【文章內(nèi)容簡介】 量，Ku為控制量u的比例因子。e(k)=r(k)y(k)|e(k)|≥APIfuzzyNY模糊控制設(shè)計原理如圖所示，該設(shè)計過程采用模糊策略與PI控制相結(jié)合的控制思想，根據(jù)溫度變化程度來決定控制手段。其中r(t)的范圍在1250～1300℃，y(t)為電熱爐實際溫度，通過負反饋得到差e=r(t)y(t),此時如果e≥A(A=2/3*50℃≈30℃),通過軟件編程把開關(guān)打到U1的一邊，如果e＜A，開關(guān)就會打到U2的一邊，此時為PI控制，PI控制大大提高了系統(tǒng)抗外部干擾和適應(yīng)內(nèi)部參數(shù)變化的魯棒性，減少了超調(diào)，改善了系統(tǒng)的動態(tài)特性。 u 軟件流程圖 模糊控制的基本思想是利用計算機來實現(xiàn)人的控制經(jīng)驗，而這些經(jīng)驗多是用語言表達的具有相當(dāng)模糊性的控制規(guī)則。 模糊子集及其論域的確定對誤差e、誤差變化ec及控制量u的模糊集及其論域定義如下：e、ec和u的模糊集均為：{NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB}，其中N表示下移，P表示上移。設(shè)誤差e的基本論域為[50, 50℃]選定E的論域X為{6，5，4，3，2，1，0，1，2，3，4，5，6}則得誤差e的量化因子Ke=6/50=3/25。設(shè)ec的基本論域均為：[60， 60]選定EC的論域Y為{6，5，4，3，2，1，0，1，2，3，4，5，6}則得到誤差變化ec 的量化因子Kec=6/60=1/10設(shè)u的基本論域為：[48， 48]選定U的論域Z為：{6，5，4，3，2，1，0，1，2，3，4，5，6}則得到控制量變化u的比例因子Ku=48/6=8 模糊控制算法結(jié)構(gòu)設(shè)計模糊控制規(guī)則是人們用于描述其控制經(jīng)驗的語句，這種語句采用形式邏輯所采用的傳統(tǒng)格式，但是，在這些條件語句中，前件和后件都是模糊詞。所以，這些條件語句就成為模糊條件語句。從而也較恰當(dāng)?shù)胤从沉巳藗兊目刂平?jīng)驗。模糊控制器的控制規(guī)則是以手動控制策略為基礎(chǔ)的。它利用模糊集合理論將手動控制策略升為具體的數(shù)值運算，根據(jù)推理運算的結(jié)果做出相應(yīng)的控制動作，使執(zhí)行機構(gòu)控制被控制對象的運行。本系統(tǒng)采用雙輸入單輸出模糊控制器，其中，屬于論域X的模糊集合E取自系統(tǒng)誤差e的模糊化，屬于論域Y的模糊集合EC取自系統(tǒng)的誤差變化率ec的模糊化，二者構(gòu)成模糊控制器的二維輸入；屬于論域Z的模糊集合U是反映控制量變化的模糊控制器的一維輸出。要建立模糊控制器的控制規(guī)則，就是要利用語言來歸納手動控制過程中所使用的控制策略一般都可以用“IF—THEN”的形式的條件語句來加以描述。根據(jù)本系統(tǒng)的設(shè)計要求采用如下的控制規(guī)則： (A V B→C)結(jié)構(gòu)這種推理的前件有兩個，這種蘊含關(guān)系在用語言表述時為：“若A且B則C”，即 if A and B then C結(jié)合電熱前床溫度控制的設(shè)計要求，設(shè)計過程如下：設(shè)溫度的誤差為e，溫度誤差的變化為ec，電極的高度變化為u。假設(shè)ec和u的語言變量EC和U的詞集均為： { NB，NM，NS，0，PS，PM，PB}并選取e的語言變量E詞集為： { NB，NM，NS，Z0，PS，PM，PB}其中N表示下移，P表示上移。令：△t(k)=t(k)t0, △t(k)= △t(k) △t(k1)分別表示當(dāng)溫度差以及溫度差變化率，其中t0表示期望液位，△t(k1)表示前一時刻的液溫度差信號。