模糊控制器與PLC結(jié)合起來，揚長避短，既具有模糊控制靈活而適應(yīng)性強的優(yōu)點，又具有PLC可靠性高、參數(shù)監(jiān)控修改方便、通訊便捷等優(yōu)點。采用PLC來實現(xiàn)模糊控制，將使模糊控制在工業(yè)控制中發(fā)揮更大的作用。

1 模糊控制原理

1.1 模糊控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

模糊控制系統(tǒng)的設(shè)計以基本二維模糊控制器的設(shè)計為基礎(chǔ)，圖1所示為結(jié)構(gòu)框圖。模糊控制器包括輸入量模糊化、模糊推理和解模糊三個部分。圖中r為設(shè)定值，y為測量值，u為輸出值。e為誤差，計算公式為e=r-y;ec為誤差變化率，計算公式為ec=e1-e2式中，式中，e1為當(dāng)前采樣的誤差，e2為上次采樣的誤差。E和EC分別為e和ec模糊化后的模糊變量。ΔU為輸出模糊變量，ΔU為ΔU解模糊化后的輸出增量，u為精確輸出量。Ke、Kec分別為e、ec的模糊量化因子。Ku為Δu的比例因子。

圖1 模糊控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

1.2 模糊變量隸屬函數(shù)

設(shè)定模糊變量E的模糊論域為［-3，3］，并將其量化為7個等級{-3，-2，-1，0，1，2，3}。設(shè)定模糊變量 EC 的模糊論域為［-2，2］，并將其量化為 5 個等級{-2，-1，0，1，2，}。輸出模糊變量ΔU的模糊論域為［-3，3］，并量化為7個等級{-3，-2，-1，0，1，2，3}。

設(shè)定模糊變量的語言值集合。設(shè)定輸入模糊變量E和輸出模糊變量ΔU的語言值集合為:{負大(NB)，負中(NM)，負小(NS)，零(ZO)，正小(PS)，正中(PM)，正大(PB)}七級語言變量。設(shè)定輸入模糊變量EC語言值集合為:{負大(NB)，負小(NS)，零(ZO)，正小(PS)，正大(PB)}五級語言變量。

圖2 模糊變量的語言值隸屬函數(shù)曲線

設(shè)定模糊變量語言值隸屬函數(shù)。設(shè)定輸入模糊變量E、EC和輸出模糊變量ΔU取三角形隸屬函數(shù)，如圖2所示。

1.3 設(shè)定量化因子和比例因子

設(shè)定的輸入模糊變量E的模糊論域［-3，3］，假設(shè)實際論域e∈［-15，15］;輸入模糊變量 EC 的模糊論域［-2，2］，假設(shè)實際論域 ec∈［-0.4，0.4］;輸出模糊變量 ΔU 的模糊論域［-3，3］，假設(shè)實際論域u∈［-3，3］。根據(jù)以上設(shè)定，量化因子和比例因子的計算式如下

1.4 模糊控制規(guī)則庫

模糊變量E有7級語言變量，模糊變量EC有5級語言變量，所以輸出模糊變量ΔU總共有35條模糊控制規(guī)則。根據(jù)基本控制理論和經(jīng)驗，總結(jié)如下35條規(guī)則

上述模糊控制規(guī)則語句可繪制成模糊控制規(guī)則表(如表1)。

表1 模糊控制規(guī)則表

1.5 模糊控制查詢表

根據(jù)模糊控制規(guī)則表，選用Mamdani的極大-極小推理法進行模糊推理合成，可得到輸出控制模糊變量ΔU。解模糊方法選用加權(quán)平均法。加權(quán)平均法較適合輸出模糊集的隸屬度函數(shù)是對稱情況。

采用MATLAB的模糊邏輯工具箱進行分析仿真和計算，離線求出每一對模糊論域上的輸入(E，EC)所對應(yīng)的輸出控制變量 ΔU。

在MATLAB命令窗口運行Fuzzy函數(shù)進入模糊邏輯編輯器，并建立一個新的.fis文件，選擇控制類型為Mamdani型，根據(jù)上面的分析分別輸入E、EC和ΔU的隸屬函數(shù)和量化區(qū)間，并根據(jù)表1輸入模糊控制規(guī)則。取與的方法(And method)為min，或的方法(Or method)為max，解模糊化(Defuzzification)的方法為centroid，這樣就建立了一個.fis系統(tǒng)文件［6］，取名為 FC1.fis。

完成模糊控制器FC1.fis文件的編輯之后，通過編輯器上的命令View→Rules，打開Rule Viewer窗口，在輸入?yún)^(qū)分別的輸入模糊論域(E，EC)的所有取值組合，求取對應(yīng)的輸出控制變量ΔU的值如表2所示。

表2 模糊控制查詢表

2 模糊控制算法在PLC中的實現(xiàn)

2.1 程序結(jié)構(gòu)及流程圖

模糊控制算法的程序結(jié)構(gòu)如圖3所示。OB1是主程序，用于控制系統(tǒng)起停和調(diào)用子程序FC10和FC12。功能FC10用于實現(xiàn)輸入輸出模擬量的規(guī)范化處理，誤差 e和誤差變化率ec超限處理，將 e和ec模糊化為E和EC，并對E和EC超限處理。功能FC12用于實現(xiàn)查模糊控制表，求得輸出模糊增量ΔU。OB35是循環(huán)中斷組織塊，實現(xiàn)每采樣時刻調(diào)用功能FC11。功能FC11用于定時計算e和ec，將ΔU解模糊為ΔU，計算u=ΣΔU。

