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        基于OPC技術與自適應遺傳PID控制方法在PCS中的應用

        2012-07-04 09:42:40敖茂堯
        制造業(yè)自動化 2012年11期
        關鍵詞:控制參數(shù)控制算法通訊

        敖茂堯

        (廣西職業(yè)技術學院 機械與汽車技術系,南寧 530226)

        0 引言

        隨著工業(yè)過程控制的智能化發(fā)展,神經網絡算法、遺傳算法等復雜控制器的應用,已成為當前工業(yè)過程控制的發(fā)展趨勢。PLC是過程控制系統(tǒng)中最常用的控制器,由于PLC 編程語言的局限性,已滿足不了工控發(fā)展對復雜控制算法的需求,然而MATLAB具有強大的工程計算能力,能夠實現(xiàn)各種復雜的智能控制算法,但是不能與現(xiàn)場工控設備直接數(shù)據(jù)通信。因此,如何使MATLAB 與PLC 相結合,實現(xiàn)兩者的優(yōu)勢互補是當今自控領域研究的熱門話題。OPC一種工業(yè)標準,用于過程控制和制造自動化系統(tǒng)。作為一種組件模型接口能夠為工業(yè)應用程序之間提供高效的信息集成和交互功能。OPC技術的出現(xiàn)為實現(xiàn)MATLAB與PLC之間進行通訊提供了公用的接口,因此本文提出一種基于OPC技術與MATLAB的遺傳算法PID控制方法,并在液位過程控制系統(tǒng)進行應用。

        1 控制系統(tǒng)設計

        1.1 系統(tǒng)整體結構設計

        本文基于OPC技術,設計并實現(xiàn)了MATLAB與MCGS之間數(shù)據(jù)的實時傳遞和系統(tǒng)的無縫集成[1],為檢驗所設計的智能控制算法性能提供了一條有效的途徑,本系統(tǒng)西門子PLC對現(xiàn)場設備數(shù)據(jù)進行采集,通過現(xiàn)場總線建立MCGS與PLC的通訊。作為OPC服務器的組態(tài)軟件MCGS(上位機)為數(shù)據(jù)總控平臺,以MATLAB為OPC客戶端,進行遺傳算法PID設計、實時控制和控制結果分析等。MATLAB與MCGS實現(xiàn)智能過程控制的系統(tǒng)結構,如圖1所示。

        圖1 系統(tǒng)整體結構

        MATLAB在整個控制系統(tǒng)有兩個作用,分別通過M文件和Simulink實現(xiàn)。在M文件中主要實現(xiàn)連接和斷開OPC服務器,及添加所需讀取和寫入變量的項,并將OPC服務器采集的歷史數(shù)據(jù)保存在數(shù)據(jù)庫中;編寫自適應遺傳算法的M文件,并封裝在S函數(shù)中。在Simulink中主要調用M文件編寫的S函數(shù)以實現(xiàn)遺傳PID控制算法、實時讀取和寫入數(shù)據(jù)以及可視化的圖形界面。在Simulink上實時控制系統(tǒng)主要包括三個部分:S函數(shù)、funread函數(shù)、funwrite 函數(shù),MATLAB控制流程圖如圖2所示。

        1.2 基于OPC的MATLAB與MCGS的實時通訊

        圖2 Malab控制流程圖

        MCGS全面支持OPC標準,既可作為OPC客戶端也可以作為OPC服務器,充當服務器時不需要進行專門的設置。MATLAB9.0集成了OPCToolbox工具包,利用此工具包MATLAB可以實現(xiàn)與 OPC服務器的連接并讀取 OPC 服務器中的相應變量的值?;诖?,我們利用MATLAB中的 OPC 工具包來實現(xiàn)MATLAB 與 MCGS 的 OPC 服務器的連接,以下給出了在MATLAB 軟件中利用 OPC 技術讀取MCGS控制平臺中實時變量的程序編寫步驟。MATLAB 與MCGS之間實現(xiàn) OPC 通訊的具體步驟如下所示:1)在 MATLAB中輸入命令“opcregister”安裝OPC核心組件;2)在 MATLAB中輸入命令“opcserverinfo”獲得主機名和ID;3)編寫M 文件。