令u為電極高度變化的前一時刻電極高度的控制量，有如下控制過程：當(dāng)發(fā)現(xiàn)“溫度低很多，并且溫度有進一步快速降低的趨勢”應(yīng)采取的動作是“加大電極高度的上升”，用條件語句可以表示為：“若誤差負大且誤差變化率也負大時，則控制量應(yīng)正大”，即if E=NB and EC=NB ,then U=PB?！? 所以由下表列出所有的控制規(guī)則表 模糊控制狀態(tài)表 確定各模糊子集的隸屬函數(shù)語言變量論域上的模糊子集由隸屬度u(x)函數(shù)來描述。隸屬度的值域為[0，1]，它將普通集合只能取0，1兩個值，推廣到[0，1]閉區(qū)間上連續(xù)取值。隸屬度函數(shù)的值u(x)越接近1，表示元素x屬于模糊集合A的程度越大。反之u(x)越接近于0，表示元素x屬于模糊集合A的程度越小。隸屬函數(shù)完全刻畫了模糊集合，隸屬函數(shù)是模糊數(shù)學(xué)的基本概念，不同的隸屬函數(shù)所描述的模糊集合的不同。本系統(tǒng)采用三角形隸屬函數(shù)表示法，三角形曲線的形狀由3個參數(shù)a,b,c來確定，即 （） 隸屬函數(shù)曲線圖表 輸入語言變量E、EC的賦值表表 輸出語言變量U賦值表 偏差及偏差變化信號清晰量的模糊化 根據(jù)確定數(shù)e及量化因子Ke，由ni=e*Ke求取在e在基本論域[50，50]上的量化等級ni；其次查找語言變量E的賦值表，找出在元素ni上與最大隸數(shù)度對應(yīng)的語言值所決定的模糊集合。該模糊集合便代表確定數(shù)e的模糊化。例如根據(jù)系統(tǒng)誤差量測值e 由ni=Ke*e計算出ni=+3；查語言變量誤差E賦值表，在+，：模糊集合便是確定數(shù)誤差e的模糊化 模糊關(guān)系模糊控制器的輸出為誤差向量和模糊關(guān)系的合成，即u=(eec)R 而 （） 且 （） 模糊判決計算出模糊關(guān)系R后，基于推理合成規(guī)則，由系統(tǒng)誤差e 的論域X={6，5，4，3，2，1，0，1，2，3，4，5，6}和誤差變化率ec的論域Y={6，5，4，3，2，1，0，1，2，3，4，5，6}，根據(jù)語言變量誤差E和誤差變化率EC賦值表，針對論域X，Y全部元素的所有組成，求取相應(yīng)的語言變量控制量變化U的模糊集合，并應(yīng)用最大隸屬度法對此等模糊集合進行模糊判決，取得以論域Z={6，5，4，3，2，1，0，1，2，3，4，5，6}的元素表示的控制量變化值u，其中最大隸屬度的計算公式為： ， （）選取推理結(jié)果的模糊集合中隸屬度最大的元素作為輸出值。如果在輸出域V中，其最大隸屬度對應(yīng)的輸出值多于一個，則取得所有具有最大隸屬度輸出的平均值，式中N為具有相同最大隸屬度輸出的總數(shù)。在上述離線計算基礎(chǔ)上，便可建立下表所示的查詢表。 模糊控制器查詢表 PI控制算法 數(shù)字PI算法比例積分控制算法的模擬表達式為 （）式中，u0是控制作用的初始穩(wěn)態(tài)值；Kp是比例放大系數(shù)；Ti是積分時間常數(shù)；u(t)是t時刻控制作用的輸出；e(t)是t時刻控制器的輸入，e(t)=r(t)y(t),r(t)和y(t)分別是t時刻控制器的設(shè)盯值和測量值。由于計算機系統(tǒng)是一種采樣控制系統(tǒng)，它只能根據(jù)采樣時刻的偏差值計算控制量。因此必須將其離散化，用離散的差分方程來代替連續(xù)系統(tǒng)的微分方程。連續(xù)的時間離散化，即 t=KT (K=0,1,2,…n) 積分用累加求和近似得 （） 式中T為采用周期；將式（）代入式（），則可得到離散的PI位置算表達 （） 由于上式計算復(fù)雜，故應(yīng)采用增量算法，以下為推導(dǎo)式：設(shè)第k1次采樣，得 （） 其中所以本系統(tǒng)采用增量式算法 PI參數(shù)整定本系統(tǒng)采用擴充臨界比例度法選擇PID參數(shù)，用它調(diào)整T、Kp、和Ti的步驟如下：1）選擇一個合適的采樣周期T（根據(jù)經(jīng)驗值被測參數(shù)為溫度時，采用周期T一般為5～10s，控制器做純比例Kp控制；2）調(diào)整Kp的值，使系統(tǒng)出現(xiàn)臨界振蕩，記下相應(yīng)的臨界振蕩周期Ts和臨界振蕩增益Ks；3）選擇合適的控制度。