敖茂堯

（廣西職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)械與汽車技術(shù)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(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法、遺傳算法等復(fù)雜控制器的應(yīng)用，已成為當(dāng)前工業(yè)過程控制的發(fā)展趨勢(shì)。PLC是過程控制系統(tǒng)中最常用的控制器，由于PLC 編程語(yǔ)言的局限性，已滿足不了工控發(fā)展對(duì)復(fù)雜控制算法的需求，然而MATLAB具有強(qiáng)大的工程計(jì)算能力，能夠?qū)崿F(xiàn)各種復(fù)雜的智能控制算法，但是不能與現(xiàn)場(chǎng)工控設(shè)備直接數(shù)據(jù)通信。因此，如何使MATLAB 與PLC 相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)兩者的優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)是當(dāng)今自控領(lǐng)域研究的熱門話題。OPC一種工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，用于過程控制和制造自動(dòng)化系統(tǒng)。作為一種組件模型接口能夠?yàn)楣I(yè)應(yīng)用程序之間提供高效的信息集成和交互功能。OPC技術(shù)的出現(xiàn)為實(shí)現(xiàn)MATLAB與PLC之間進(jìn)行通訊提供了公用的接口，因此本文提出一種基于OPC技術(shù)與MATLAB的遺傳算法PID控制方法，并在液位過程控制系統(tǒng)進(jìn)行應(yīng)用。

1 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本文基于OPC技術(shù)，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了MATLAB與MCGS之間數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳遞和系統(tǒng)的無縫集成[1]，為檢驗(yàn)所設(shè)計(jì)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(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，通過現(xiàn)場(chǎng)總線建立MCGS與PLC的通訊。作為OPC服務(wù)器的組態(tài)軟件MCGS(上位機(jī))為數(shù)據(jù)總控平臺(tái)，以MATLAB為OPC客戶端，進(jìn)行遺傳算法PID設(shè)計(jì)、實(shí)時(shí)控制和控制結(jié)果分析等。MATLAB與MCGS實(shí)現(xiàn)智能過程控制的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

MATLAB在整個(gè)控制系統(tǒng)有兩個(gè)作用，分別通過M文件和Simulink實(shí)現(xiàn)。在M文件中主要實(shí)現(xiàn)連接和斷開OPC服務(wù)器，及添加所需讀取和寫入變量的項(xiàng)，并將OPC服務(wù)器采集的歷史數(shù)據(jù)保存在數(shù)據(jù)庫(kù)中；編寫自適應(yīng)遺傳算法的M文件，并封裝在S函數(shù)中。在Simulink中主要調(diào)用M文件編寫的S函數(shù)以實(shí)現(xiàn)遺傳PID控制算法、實(shí)時(shí)讀取和寫入數(shù)據(jù)以及可視化的圖形界面。在Simulink上實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)主要包括三個(gè)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(shí)時(shí)通訊

圖2 Malab控制流程圖

MCGS全面支持OPC標(biāo)準(zhǔn)，既可作為OPC客戶端也可以作為OPC服務(wù)器，充當(dāng)服務(wù)器時(shí)不需要進(jìn)行專門的設(shè)置。MATLAB9.0集成了OPCToolbox工具包，利用此工具包MATLAB可以實(shí)現(xiàn)與 OPC服務(wù)器的連接并讀取 OPC 服務(wù)器中的相應(yīng)變量的值。基于此，我們利用MATLAB中的 OPC 工具包來實(shí)現(xiàn)MATLAB 與 MCGS 的 OPC 服務(wù)器的連接，以下給出了在MATLAB 軟件中利用 OPC 技術(shù)讀取MCGS控制平臺(tái)中實(shí)時(shí)變量的程序編寫步驟。MATLAB 與MCGS之間實(shí)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(jī)名和ID；3）編寫M 文件。

1.3 基于OPC的Simulink自適應(yīng)遺傳PID整定設(shè)計(jì)

采用遺傳算法在線整定PID，就是針對(duì)每個(gè)采樣時(shí)間實(shí)現(xiàn)PID控制參數(shù)的遺傳算法優(yōu)化，在采樣時(shí)間k，選取足夠多的個(gè)體，計(jì)算不同個(gè)體的自適應(yīng)度，通過遺傳算法的優(yōu)化，選擇自適應(yīng)度大的個(gè)體所對(duì)應(yīng)的PD控制參數(shù)作為該采樣時(shí)間下PD的控制參數(shù)。為獲得滿意的過度過程動(dòng)態(tài)特性，并防止產(chǎn)生超調(diào)，采用誤差絕對(duì)值、誤差和誤差變化率的加權(quán)及作為第k個(gè)采樣時(shí)間時(shí)i個(gè)個(gè)體的參數(shù)選擇最小目標(biāo)函數(shù)[2]。本文在網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)中，建立Simulink與OPC服務(wù)器的通訊，獲取PID控制模塊的Kp、Ki、Kd參數(shù)，在Simulink運(yùn)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(shí)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(yīng)曲線

2 PCS 系統(tǒng)的自適應(yīng)遺傳PID整定應(yīng)用

2.1 典型過程控制系統(tǒng)的系統(tǒng)辨識(shí)

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(xué)模型，采用MATLAB獲取階躍響應(yīng)曲線。傳遞函數(shù)為：

啟動(dòng)OPCtoolbox建立與OPC服務(wù)器的通訊連接。在Group1和Group2中分別添加一、二級(jí)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(shí)間為300秒，并實(shí)時(shí)保存數(shù)據(jù)到數(shù)據(jù)庫(kù)中。采樣結(jié)束后根據(jù)數(shù)據(jù)庫(kù)中的歷史數(shù)據(jù)，繪制階躍響應(yīng)曲線如圖3所示，最后根據(jù)上述方法進(jìn)行分析獲得該系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型為：

2.2 典型過程控制系統(tǒng)的遺傳自適應(yīng)PID整定

圖4 自適應(yīng)遺傳PID控制效果圖

本例先采用ZN進(jìn)行整定，整定參數(shù)為[P=0.13，I=0.04，D=1.2]，后利用設(shè)計(jì)的自適應(yīng)遺傳PID進(jìn)行整定，兩種控制效果如圖4所示，可見采用自適應(yīng)遺傳算法PID控制，系統(tǒng)的超調(diào)量更小，快速性明顯提高，調(diào)節(jié)時(shí)間縮短，從而提高了系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。非常適合于對(duì)實(shí)時(shí)性要求極高的實(shí)際生產(chǎn)過程控制，是一種高效的尋優(yōu)方法。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文從工業(yè)過程控制出發(fā)，構(gòu)建了基于OPC技術(shù)的MATLAB與PLC的通信，利用MATLAB強(qiáng)大的工程計(jì)算功能以及Simulink的OPCtool工具箱實(shí)現(xiàn)了對(duì)工業(yè)過程控制系統(tǒng)的自適應(yīng)遺傳PID整定，取得了理想的效果。為智能化網(wǎng)絡(luò)控制發(fā)展提供可靠的理論與實(shí)驗(yàn)依據(jù)。

[1] 張烈平, 牛秦洲, 敖茂堯.基于OPC的MATLAB與MCGS實(shí)時(shí)通訊的實(shí)現(xiàn)[J].微計(jì)算機(jī)信息, 2007, 23(2-1), 54-55.

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

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