        1.3 基于OPC的Simulink自適應遺傳PID整定設計

        采用遺傳算法在線整定PID,就是針對每個采樣時間實現(xiàn)PID控制參數(shù)的遺傳算法優(yōu)化,在采樣時間k,選取足夠多的個體,計算不同個體的自適應度,通過遺傳算法的優(yōu)化,選擇自適應度大的個體所對應的PD控制參數(shù)作為該采樣時間下PD的控制參數(shù)。為獲得滿意的過度過程動態(tài)特性,并防止產生超調,采用誤差絕對值、誤差和誤差變化率的加權及作為第k個采樣時間時i個個體的參數(shù)選擇最小目標函數(shù)[2]。本文在網絡控制系統(tǒng)中,建立Simulink與OPC服務器的通訊,獲取PID控制模塊的Kp、Ki、Kd參數(shù),在Simulink運行遺傳PID算法,將優(yōu)化后的PID參數(shù)通過OPC接口傳把遺傳PID算法求出的參數(shù)寫入控制系統(tǒng)的PID模塊中,實現(xiàn)在線遺傳算法控制[3]。

        圖3 雙容水箱控制系統(tǒng)階躍響應曲線

        2 PCS 系統(tǒng)的自適應遺傳PID整定應用

        2.1 典型過程控制系統(tǒng)的系統(tǒng)辨識

        本例選取的雙容水箱控制系統(tǒng)為典型二階延遲系統(tǒng),為獲得該系統(tǒng)的數(shù)學模型,采用MATLAB獲取階躍響應曲線。傳遞函數(shù)為:

        啟動OPCtoolbox建立與OPC服務器的通訊連接。在Group1和Group2中分別添加一、二級水箱液位變量a1,a2,并采用異步方式讀取數(shù)據(jù),更新速率為0.5 秒,記錄600次,采樣時間為300秒,并實時保存數(shù)據(jù)到數(shù)據(jù)庫中。采樣結束后根據(jù)數(shù)據(jù)庫中的歷史數(shù)據(jù),繪制階躍響應曲線如圖3所示,最后根據(jù)上述方法進行分析獲得該系統(tǒng)數(shù)學模型為:

        2.2 典型過程控制系統(tǒng)的遺傳自適應PID整定

        圖4 自適應遺傳PID控制效果圖

        本例先采用ZN進行整定,整定參數(shù)為[P=0.13,I=0.04,D=1.2],后利用設計的自適應遺傳PID進行整定,兩種控制效果如圖4所示,可見采用自適應遺傳算法PID控制,系統(tǒng)的超調量更小,快速性明顯提高,調節(jié)時間縮短,從而提高了系統(tǒng)的動態(tài)性能。非常適合于對實時性要求極高的實際生產過程控制,是一種高效的尋優(yōu)方法。

        3 結束語

        本文從工業(yè)過程控制出發(fā),構建了基于OPC技術的MATLAB與PLC的通信,利用MATLAB強大的工程計算功能以及Simulink的OPCtool工具箱實現(xiàn)了對工業(yè)過程控制系統(tǒng)的自適應遺傳PID整定,取得了理想的效果。為智能化網絡控制發(fā)展提供可靠的理論與實驗依據(jù)。

        [1] 張烈平, 牛秦洲, 敖茂堯.基于OPC的MATLAB與MCGS實時通訊的實現(xiàn)[J].微計算機信息, 2007, 23(2-1), 54-55.

        [2] 敖茂堯, 張烈平, 曾愛群.基于OPC技術的模糊控制器研究和實現(xiàn)[J].自動化與儀表, 2007, 5.

        [3] 劉金琨.先進PID控制及其MATLAB仿真[M].北京: 電子工業(yè)出版社, 2003: 130-145.

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