嚴(yán)粵鋒

摘 ?要： 為了使組態(tài)軟件能夠良好地控制人機(jī)界面，且便于投用、操作及維護(hù)，分析基于自調(diào)節(jié)模糊控制算法的組態(tài)軟件。在研究過程中，首先，分析控制技術(shù)和工程中經(jīng)常使用的控制算法原理和設(shè)計(jì)方法;然后，結(jié)合案例對(duì)開發(fā)過程中所使用的組態(tài)技術(shù)原理進(jìn)行闡述。針對(duì)過程控制系統(tǒng)的特點(diǎn)，結(jié)合組態(tài)思想，利用組態(tài)技術(shù)設(shè)計(jì)控制算法模塊;最后，在過程控制實(shí)驗(yàn)裝置中對(duì)其可行性進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試結(jié)果表明，基于組態(tài)軟件的自調(diào)節(jié)模糊控制算法能夠滿足實(shí)際使用需求。

關(guān)鍵詞： 組態(tài)軟件; 自調(diào)節(jié)模糊控制算法; 算法設(shè)計(jì); 過程控制; PID控制; 隸屬度函數(shù)

中圖分類號(hào)： TN911.1?34 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)： 1004?373X（2019）15?0123?04

Design and implementation of self?tuning fuzzy control algorithm

applied to configuration software

YAN Yuefeng

（Guangdong Open University， Guangzhou 510091， China）

Abstract： In order to create a good advanced control man?machine interface for the configuration software and make it easy to put into use， operate and maintain， the configuration software based on self?adjusting fuzzy control algorithm is analyzed. The principle and design method of control algorithm commonly used in control technology and engineering are analyzed. The configuration technology principle used in the development process is elaborated with a case. The idea of configuration is combined to design the control algorithm module by using configuration technology. The feasibility of the system is tested in the process control experimental device. The testing results show that the self?adjusting fuzzy control algorithm based on the configuration software can meet the demands of actual application.

Keywords： configuration software; self?adjusting fuzzy control algorithm; algorithmic design; process control; PID control; membership function

0 ?引 ?言

現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展促進(jìn)了自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展。在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中使用自動(dòng)化技術(shù)，能夠保證工業(yè)生產(chǎn)的安全性、高效性、連續(xù)性及高質(zhì)量。自動(dòng)化技術(shù)歷經(jīng)三次革命，在第三次變革的過程中，現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)成為全新自動(dòng)化領(lǐng)域中的主導(dǎo)技術(shù)。隨著控制技術(shù)的不斷發(fā)展，工業(yè)生產(chǎn)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，控制系統(tǒng)也越來越依賴軟件系統(tǒng)。組態(tài)軟件目前被廣泛應(yīng)用到工業(yè)控制中，其具備豐富的圖像顯示、對(duì)象連接及數(shù)據(jù)庫處理等功能，為使用人員提供了方便。然而，組態(tài)軟件自身并沒有控制組態(tài)的功能，都是通過上位機(jī)設(shè)置從而實(shí)現(xiàn)功能，控制功能是通過單回路調(diào)節(jié)器和可編程控制器實(shí)現(xiàn)的，無法充分展現(xiàn)組態(tài)軟件的設(shè)計(jì)思想。為了能夠有效簡(jiǎn)化工程人員工作量，降低重復(fù)性工作，本文提出通用空間控制工程的策略。

1 ?模糊控制算法分析

模糊控制是在20世紀(jì)70年代出現(xiàn)的，控制過程不適用數(shù)學(xué)模型，主要通過現(xiàn)場(chǎng)人員操作思維和實(shí)驗(yàn)進(jìn)行控制，使用現(xiàn)代理論無法充分發(fā)揮控制作用。

模糊集合是控制模型的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)，控制經(jīng)驗(yàn)作為控制知識(shí)模型，適應(yīng)性比較強(qiáng)，并且不會(huì)依賴于精準(zhǔn)數(shù)學(xué)模型，還具有良好魯棒性。圖1為模糊控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。

