【文章內(nèi)容簡介】 便的開發(fā)各種用 型號 功能 I7107 模 擬 量 輸 入 分辨率 16bit 輸入通道 8 路差動 采樣率 10Hz 電壓輸入 +/150mV +/500mV +/1mV +/5V +/10V 電流輸入 +/20mA 型號 功能 I7024 模 擬 量 輸 出 分辨率 14bit 輸出 通道 4 路差動 電壓輸出 +/10V +/5V 0~10V 0~5V 電流輸出 0~20mA 4~20mA 基于模糊自適應(yīng) PID 算法的液位控制系統(tǒng)設(shè)計 8 于現(xiàn)場采集、數(shù)據(jù)處理和控制的設(shè)備。 同時 MCGS能夠?qū)νㄟ^這些設(shè)備采集來現(xiàn)場數(shù)據(jù)進行處理，并以畫面顯示，報表的輸出等多種方式向用戶提供各種能夠解決實際的工程問題的方案，在工業(yè)自動化領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。 MCGS 組態(tài)軟件的 特點 (1) 操作界面簡單靈活，可視化，而且全中文，符合國人的使用習(xí)慣，入門容易。 (2) 實時性很強，且并行處理系統(tǒng)的性能良好。 (3) 多媒體畫面生動、豐富，能夠為使用人員及時的提供相關(guān)實時信息。 (4) 強大的安全機制，能夠為多個不同級別的用戶設(shè)定相應(yīng)的操作權(quán)限。 (5) 通訊良好，具有很強大的網(wǎng)絡(luò)功能。 (6) 能夠支持各種用于現(xiàn)場采集、數(shù)據(jù)處理和控制的設(shè)備。 MCGS 組態(tài)軟件的構(gòu)成 MCGS組態(tài)系統(tǒng)由組態(tài)環(huán)境、運行環(huán)境兩大 部分 組成 。 其中 文件 為 MCGS 組態(tài) 系統(tǒng)的組態(tài)環(huán)境，文件 為 MCGS 組態(tài) 系統(tǒng)的運行環(huán)境 [1]。 兩個環(huán)境的圖標(biāo)如圖 28 所示： 圖 28 MCGS 圖標(biāo) 用戶的一切 組態(tài) 的 配置過程都 需要 在 MCGS 的 組態(tài)環(huán)境中進行，組態(tài)環(huán)境 就好比是相 一套完整的工具件，它 能夠幫助用戶設(shè)計并構(gòu)造自己想要的 應(yīng)用系統(tǒng) [1]。 運行環(huán)境 的含義：它 是一個獨立的運行系統(tǒng)，它是以組態(tài)結(jié)果數(shù)據(jù)庫中用戶指定的方式進行 處理，完成用戶組態(tài)設(shè)計的目標(biāo)和功能。運行環(huán)境本身沒有任何意義，必須與組結(jié)果數(shù)據(jù)庫一起作為一個整體，才能構(gòu)成用戶應(yīng)用系統(tǒng)。一旦組態(tài)工作完成，運行環(huán)境和組態(tài)結(jié)果數(shù)據(jù)庫就可以離開組態(tài)環(huán)境而獨立運行在監(jiān)控計算機上。 MCGS 系統(tǒng) 就是通過 組態(tài)結(jié)果數(shù)據(jù)庫 ，完成了 從組態(tài)環(huán)境向運行環(huán)境 的過渡 的過程 ，它們之間系如下圖 29 所示。 9 圖 29 MCGS 組態(tài) 系統(tǒng)的構(gòu)成關(guān)系 由 MCGS 系統(tǒng)生成的用戶應(yīng)用系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)主要由 主控窗口、 用戶窗口 、 設(shè)備窗口、實 時 數(shù)據(jù) 庫和運行策略五個部分構(gòu)成 [1]，如下圖 210 所示。 圖 210 MCGS 系統(tǒng)結(jié)構(gòu) MCGS 的設(shè)計 首先，建立一個新的工程，用鼠標(biāo)單擊“新建工程”選項，如果 MCGS 安裝在 D 盤根目錄下，則會在 D： \ MCGS\WORK\下自動生成新建工程，如圖 211： MCGS 主控窗口 設(shè)備窗口 運行策略 實時數(shù)據(jù)庫 用戶窗口 系統(tǒng)菜單 系統(tǒng)參數(shù) 啟動參數(shù) 設(shè)備構(gòu)件n 設(shè)備構(gòu)件1 動畫構(gòu)件 圖符 數(shù)據(jù)對象 圖元 退出策略 循環(huán)策略 啟動策略 存盤處理 警報處理 自定義策略 組態(tài)環(huán)境 ： 組態(tài)生成 應(yīng)用系統(tǒng) 運行環(huán)境： 解釋執(zhí)行 組態(tài)結(jié)果 組 態(tài)結(jié)果 數(shù)據(jù)庫 。 