湯先馳

（上海電器科學(xué)研究所，上海 200063）

0 引言

在現(xiàn)代工業(yè)控制系統(tǒng)中，PLC因其可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)、指令豐富、維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)，在進(jìn)行邏輯控制方面的應(yīng)用十分廣泛。將PLC豐富的指令功能與模糊控制算法相結(jié)合，對(duì)一些復(fù)雜的非線性系統(tǒng)進(jìn)行模糊控制，能達(dá)到較好的控制效果。本文著重介紹了模糊控制器的設(shè)計(jì)步驟，以及不同模糊控制器的應(yīng)用場(chǎng)合。以隧道風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)作為應(yīng)用實(shí)例，通過(guò)在PLC上編程來(lái)實(shí)現(xiàn)模糊控制算法。一方面利用PLC的穩(wěn)定性和高速計(jì)算能力，不用單獨(dú)使用模糊控制芯片，這樣降低了模糊控制系統(tǒng)的成本；另一方面可以用模糊控制技術(shù)來(lái)優(yōu)化風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)，使得風(fēng)機(jī)開啟和關(guān)閉更加智能化以此來(lái)提高通風(fēng)效率，降低運(yùn)營(yíng)成本。

1 模糊控制器的設(shè)計(jì)步驟

1.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是模糊控制系統(tǒng)的核心，它的好壞直接影響到模糊控制系統(tǒng)的精度。一般來(lái)說(shuō)模糊控制器的結(jié)構(gòu)由五個(gè)部分組成，分別是模糊化接口、數(shù)據(jù)庫(kù)、規(guī)則庫(kù)、推理算法和解模糊接口[1]，如圖1所示。

圖1 結(jié)構(gòu)組成

1.2 參數(shù)選擇

模糊控制系統(tǒng)參數(shù)主要包括模糊語(yǔ)言集的選擇、模糊等級(jí)選擇以及隸屬函數(shù)的選擇。模糊控制也可以說(shuō)是一種語(yǔ)言控制，正是因?yàn)檫@些模糊語(yǔ)言所能包含的信息量更大、更靈活，所以對(duì)一些不能用二義性（是或不是）的詞匯來(lái)描述的變量來(lái)說(shuō)，用模糊語(yǔ)言更能夠表達(dá)準(zhǔn)確的意思。通過(guò)模糊語(yǔ)言將一個(gè)確定量輸入轉(zhuǎn)換成一個(gè)模糊矢量[2]。隸屬函數(shù)反映了某個(gè)模糊語(yǔ)言子集在其相應(yīng)論域中對(duì)所取值的隸屬程度。針對(duì)不同的系統(tǒng)需選擇不同的隸屬函數(shù)，這樣才能正確反映模糊語(yǔ)言子集的隸屬程度關(guān)系。但就大多數(shù)系統(tǒng)而言，三角形和梯形隸屬函數(shù)適用最為廣泛。如圖2 所示，左邊為三角形隸屬函數(shù)，右邊為梯形隸屬函數(shù)。

圖2 隸屬函數(shù)圖

1.3 規(guī)則建立

有了模糊語(yǔ)言集、模糊量化等級(jí)和隸屬度函數(shù)之后就可以建立模糊規(guī)則，進(jìn)行模糊推理。模糊規(guī)則的建立也被稱為專家經(jīng)驗(yàn)規(guī)則，是通過(guò)設(shè)計(jì)者在對(duì)該控制系統(tǒng)進(jìn)行充分了解之后，為了系統(tǒng)滿足想要得控制效果而給出的一系列控制規(guī)則[3]。可以說(shuō)控制規(guī)則建立的好壞將直接影響到整個(gè)模糊控制系統(tǒng)控制效果的好壞。由于模糊規(guī)則是設(shè)計(jì)者通過(guò)自己的經(jīng)驗(yàn)以及主觀判斷進(jìn)行設(shè)計(jì)的，所以在設(shè)計(jì)的時(shí)候難免會(huì)由于自己的某種經(jīng)驗(yàn)習(xí)慣，對(duì)規(guī)則的建立帶來(lái)一定的主觀傾向性，從而會(huì)影響整個(gè)規(guī)則的建立。所以在進(jìn)行模糊規(guī)則設(shè)計(jì)是應(yīng)盡量減少人為影響，遵守基本的設(shè)計(jì)原則[4]。模糊規(guī)則通常是由一系列的關(guān)系詞連接而成，例如if－then、else、or、also等，如if E is NB and EC is NB then U is PB。

1.4 模糊推理算法

模糊推理是模糊輸入量根據(jù)一定的推理算法來(lái)求解模糊關(guān)系方程從而得到模糊輸出的過(guò)程。在模糊推理中尚未建立一致的理論去指導(dǎo)模糊關(guān)系的構(gòu)造。這就意味著存在多種構(gòu)造模糊關(guān)系的推理方法。一般來(lái)說(shuō)常用的模糊推理方法主要有Mamdani、Lason、Takagi-Sugeno。在這里只介紹Mamdani模糊推理算法。

