智能控制 - 副本.doc

基于組態(tài)王和MATLAB的模糊PID控制的應(yīng)用1.1 內(nèi)容摘要： 為了充分利用組態(tài)王良好的可視化界面功能與MATLAB強(qiáng)大的數(shù)值分析和控制系統(tǒng)仿真功能的各自優(yōu)勢(shì)來(lái)實(shí)現(xiàn)更好的工業(yè)控制，本文利用了一種編寫(xiě)MATLAB的S函數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)組態(tài)王與MATLAB的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)交換(DDE)的方法，運(yùn)用組態(tài)軟件生成復(fù)雜友好的交互式人機(jī)界面(HMI)，MATLAB的模糊控制工具箱完成模糊PID控制算法的運(yùn)算，這樣充分發(fā)揮二者優(yōu)勢(shì)，使得用戶能夠方便快捷地開(kāi)發(fā)出復(fù)雜算法的控制系統(tǒng)，并將Mailab所附帶的工具箱Fuzzy助gicTooIBox和Simulink有機(jī)地結(jié)合起來(lái)進(jìn)行系統(tǒng)仿真，結(jié)果證明該方法具有良好的控制效果，效率高，通用性強(qiáng)，更換仿真模型中的控制算法模塊就可實(shí)現(xiàn)各種復(fù)雜的工業(yè)控制過(guò)程，這大大增強(qiáng)了組態(tài)王的實(shí)時(shí)監(jiān)控功能。1.2 內(nèi)容簡(jiǎn)介： 近年來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)及應(yīng)用的飛速發(fā)展，各個(gè)領(lǐng)域?qū)ψ詣?dòng)控制系統(tǒng)控制精度、響應(yīng)速度、系統(tǒng)穩(wěn)定性與適應(yīng)能力的要求越來(lái)越高，所研究的系統(tǒng)也日益復(fù)雜多變。然而在工業(yè)生產(chǎn)和其他領(lǐng)域中，由于被控對(duì)象常具有非線性、不確定性及參數(shù)時(shí)變等復(fù)雜因素，難以建立被控對(duì)象的簡(jiǎn)單精確的模型，因而給控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)帶來(lái)了極大的困難。模糊控制在一定程度上模仿了人的控制，它不需要有準(zhǔn)確的控制對(duì)象模型，這種控制方法既可用于簡(jiǎn)單的控制對(duì)象也可用于復(fù)雜的對(duì)象。因此，模糊控制系統(tǒng)在工業(yè)控制中獲得了廣泛的應(yīng)用。組態(tài)軟件作為一個(gè)開(kāi)放型的通用工業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)，支持工控行業(yè)中大部分國(guó)內(nèi)常見(jiàn)的測(cè)量控制設(shè)備，并遵循工控行業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)采用開(kāi)放接口提供第三方軟件的連接(DnE/oPe/Ae皿vEE等)4，用戶無(wú)須熟悉復(fù)雜的通信協(xié)議源代碼、無(wú)須編寫(xiě)大量的圖形生成、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)處理程序代碼就可以方便快捷地進(jìn)行畫(huà)面開(kāi)發(fā)、簡(jiǎn)單的程序編寫(xiě)、函數(shù)調(diào)用、設(shè)備連接。但其缺點(diǎn)是計(jì)算能力不強(qiáng)，難以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的控制算法。而MATLAB(Matri、Laboratory)應(yīng)用軟件擁有豐富的多學(xué)科工具箱、強(qiáng)大的工程計(jì)算和圖像圖形處理功能。因此，本文在監(jiān)控系統(tǒng)軟件的開(kāi)發(fā)中應(yīng)用組態(tài)軟件和MATLAB相結(jié)合。以組態(tài)軟件作為系統(tǒng)主控，進(jìn)行動(dòng)態(tài)工藝圖顯示、PLC參數(shù)設(shè)置、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集等操作;以MATLAB作為后臺(tái)應(yīng)用程序?qū)崿F(xiàn)控制系統(tǒng)分析、控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)、曲線繪制等功能，這樣使得編程更加靈活高效，能達(dá)到更好的控制效果。2.1 控制系統(tǒng)原理結(jié)構(gòu)框圖：2.2 模糊控制的算法實(shí)現(xiàn)：a=newfis(fuzzf);f1=1;a=addvar(a,input,e,-3*f1,3*f1);a=addmf(a,input,1,NB,zmf,-3*f1,-1*f1);a=addmf(a,input,1,NM,trifm,-3*f1,-2*f1,0);a=addmf(a,input,1,NS,trimf,-3*f1,-1*f1,1*f1);a=addmf(a,input,1,Z,trimf,-2*f1,0,2*f1);a=addmf(a,input,1,PS,trimf,-1*f1,1*f1,3*f1);a=addmf(a,input,1,PM,trimf,0,2*f1,3*f1);a=addmf(a,input,1,PB,smf,1*f1,3*f1);a=addrule(a,rulelist);a=setfis(a,DefuzzMethod,centroid);writefis(a,fuzzpid);a=readfis(fuzzpid);k_pid=evalfis(e_1,ec_1,a);Kp(k)=Kp0+k_pid(1);Ki(k)=Ki0+kpid(2);Kd(k)=Kd0+k_pid(3);2.3 matlab仿真： 圖2 t-kp曲線 圖3 t-ki曲線 圖4 t-kd曲線圖 圖5 r-y曲線圖圖6-常規(guī)PID控制r-y圖2.3 在simulink中建立如圖3的系統(tǒng)模型: 下圖是對(duì)傳遞函數(shù)為的工業(yè)對(duì)象進(jìn)行仿真。