基于模糊自適應(yīng) PID 算法的液位控制系統(tǒng)設(shè)計 10 圖 211 主控窗口界面 其次，開始制作工程畫面， 雙擊新建的窗口，進入組態(tài)畫面，如圖 212： 圖 212 系統(tǒng)元件庫 MCGS提供了 8種圖元對象、 27個圖符對象和 19個動畫構(gòu)件，我們可以根據(jù)實際的需要及圖像 11 美觀性的要求畫出一個圖形界面，再對所選擇的元件設(shè)置屬性，與實時數(shù)據(jù)庫中的變量建立，某些作為顯示輸出，某些作為控制信號寫入，這樣一個用戶窗口就完成了。我們可以根據(jù)自己不同的要求建立多個用戶窗口，來實現(xiàn)不同的功能。 接著是實時數(shù)據(jù)庫的建立，實時數(shù)據(jù)庫是 MCGS工程的數(shù)據(jù)交換和數(shù)據(jù)處理中心。數(shù)據(jù)對象是構(gòu)成實時數(shù)據(jù)庫的基本元件，建立實時數(shù)據(jù)庫的過程也就是定義數(shù)據(jù)庫對象的處理過程。定義數(shù)據(jù)對象的內(nèi)容主要包括： (1)指定數(shù)據(jù)變量的名稱、類型、初始值和數(shù)值范圍。（ 2）確定與數(shù)據(jù)變量存盤相關(guān)的參數(shù)，如存盤的周期、存盤的時間范圍和保存期限等。如圖 213 圖 213 實時數(shù)據(jù)庫的建立 在完成實時數(shù)據(jù)褲的創(chuàng)建之后，開始在運行策略窗口里編寫腳本程序如圖 214： 基于模糊自適應(yīng) PID 算法的液位控制系統(tǒng)設(shè)計 12 圖 214 運行策略窗口 最后進行動畫連接，對這些圖形對象進行動畫設(shè)計，真實的描述外界對象的狀態(tài)變化，達到過程實 時監(jiān)控的目的。 MATLAB 仿真軟件 MATLAB 是 MATrix LABoratory（矩陣實驗室）的縮寫，它自從 1984 年由美國 Math Works公司推出以來，經(jīng)過不斷改進和發(fā)展，現(xiàn)已成為國際公認(rèn)的優(yōu)秀的工程應(yīng)用開發(fā)環(huán)境。 其中，MATLAB 的主要優(yōu)勢 如下： （ 1）簡單移用的程序語言 [2] MATLAB 語言是 以現(xiàn)在最 流行的 一種語言， C++語言 為基礎(chǔ) 的，所以 語法 的表示 與 C++語言很相似，甚至 更加 的 簡單 、容易 ，更加 的符合使用人員對數(shù)學(xué)表達式的書寫習(xí)慣。使它能夠被更多的非計算機專業(yè)的人 使用 ，具有很廣泛的使用范圍 。 而且 MATLAB 語言 還具有很強的可移植性和極強的可擴展性 ，這也 是 MATLAB 仿真軟件 之所以能夠 被廣泛的 深入到 各種的 科學(xué)研究 以 及 各種的工程計算當(dāng)中去 的 一個很 重要 的 原因。 （ 2） 具有強大的數(shù)據(jù)處理和科學(xué)計算能力 [2] MATLAB 仿真軟件包含 600 多個工程 當(dāng) 中 經(jīng)常 要用的數(shù)學(xué)計算函數(shù)，可以 滿足 用戶所想要 的各種計算功能。 在 具有 相同的 計算要求的 情況下，使用 MATLAB 仿真軟件能夠大大減少使用人員的工作量 。 （ 3）模塊化的設(shè)計和系統(tǒng)仿真 [2] 自 MATLAB 面世以來，其應(yīng)用范圍越來越廣，軟件工具越來越完善，特別是 MATLAB 的控 13 制系統(tǒng)相關(guān)工具箱及 Simulink 的問世，給控制系統(tǒng)的分析和設(shè)計帶來了極大的方便，現(xiàn)已成為風(fēng)行國際的、有力的控制系統(tǒng)計算機輔助分析工具。 Simulink 是 MATLAB 的一個 重要 分支產(chǎn)品， 它的 主要 功能就是實現(xiàn)對工程的模型化以及對工程的 動態(tài)仿真。在 當(dāng)前 模型化流行 的背景下， Simulink 正好體現(xiàn)了這種模塊化的設(shè)計思想，讓 建模和 仿真 變得十分簡單 。 Simulink 對仿真的實現(xiàn)可以應(yīng)用 很多的領(lǐng)域，例如在信號控制、金融財會等諸多領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用 。 Simulink 庫包含許多控制系統(tǒng)方框圖所需的模塊，如輸入源（ Sources）、輸出方式（ Sinks）、連續(xù)系統(tǒng)模型（ Continuous）、數(shù)字運算（ Math）等。