這種模糊推理算法是根據(jù)Zadeh[5]關(guān)于模糊算法在復(fù)雜系統(tǒng)和決策處理應(yīng)用中的思想，采用極小運(yùn)算規(guī)則定義模糊蘊(yùn)含表達(dá)的模糊關(guān)系。例如模糊集合A 和A*是論域?yàn)閁 的模糊子集，模糊集合B和B*是論域?yàn)閂的模糊子集，A→B 看作是從論域U到論域V的一個(gè)模糊關(guān)系R。應(yīng)該存在一種算法使得A*與R 合成推理出B*。按照Mamdani模糊推理法：

其中x，y分別為模糊集合A和B在論域U和V上的元素變量。

按照該模糊關(guān)系可以推理出B*：

其中〇表示為合成算子的符號(hào)，以上為了舉例簡(jiǎn)單只是根據(jù)一組規(guī)則來(lái)說(shuō)明Mamdani 模糊推理算法的思想，實(shí)際時(shí)候需把所有規(guī)則的推理結(jié)果在進(jìn)行合成才是最終的模糊關(guān)系。

在應(yīng)用Mamdani 型的模糊推理時(shí)，每一條規(guī)則推理后得到的輸出是變量的分布隸屬度函數(shù)或離散的模糊集合，也就是說(shuō)還是一個(gè)模糊量，需對(duì)每一個(gè)模糊集合的輸出變量進(jìn)行解模糊化處理，以得到精確的輸出。

1.5 解模糊方法

由于通過(guò)模糊推理獲得的控制輸出是模糊語(yǔ)言變量論域上的模糊子集，也就是說(shuō)還是一個(gè)模糊的量，需通過(guò)解模糊方法將模糊量變換成精確量然后再進(jìn)行控制。解模糊方法通常有最大隸屬度法、中心法、加權(quán)平均法[6]。

2 公路隧道風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)應(yīng)用實(shí)例

2.1 公路隧道通風(fēng)特點(diǎn)

公路隧道是交通隧道的一種，隨著城市交通負(fù)擔(dān)日益增重，為了減少占地面的，盡量少破壞城市植被，修建公路隧道是解決上訴問(wèn)題的一種好方法。公路隧道由于其特殊的結(jié)構(gòu)，自然風(fēng)和交通風(fēng)對(duì)隧道內(nèi)空氣置換作用相對(duì)較少，隧道內(nèi)粉塵、車輛尾氣、煙霧濃度等將對(duì)行車安全、駕駛員特別是隧道內(nèi)施工維護(hù)人員的人身安全帶來(lái)危險(xiǎn)。必須采取適當(dāng)?shù)臋C(jī)械通風(fēng)，將隧道內(nèi)的有害氣體及粉塵濃度控制在容許的限度之內(nèi)。目前國(guó)內(nèi)外在隧道通風(fēng)控制系統(tǒng)中采用的主要方法有手動(dòng)控制、時(shí)序控制和實(shí)時(shí)控制[7]。而國(guó)內(nèi)最常用的控制方式是實(shí)時(shí)控制。其控制方法是通過(guò)布設(shè)在隧道內(nèi)的CO 檢測(cè)器的CO（一氧化碳）值和煙霧透過(guò)率檢測(cè)器的VI（能見(jiàn)度）值，將隧道內(nèi)當(dāng)前的值與控制目標(biāo)相比較，以不超過(guò)目標(biāo)值作為原則，經(jīng)過(guò)計(jì)算處理后給出控制方案，實(shí)施通風(fēng)控制。但是由于檢測(cè)數(shù)據(jù)的滯后性，以及閥值控制的缺點(diǎn)，控制效果并不好。采用PLC對(duì)風(fēng)機(jī)進(jìn)行模糊控制，利用模糊控制具有語(yǔ)詞計(jì)算和處理不確定性、不精確性和模糊信息的能力，改善風(fēng)機(jī)控制效果，使之能夠用最適合的控制方式使隧道通風(fēng)系統(tǒng)達(dá)到良好的效果，既節(jié)約能源又有利于設(shè)備維護(hù)。

2.2 隧道風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)框圖

隧道風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)如圖3所示。

圖3 隧道風(fēng)機(jī)框圖

2.3 隧道風(fēng)機(jī)模糊控制器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)影響風(fēng)機(jī)啟停的關(guān)鍵因素，建立兩個(gè)相互獨(dú)立的模糊控制器，分別是一氧化碳模糊控制器和能見(jiàn)度模糊控制器。兩個(gè)控制器均為二維模糊控制器，輸入為一氧化碳和能見(jiàn)度的偏差量e及偏差變化ec，輸出為開啟風(fēng)機(jī)的臺(tái)數(shù)。對(duì)于兩個(gè)控制器輸出不一致時(shí)，為保證隧道安全性應(yīng)取兩者輸出的較大者作為輸出。風(fēng)機(jī)模糊控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4所示。

2.4 模糊控制器參數(shù)設(shè)計(jì)

圖4 風(fēng)機(jī)模糊控制器結(jié)構(gòu)