采樣時(shí)間是lm，采用模糊PID控制進(jìn)行階躍響應(yīng)，在第300個(gè)采樣時(shí)間是控制器輸出加1.0的干擾。 圖7-系統(tǒng)仿真模型 其中的模糊控制器的建立方法為:在模糊控制器的編輯畫(huà)面，一個(gè)輸人項(xiàng)作為偏差E，一個(gè)輸人項(xiàng)作為偏差的變化率CE，并對(duì)兩個(gè)輸人項(xiàng)的隸屬函數(shù)進(jìn)行編輯。在模糊規(guī)則控制器中編輯模糊控制規(guī)則。不同的模糊控制器一般有不同的模糊控制規(guī)則。在此系統(tǒng)中的模糊控制規(guī)則表如表1。 表一 根據(jù)這個(gè)規(guī)則表按ifE=EiandCE=CEithenU=Ui，i=1，2，n的形式在模糊規(guī)則編輯器中編寫(xiě)控制規(guī)則。然后將文件存盤(pán)，文件名設(shè)為foz1.fis。在命令窗口中輸人命令場(chǎng)陽(yáng)trix二。a面s(“fuzl”)，然后在系統(tǒng)模型中的模糊控制功能模塊中輸人模糊推論矩陣的名稱甸叨atrix，即完成了系統(tǒng)的simulink模型的建立。整個(gè)DDE通信部分的軟件設(shè)計(jì)可以使用MATI曰AB語(yǔ)言編寫(xiě)靈活的S函數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)，以M文件形式存在.sinlulink提供的一個(gè)M文件形式的S函數(shù)模板，包括定義一些必要函數(shù)的語(yǔ)句和一些注釋，這樣，程序編寫(xiě)簡(jiǎn)單，修改起來(lái)也容易，有利于又水算法的分析和改進(jìn)。具體流程如圖8所示。 圖8 控制流程圖 從以上仿真曲線可以看出，用模糊PID控制器可比常規(guī)PID的控制的超調(diào)量小，在很短時(shí)間內(nèi)就能使系統(tǒng)沒(méi)有超調(diào)。模糊PID具有魯棒性，自適應(yīng)性，超調(diào)小等優(yōu)點(diǎn)。比普通PID具有很大的優(yōu)勢(shì)。在模糊邏輯工具箱中還能方便地修改輸人輸出的論域、模糊子集、隸屬度函數(shù)、模糊控制規(guī)則、模糊決策方法及解模糊方案，然后仿真找到較佳的控制方案。3 結(jié)論： 采用傳統(tǒng)的編程語(yǔ)言設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)，需要設(shè)計(jì)人員深人了解系統(tǒng)的硬件接口，設(shè)計(jì)及優(yōu)化算法等，對(duì)開(kāi)發(fā)人員的要求較高。而本文利用組態(tài)軟件完成對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的數(shù)據(jù)采集、監(jiān)控畫(huà)面繪制、數(shù)據(jù)庫(kù)等功能，利用MATLAB工具箱提供的一些模糊控制函數(shù)，對(duì)控制系統(tǒng)實(shí)行模糊PID控制，通過(guò)編寫(xiě)MATLAB的S函數(shù)的方法實(shí)現(xiàn)MATLAB與組態(tài)軟件的DDE通信，取得了較好的控制效果。該方法具有程序的可移植性，而且實(shí)現(xiàn)也比較簡(jiǎn)單。通過(guò)更換仿真模型中的控制算法模塊，就可實(shí)現(xiàn)各種復(fù)雜的工業(yè)控制過(guò)程，通用性較強(qiáng)。由于數(shù)據(jù)需要在兩個(gè)軟件之間進(jìn)行傳輸，數(shù)據(jù)的可靠性和處理速度上會(huì)存在不足，但對(duì)于大部分過(guò)程參數(shù)而言，該系統(tǒng)均能滿足要求。主要參考文獻(xiàn)：1劉叔華蓋曉華等.Mailal刃.0控制系統(tǒng)應(yīng)用與實(shí)例.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2005.92劉金現(xiàn).知左PID控制MATI汰B仿真.北京:電子工業(yè)出版社月仄辮.9【3董新利，王景景.在控制系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)組態(tài)王與MATLAB的DDE通訊.微計(jì)算機(jī)信息J，200521一8一14北京亞控自動(dòng)化軟件科技有限公司.組態(tài)王6.0使用手冊(cè)【M.北京，2(X)2，23 結(jié)論： 采用傳統(tǒng)的編程語(yǔ)言設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)，需要設(shè)計(jì)人員深人了解系統(tǒng)的硬件接口，設(shè)計(jì)及優(yōu)化算法等，對(duì)開(kāi)發(fā)人員的要求較高。而本文利用組態(tài)軟件完成對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的數(shù)據(jù)采集、監(jiān)控畫(huà)面繪制、數(shù)據(jù)庫(kù)等功能，利用MATLAB工具箱提供的一些模糊控制函數(shù)，對(duì)控制系統(tǒng)實(shí)行模糊PID控制，通過(guò)編寫(xiě)MATLAB的S函數(shù)的方法實(shí)現(xiàn)MATLAB與組態(tài)軟件的DDE通信，取得了較好的控制效果。該方法具有程序的可移植性，而且實(shí)現(xiàn)也比較簡(jiǎn)單。通過(guò)更換仿真模型中的控制算法模塊，就可實(shí)現(xiàn)各種復(fù)雜的工業(yè)控制過(guò)程，通用性較強(qiáng)。由于數(shù)據(jù)需要在兩個(gè)軟件之間進(jìn)行傳輸，數(shù)據(jù)的可靠性和處理速度上會(huì)存在不足，但對(duì)于大部分過(guò)程參數(shù)