模糊控制系統(tǒng)具有常規(guī)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，由輸入輸出接口、被控對(duì)象、模糊控制器、測(cè)量裝置和執(zhí)行結(jié)構(gòu)構(gòu)成。在使用過程中，要求用戶能夠給出控制輸出量及誤差，基于模塊將誤差上下限及輸出上下限定義為控制屬性。其次，利用用戶實(shí)現(xiàn)控制對(duì)象檢測(cè)信號(hào)值、控制輸出及設(shè)定值的控制，其能夠?qū)崿F(xiàn)空間屬性的定義。

圖1 ?模糊控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

模糊控制器為控制系統(tǒng)的主要部分，還是模糊控制的核心內(nèi)容，結(jié)構(gòu)所使用的推理算法、推理規(guī)則和模糊決策等方法都會(huì)影響到模糊控制系統(tǒng)的性能。圖2為典型模糊控制器結(jié)構(gòu)，其包括模糊推理、模糊化、知識(shí)庫及模糊決策。

圖2 ?典型模糊控制器結(jié)構(gòu)

2 ?組態(tài)軟件的體系結(jié)構(gòu)

組態(tài)軟件由多組件構(gòu)成，使用組件的數(shù)量逐漸提高，功能也有所加強(qiáng)，各種組態(tài)軟件都是利用面向?qū)ο缶幊毯驮O(shè)計(jì)的方法，從而便于軟件學(xué)習(xí)及掌握，提高功能。組態(tài)軟件包括運(yùn)行系統(tǒng)和組態(tài)系統(tǒng)，其主要目的就是通過系統(tǒng)特性需求配置系統(tǒng)，利用運(yùn)行系統(tǒng)、組態(tài)配置信息控制工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)功能，組態(tài)系統(tǒng)屬于組態(tài)軟件的重點(diǎn)。

工控軟件能夠收集數(shù)據(jù)，并且存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫中，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理之后呈現(xiàn)給用戶。另外，利用控制算法輸出信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)合理控制。共性穩(wěn)定，通過組態(tài)技術(shù)實(shí)現(xiàn)可變性，從而滿足不同工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)需求。工控軟件可變性指的是采集信號(hào)性質(zhì)、處理數(shù)據(jù)的方法和呈現(xiàn)給用戶的方式等。圖3為組態(tài)軟件的構(gòu)成。

圖3 ?組態(tài)軟件的構(gòu)成

1） 數(shù)據(jù)庫組態(tài)。實(shí)現(xiàn)收集信號(hào)的配置，主要包括物理名稱、序號(hào)、物理地址、信號(hào)類型、數(shù)據(jù)類型、采集頻率、量程上下限及測(cè)量精度等，將其作為基礎(chǔ)生成相應(yīng)數(shù)據(jù)庫表格，實(shí)現(xiàn)各種實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)及歷史數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)。

2） 系統(tǒng)組態(tài)。配置收集信號(hào)的硬件板卡和端口地址。

3） 流程圖組態(tài)。利用圖元組件制作，對(duì)圖元組件流程關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)及位置關(guān)系進(jìn)行記錄。通過運(yùn)行系統(tǒng)中收集信息的狀態(tài)展現(xiàn)流程圖，包括壓力、流量、水泵啟停、閥門開關(guān)等。另外，要求圖元組件具備動(dòng)態(tài)連接屬性，包括動(dòng)態(tài)變化方式及數(shù)據(jù)源。

4） 報(bào)警組態(tài)。實(shí)現(xiàn)報(bào)警優(yōu)先級(jí)、上下限及方式的配置。

5） 控制組態(tài)。實(shí)現(xiàn)控制算法、參數(shù)及物理量的配置。

6） 通信組態(tài)。實(shí)現(xiàn)通信方式及應(yīng)用層用戶協(xié)議的配置。

7） 報(bào)表組態(tài)。實(shí)現(xiàn)報(bào)表數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)方式、數(shù)據(jù)源、打印方式及格式的配置。