表1 CO偏差論域變換

表2 CO偏差隸屬度表

表3 模糊控制規(guī)則表

有了模糊化之后的論域，就可以根據(jù)實(shí)際操作經(jīng)驗(yàn)，建立模糊化論域的離散值與各語(yǔ)言變量的隸屬程度了，即輸入和輸出語(yǔ)言變量的隸屬度賦值表，現(xiàn)只將CO 偏差的隸屬度表建立如表2，其它變量的隸屬度表[8]也根據(jù)實(shí)際操作經(jīng)驗(yàn)寫出。

最后在根據(jù)實(shí)際控制經(jīng)驗(yàn)，可建立如表3 的模糊控制規(guī)則。

2.5 在Matlab上實(shí)現(xiàn)模糊控制器設(shè)計(jì)

Matlab模糊控制工具箱[9]為模糊控制器的設(shè)計(jì)提供了一種非常便捷的途徑，通過(guò)它只需要設(shè)定相應(yīng)參數(shù)，就可以很快得到所需要的模糊控制器，而且修改起來(lái)也非常方便。

對(duì)于本案例選擇Mamdani 型模糊推理算法，選擇重心法作為解模糊的方法，根據(jù)前面已經(jīng)設(shè)計(jì)好的隸屬度函數(shù)值，模糊語(yǔ)言集、模糊等級(jí)可建立如圖5和圖6所示的隸屬度函數(shù)圖。

圖5 CO偏差隸屬度函數(shù)圖

圖6 風(fēng)機(jī)開啟臺(tái)數(shù)隸屬度函數(shù)圖

根據(jù)表3 建立的模糊規(guī)則以及按照前面描述的Mamdani 模糊推理算法，可得模糊控制查詢表，按照四舍五入列表如表4。

表4 模糊控制查詢表

2.6 模糊控制算法在PLC上實(shí)現(xiàn)

在實(shí)際應(yīng)用中，用來(lái)實(shí)現(xiàn)模糊控制的方式一般有硬件實(shí)現(xiàn)和軟件實(shí)現(xiàn)兩種。硬件實(shí)現(xiàn)是利用專用的模糊控制芯片來(lái)實(shí)現(xiàn)模糊控制。主要產(chǎn)品有美國(guó)TIL公司的FC110和FCA，日本歐姆龍公司的FP-3000 和FB-30AT 等。采用硬件來(lái)實(shí)現(xiàn)模糊控制優(yōu)點(diǎn)是推理速度快，控制精度高，缺點(diǎn)是成本高，使用范圍有限制。另一種方式是用軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)，就是利用編程的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)模糊控制算法，本案例中就是利用羅克韋爾MicroLogix1400作為硬件平臺(tái)[10]，利用軟件編程來(lái)實(shí)現(xiàn)模糊控制算法。在用PLC進(jìn)行模糊控制算法實(shí)現(xiàn)的過(guò)程中，關(guān)鍵步驟是輸入精確量的模糊化以及模糊控制查詢表的查詢，解模糊化只用將輸出乘以比例因子然后在加上9 即為實(shí)際風(fēng)機(jī)開啟臺(tái)數(shù)。對(duì)于輸入精確量的模糊化程序可根據(jù)表1 的數(shù)據(jù)，通過(guò)比較指令將輸入精確值與論域離散值進(jìn)行一一比較，就可將精確值變換到模糊論域中。對(duì)于模糊控制查詢表功能的實(shí)現(xiàn)相對(duì)比較復(fù)雜，對(duì)于本例模糊控制查詢表為13×13 的矩陣，按照從上到下，從左到右的順序依次將169個(gè)數(shù)據(jù)放入到N7：0 到N7：168 寄存器中。然后建立查詢關(guān)系式，為了編程方便可先將模糊控制查詢表輸入的論域偏移6，即e和ec的取值論域?yàn)閇0，12]，通過(guò)觀察可知μ=13ei+ecj，其中i，j=0～12，這樣就建立了輸入與輸出的對(duì)應(yīng)關(guān)系。例如當(dāng)輸入偏差為3，偏差變化為6時(shí)，按照查詢關(guān)系式可知輸出為第45 個(gè)寄存器內(nèi)的值，即N7：45，然后在用MOV指令將相應(yīng)的值移動(dòng)到輸出寄存器內(nèi)就完成了模糊控制查詢表的功能。部分程序如圖7、8、9 所示。

圖7 輸入量模糊化部分程序

圖8 模糊控制查詢表部分程序

圖9 解模糊程序

3 結(jié)束語(yǔ)

用PLC來(lái)實(shí)現(xiàn)隧道風(fēng)機(jī)的模糊控制，一方面利用PLC可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)的特點(diǎn)，另一方面對(duì)隧道風(fēng)機(jī)進(jìn)行更為智能的控制，有效避免了風(fēng)機(jī)頻繁啟動(dòng)，在一定程度上降低了隧道運(yùn)營(yíng)成本，具有很高的推廣價(jià)值。

［1］諸靜.模糊控制原理與應(yīng)用［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1995.

［2］丁永生.智能技術(shù)及其應(yīng)用［M］.北京：北京科學(xué)出版社，2009.

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