；4），查表可求出：T=。 Kp=。 Ti=第4章 系統(tǒng)總體設(shè)計方案及系統(tǒng)構(gòu)成 系統(tǒng)總體設(shè)計思路在本課題主要是采用西門子PLC來對系統(tǒng)的溫度進行模糊控制的，電阻爐由交流調(diào)壓器來控制，采用西門子的可編程控制器對電爐的溫度進行控制和調(diào)節(jié)。具體實際操作有：1. 采用西門子的可編程控制器、觸摸屏及有關(guān)的應(yīng)用軟件，對系統(tǒng)溫度來進行調(diào)節(jié)控制；2. 選擇模糊控制器來對溫度進行控制和溫度調(diào)節(jié)執(zhí)行器；； 3. 采用PROFIBUSDP總線，通過組太王生成畫面由PC來實現(xiàn)遠程控制。本系統(tǒng)通過網(wǎng)絡(luò)分層來控制各被控對象，最后在用戶終端（上位機CRT）上監(jiān)視和操作被控對象；涉及到OPC服務(wù)器、工業(yè)以太網(wǎng)、ProfibusDP現(xiàn)場總線、PLC編程、觸摸屏組態(tài)、網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)交換、PLC數(shù)據(jù)交換、監(jiān)控軟件組態(tài)等多方面的題材。 系統(tǒng)的組成系統(tǒng)由電爐、調(diào)功器、熱電偶、PLC控制器、PROFIBUS現(xiàn)場總線、工業(yè)以太網(wǎng)、上位機監(jiān)控系統(tǒng)等組成。本系統(tǒng)采用西門子PLC來控制電路溫度，其中加熱爐為1000℃密閉爐，內(nèi)置熱電偶用于檢測溫度；加熱控制采用調(diào)功器，熱電偶檢測的溫度與設(shè)定值比較，經(jīng)FM355的模糊控制計算后輸出4～20mA控制信號給調(diào)功器調(diào)節(jié)爐溫。溫度控制是通過對加熱絲的電源通斷來實現(xiàn)的。本系統(tǒng)采用晶閘管調(diào)功方式。晶閘管開關(guān)控制方式有兩種：相位控制和過零控制。相位控制會使負載上的電壓波形則能在負載上產(chǎn)生較完美的正弦電壓波形，同時由于過零時通斷，防止了過大電流沖擊。晶閘管串接在50Hz交流電源和加熱絲中，只要在給定周期內(nèi)改變晶閘管的接通時間，就能達到加熱功率改變的目的，從而實現(xiàn)溫度調(diào)節(jié)[13]。A1PS407PTU晶閘管調(diào)功單元熱電偶K分度號LHUBAI1電爐熱電偶信號LINELOADAUTO0VNLNLFU1FU2電爐TCRL220V max:1000176。CA2CPU412A3CPU4431NL+ML+ML+MB1PS307LB2CPU315NL+ML+ML+MB3FM355CAO1 控制輸出調(diào)節(jié)信號420mAPC2電氣鏈路模塊操作員站工程師站PC1其他站其他站PROFIBUSDPIndustry Ethernet…………QF2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)總圖 工業(yè)以太網(wǎng)的基本概念和應(yīng)用領(lǐng)域所謂工業(yè)以太網(wǎng)，一般來講是指技術(shù)上與商用以太網(wǎng)（）兼容，但在產(chǎn)品設(shè)計時，在材質(zhì)的選用、產(chǎn)品的強度、適用性以及實時性、可互操作性、可靠性、抗干擾性和本質(zhì)安全等方面能滿足工業(yè)現(xiàn)場的需要。 隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展與普及推廣，Ethernet技術(shù)也得到了迅速的發(fā)展，Ethernet傳輸速率的提高和Ethernet交換技術(shù)的發(fā)展，給解決Ethernet通信的非確定性問題帶來了希望，并使Ethernet全面應(yīng)用于工業(yè)控制領(lǐng)域成為可能。由于以太網(wǎng)具有應(yīng)用廣泛、價格低廉、通信速率高、軟硬件產(chǎn)品豐富、應(yīng)用支持技術(shù)成熟等優(yōu)點，目前它已經(jīng)在工業(yè)企業(yè)綜合自動化系統(tǒng)中的資源管理層、執(zhí)行制造層得到了廣泛應(yīng)用，并呈現(xiàn)向下延伸直接應(yīng)用于工業(yè)控制現(xiàn)場的趨勢。從目前國際、國內(nèi)工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展來看，目前工業(yè)以太網(wǎng)在制造執(zhí)行層已得到廣泛應(yīng)用，并成為事實上的標準。未來工業(yè)以太網(wǎng)將在工業(yè)企業(yè)綜合自動化系統(tǒng)中的現(xiàn)場設(shè)備之間的互連和信息集成中發(fā)揮越來越重要的作用?？偟膩碚f，工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展趨勢將體現(xiàn)在以下幾個方面：工業(yè)以太網(wǎng)與現(xiàn)場總線相結(jié)合工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)的研究還只是近幾年才引起國內(nèi)外工控專家的關(guān)注。而現(xiàn)場總線經(jīng)過十幾年的發(fā)展，在技術(shù)上日漸成熟，在市場上也開始了全面推廣，并且形成了一定的市場。就目前而言，全面代替現(xiàn)場總線還存在一些問題，需要進一步深入研究基于工業(yè)以太網(wǎng)的全新控制系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)，開發(fā)出基于工業(yè)以太網(wǎng)的系列產(chǎn)品。因此，近一段時間內(nèi)，工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展將與現(xiàn)場總線相結(jié)合，具體表現(xiàn)在：物理介質(zhì)采用標準以太網(wǎng)連線，如雙絞線、光纖等； 使用標準以太網(wǎng)連接設(shè)備（如交換機等），在工業(yè)現(xiàn)場使用工業(yè)以太網(wǎng)交換機；采用IEEE 、TCP/IP協(xié)議組； 應(yīng)用層（甚至是用戶層）采用現(xiàn)場總線的應(yīng)用層、用戶層協(xié)議； 兼容現(xiàn)有成熟的傳統(tǒng)控制系統(tǒng)，如DCS、PLC等；工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)直接應(yīng)用于工業(yè)現(xiàn)場設(shè)備間的通信已成大勢所趨，隨著以太網(wǎng)通信速率的提高、全雙工通信、交換技術(shù)的發(fā)展，為以太網(wǎng)的通信確定性的解決提供了技術(shù)基礎(chǔ)，從而消除了以太網(wǎng)直接應(yīng)用于工業(yè)現(xiàn)場設(shè)備間通信的主要障礙，為以太網(wǎng)直接應(yīng)用于工業(yè)現(xiàn)場設(shè)備間通信提供了技術(shù)可能。為此，國際電工委員會IEC正著手起草實時以太網(wǎng)(Realtime Ethernet, RTE)標準，旨在推動以太網(wǎng)技術(shù)在工業(yè)控制領(lǐng)域的全面應(yīng)用。針對這種形勢，以浙江大學(xué)、浙大中控、中科院沈陽自動化研究所、清華大學(xué)、大連理工大學(xué)、重慶郵電學(xué)院等單位，在國