3 ?先進(jìn)控制算法的實(shí)現(xiàn)

3.1 ?ActiveX控件技術(shù)

ActiveX空間技術(shù)指的是將COM及OLE作為基礎(chǔ)創(chuàng)建的應(yīng)用技術(shù)，其屬于編碼及API協(xié)議，并且能夠?yàn)椴煌Z言及平臺(tái)組件的跨越提供框架。ActiveX控件主要包括三個(gè)特性，分別為方法、事件及屬性。ActiveX空間利用事件對(duì)控件進(jìn)行控制，常用事件包括鍵盤輸入數(shù)據(jù)、單擊控件等。ActiveX控件利用觸發(fā)控件容器進(jìn)行通信，容器能夠利用方法及屬性和控件進(jìn)行通信。屬性及方法能夠提供空間，將其作為控件容器使用輸出接口，方法和腳本函數(shù)類似，都能夠在容器中調(diào)用。

3.2 ?制作控件

本文使用VC設(shè)計(jì)ActiveX控件，具體步驟為：

1） 通過MFC創(chuàng)建工程，并且為工程及控件命名，此時(shí)MFC能夠自動(dòng)成為控件創(chuàng)建程序框架，用戶只要將程序代碼輸入到框架中。

2） 控件外觀設(shè)計(jì)。在Ondraw函數(shù)中繪制控件外觀，利用畫刷及畫筆畫出控件外觀，還能夠編輯位圖，之后在OnDraw中實(shí)現(xiàn)LoadBitamp函數(shù)的調(diào)用。

3） 屬性的添加。在MFC中選擇控件類，單擊AddProperty實(shí)現(xiàn)屬性添加。

4） 編輯屬性頁。用戶能夠?yàn)g覽屬性頁，還能夠?qū)ctivex控制屬性值進(jìn)行更改，其屬于空間數(shù)據(jù)和容器數(shù)據(jù)兩者交換的重要界面。用戶的訪問是利用空間屬性對(duì)話框?qū)崿F(xiàn)的，屬性對(duì)話框中有一個(gè)或者多個(gè)屬性頁，用戶可以對(duì)屬性圖形化界面進(jìn)行瀏覽、控制和編輯。在工作區(qū)中雙擊條目，打開顯示屬性頁對(duì)話框，在對(duì)話框中設(shè)計(jì)屬性頁外觀。之后，對(duì)DoData函數(shù)進(jìn)行自定義。

嵌入控件之后，在使用時(shí)還要連接組態(tài)軟件數(shù)據(jù)，從而傳輸現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)及空間模塊數(shù)據(jù)，利用控件算法對(duì)控制量計(jì)算，到現(xiàn)場(chǎng)傳輸。將現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)設(shè)置成組態(tài)軟件數(shù)據(jù)庫點(diǎn)，空間和現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)連接也是數(shù)據(jù)庫點(diǎn)連接。首先，設(shè)計(jì)的組態(tài)界面要和實(shí)際設(shè)備相一致，利用特殊功能菜單控制管理中選擇算法控件。啟動(dòng)組態(tài)軟件數(shù)據(jù)庫組態(tài)，創(chuàng)建模擬點(diǎn)I/O點(diǎn)，雙擊控件就會(huì)彈出動(dòng)畫連接主對(duì)話框，選擇雜項(xiàng)/一般動(dòng)作屬性，將ActiveX事件腳本編輯器打開，圖4為ActiceX控件腳本編輯器界面，通過控制腳本編輯器能夠?qū)崿F(xiàn)控制屬性、變量及方法的查看，還能夠編輯腳本。在腳本編輯器中編輯腳本語言，在數(shù)據(jù)庫中實(shí)現(xiàn)I/O點(diǎn)值及空間數(shù)據(jù)的相互交換。