數(shù)據(jù)塊DB10用于存放設(shè)定值、測量值、輸出值、誤差和誤差變化率及其量化值、量化因子、比例因子等參數(shù)。數(shù)據(jù)塊DB11用于存放模糊控制查詢表 ΔU的數(shù)據(jù)。

模糊控制設(shè)計流程圖如圖4所示。

圖3 程序結(jié)構(gòu)框圖

2.2 建立變量數(shù)據(jù)塊

共享數(shù)據(jù)塊DB10的參數(shù)及數(shù)據(jù)類型如表3所示。為了運算精確，輸入輸出變量、誤差和誤差變化率、量化因子等參數(shù)均設(shè)置成實型數(shù)據(jù)。因為PLC的內(nèi)部存儲器地址是32位的，誤差和誤差變化率的量化值E和EC必須設(shè)置成32位的整型數(shù)據(jù)。

圖4 模糊控制算法流程圖

根據(jù)模糊控制查詢表表2中ΔU的值按由左到右、由上到下的順序依次填入共享數(shù)據(jù)塊DB11中的DBD0～DBD136中，共35個數(shù)據(jù)，如表4。ΔU的數(shù)據(jù)類型選擇為實型，ΔU的數(shù)據(jù)采用基址+變址的尋址方式訪問，基址為0，偏移地址為:

表3 參數(shù)數(shù)據(jù)塊

表4 模糊控制查詢表數(shù)據(jù)塊

2.3 定時采集輸入量e和ec并計算輸出量u

在FC11中編寫采集輸入量e和ec并計算輸出量u的程序。程序段1用于計算誤差e并將之保存到DB10.DBD24中。程序段2和3用于計算誤差變化率ec，初始采樣時的誤差變化率為初次誤差減初次誤差，用開關(guān)M0.6實現(xiàn)初始誤差變化率的計算。程序段4～6用于計算輸出量u。考慮輸出量的非線性，對輸出量進行了超上限和超下限處理。

輸入采樣和輸出刷新的定時時間，在循環(huán)中斷OB35的硬件組態(tài)中設(shè)定。這里設(shè)為1 000 ms。通過OB35中調(diào)用FC11實現(xiàn)每隔1 s鐘采樣輸入和刷新輸出的控制。

2.4 設(shè)計模糊控制查詢子程序

根據(jù)模糊量E和EC查詢模糊控制輸出ΔU是實現(xiàn)PLC模糊控制器的關(guān)鍵。在FC10中編寫程序?qū)崿F(xiàn):將e和ec模糊化為E和EC，分別存放在數(shù)據(jù)寄存器 DB10.DBD36和 DB10.DBD40中，并對E和EC超限處理，使E的數(shù)值在模糊論域［-3，3］中，EC的數(shù)值在模糊論域［-2，2］中。

在FC12中編寫程序，實現(xiàn)模糊控制輸出ΔU的數(shù)據(jù)查詢。程序如下:

3 仿真測試

打開仿真軟件西門子STEP7的PLCSIM，按圖6所示輸入模塊。給定值 DB10.DBD0、測量值 DB10.DBD4、誤差 DB10.DBD24、誤差變化率 DB10.DBD32、模糊輸出增量 DB10.DBD44的數(shù)據(jù)類型均選擇為實型(Real);過程值PIW294數(shù)據(jù)類型選擇為整型，輸入方式為滑塊式(Slider:Int);模糊誤差DB10.DBD36和模糊誤差變化率DB10.DBD40的數(shù)據(jù)類型選擇為有符號整型(Integer)。將圖3所示的程序及組態(tài)好的硬件下載到仿真軟件中。運行仿真軟件，將鼠標放在PIW294輸入模塊的滑塊上，按下方向鍵左(表示+)或右(表示-)，改變測量值的大小，可以觀察到誤差DB10.DBD24、誤差變化率DB10.DBD32及其分別對應(yīng)的量化值DB10.DBD36和DB10.DBD40，也可以觀察到模糊輸出增量DB10.DBD44的值。

圖5 功能FC11定時計算誤差e、誤差變化率ec和輸入u的程序

通過觀察仿真值，并與表2的值進行對照，可以推斷出控制程序運行正確。

4 結(jié)束語

模糊控制器與PLC結(jié)合起來，通過STEP7軟件的存儲器間址尋址方式實現(xiàn)模糊控制策略，既保留了PLC控制系統(tǒng)可靠、靈活、適應(yīng)能力強的特點，又極大提高了控制系統(tǒng)的智能化程度。這種控制策略對現(xiàn)有大時滯、非線性、建模困難的過控對象的技術(shù)改造很有意義。

［1］陶永華主編.新型PID控制及其應(yīng)用(第2版)［M］.北京:機械工業(yè)出版社，2002.

［2］羅庚興，寧玉珊編著.大中型PLC應(yīng)用技術(shù)［M］.北京:北京師范大學(xué)出版集團，2010.

［3］褚靜.模糊控制原理與應(yīng)用［M］.北京:機械工業(yè)出版社，1998.

［4］王晶晶.在S7-300中利用模糊控制算法實現(xiàn)恒溫控制［J］.山東電子，2002(4):31-32.

［5］謝仕宏編著.MATLAB R2008控制系統(tǒng)動態(tài)仿真實例教程［M］.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2009.

［6］羅庚興.PID參數(shù)模糊自整定控制器在加熱爐煤氣流量控制中的應(yīng)用［J］.南方金屬，2007(5):25-28.

［7］瞿楓，徐中宏，孫冀.基于西門子S7-300PLC的模糊控制實現(xiàn)［J］.南京師范大學(xué)學(xué)報(工程技術(shù)版)，2007(12):23-27.

［8］廖常初主編.S7-300/400PLC應(yīng)用技術(shù)［M］.北京:機械工業(yè)出版社，2005.