圖4 ?ActiveX控件腳本編輯器

3.3 ?算法計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)

3.3.1 ?模糊控制算法實(shí)現(xiàn)

在模糊控制算法模塊中將誤差及誤差變化率作為輸入量的二維模糊控制器，并且添加可變論域及動(dòng)態(tài)環(huán)節(jié)，圖5為控制算法程序框圖。

圖5中，[e]指的是誤差，[ec]指的是誤差變化率，[Ke]，[Kec]，[Ku]指的是比例因子，[m]指的是論域等級(jí)。限制在論域等級(jí)中[E]和[EC]的誤差及誤差變化率不超過論域等級(jí)范圍。計(jì)算調(diào)整因子[a]為：

根據(jù)圖5的流程實(shí)現(xiàn)算法程序代碼的編輯，之后添加到OnTimer函數(shù)中，在控件運(yùn)行的過程中，每通過一個(gè)采樣周期，就會(huì)運(yùn)行一次OnTimer函數(shù)，算法為周期運(yùn)行。在屬性頁中設(shè)置算法，圖6為模糊控件器的屬性頁。

圖5 ?控制算法程序框圖

圖6 ?模糊控件器屬性頁

3.3.2 ?模糊PID控制算法實(shí)現(xiàn)

在模糊控制算法中，首先確定用戶變量，使其能夠定義空間屬性。模糊控制算法能夠使基本的論域轉(zhuǎn)變?yōu)槟：撚?，要求用戶使用誤差輸出量及控制基本理論，在模糊中利用誤差上下限定義層位空間屬性輸出。其次，用戶在控件中利用控制對(duì)象檢測(cè)信號(hào)值、設(shè)定值及控制輸出，也就是空間屬性。然后，通過例數(shù)函數(shù)、模糊方式及控制規(guī)則實(shí)現(xiàn)模糊控制算法的轉(zhuǎn)變，使其作為空間方法。最后，定義時(shí)間函數(shù)，在時(shí)間函數(shù)中調(diào)用模糊控制算函數(shù)。通過三角形隸屬函數(shù)，使算法模塊轉(zhuǎn)變?yōu)槟：浚瑢?shí)現(xiàn)模糊量輸出，轉(zhuǎn)變?yōu)榫_量。利用二維模糊控制器偏差[E]、偏差變化[EC]、平均判決法和控制器輸出[U]的相對(duì)模糊子集設(shè)置七檔。選擇模糊控制算法模塊中的比例因子及量化因子具有重要作用，通過實(shí)驗(yàn)表示，比例因子和量化因子的大小和不同化因子代銷及模糊控制量控制性能具有密切的關(guān)系。對(duì)于量化因子和比例因子來說，不僅要對(duì)計(jì)算機(jī)字長(zhǎng)進(jìn)行考慮，還要對(duì)計(jì)算機(jī)輸入輸出接口中的D/A及A/D轉(zhuǎn)換精度和變化范圍考慮。圖7為基于模糊規(guī)則切換P?FUZZY?PID控制器程序框圖。

圖7 ?基于模糊規(guī)則切換P?FUZZY?PID控制器程序框圖

圖8 ?P?Fuzzy?PID算法控制屬性頁的隸屬度函數(shù)

4 ?結(jié) ?語

本文提出使用組態(tài)技術(shù)模糊控制算法實(shí)現(xiàn)組態(tài)軟件的二次開發(fā)，能夠有效豐富組態(tài)軟件的控制功能。另外，分析實(shí)際使用過程中的過程控制技術(shù)，對(duì)工程中常用的控制算法原理及設(shè)計(jì)方法進(jìn)行研究，實(shí)現(xiàn)基于組件技術(shù)控制算法模塊的設(shè)計(jì)。通過實(shí)際使用分析表明，其在實(shí)際使用過程中具有一定效果。

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