根據(jù)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，用戶可以從輸入源、輸出方式、連續(xù)系統(tǒng)模型、數(shù)字運算等模型庫中“拖入”各種模塊，按要求連接并修改各模塊的參數(shù)，即可完成系統(tǒng)模型的建立。 Simulink 提供 了 一個系統(tǒng)建模、仿真和綜合分析的環(huán)境。在該環(huán)境中，通過簡單直觀的鼠標(biāo)操作，就可構(gòu)造出復(fù)雜的系統(tǒng)。 同時， Simulink 具有結(jié)構(gòu)和流程清晰 、 仿真精細(xì)、適應(yīng)面廣、貼近實際、效率高 等優(yōu)點， 基于以上優(yōu)點 Simulink 已被廣泛應(yīng)用于控制理論和數(shù)字信號處理的復(fù)雜仿真和設(shè)計。 基于模糊自適應(yīng) PID 算法的液位控制系統(tǒng)設(shè)計 14 3 PID 控制系統(tǒng) PID 控制概述 在 實際 的工程 中， 比例 、 積分 、 微分 控制 是在工業(yè)工程當(dāng)中應(yīng)用最多的調(diào)節(jié)器控制規(guī)律 ，簡稱PID控制，又稱 PID調(diào) 節(jié)。 PID控制器的提出到現(xiàn)在 已有近 70多 年 的 歷史 了，它憑借著 簡單 的結(jié)構(gòu)、良好的穩(wěn)定性和可靠性，而且 調(diào)整方便 等特點，使之 成為工業(yè)控制的主要技術(shù)之一。當(dāng)被控對象的結(jié)構(gòu)和參數(shù)不能完全掌握，或得不到精確的數(shù)學(xué)模型時，控制理論的其它技術(shù)難以采用時，系統(tǒng)控制器的結(jié)構(gòu)和參數(shù)必須依靠經(jīng)驗和現(xiàn)場調(diào)試來確定，這時應(yīng)用 PID控制技術(shù)最為方便。即當(dāng)我們不完全了解一個系統(tǒng)和被控對象，或不能通過有效的測量手段來獲得系統(tǒng)參數(shù)時，最適合用 PID控制技術(shù)。 PID控制，實際中也有 PI和 PD控制。 PID控制器就是根據(jù)系統(tǒng)的誤差，利用比例、積分、 微分計算出控制量進行控制的。 作為經(jīng)典的控制理論， PID 控制仍然 在 當(dāng)今工 業(yè)控制行業(yè)中占據(jù)主導(dǎo)的地位，是最主要的控制方式 ，無論 要控制的系統(tǒng)是簡單還是復(fù)雜 ， PID 控制 一般都可以獲得很好的效果 ， 當(dāng)然 PID 參數(shù) 的選取必須恰當(dāng)，合適 ?？梢哉f，通過適當(dāng)?shù)?PID 參數(shù)， PID 控制可以得到各種輸出響應(yīng)特性，也就是說， 只要給定 PID參數(shù) 適當(dāng)、合適 ， PID控制都能很好的完成控制任務(wù) 。 PID控制具有以下的優(yōu)點： 1. 原理簡單， PID控制是有 P、 I、 D三個環(huán)節(jié)的通過不同的組合而成，可以單獨的使用 P 控制，也可以同時進行 PI 控制或 PID 控 制。 2. 適應(yīng)性強，應(yīng)用廣泛，在化工、熱工、冶金、煤油 等各種生產(chǎn)部門 都以 PID控制為主 。 3. 魯棒性強，即其控制品質(zhì)對被控制對象特性的變化不大敏感。 比例 (P)調(diào)解 比例 （ P）控制是 最簡單的 一種 控制方式，當(dāng) 一個 系統(tǒng) 只存在比例控制時，其 輸出 往往存在穩(wěn)態(tài)誤差，其傳遞函數(shù) 為： Pc KsG ?)( ? ?13? 式中， kp 為比例系數(shù) ，有些傳統(tǒng)的控制器會經(jīng) 常用比例帶（ Proportional Band， PB）來取代比例系數(shù) kp，比例帶是比例系數(shù)的倒數(shù)，比例帶也稱為比例度 [6]。 比例（ P） 控制只改變系統(tǒng)的增益而不影響相位，它 主要對系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差和穩(wěn)定性產(chǎn)生影響 ，增大比例系數(shù) kp，使得系統(tǒng)的動作靈敏，響應(yīng)速度加快，但會使振蕩次數(shù)增加，調(diào)節(jié)時間拉長，甚至使系統(tǒng)趨向不穩(wěn)定。對穩(wěn)態(tài)特性的影響，加大 kp，在系統(tǒng)穩(wěn)定的情況下可以減小靜差 Ess，提高控制精度，但不能消除靜差 。 因此，在系統(tǒng)校正和設(shè)計中 P 控制一般不單獨使用。 具有比例控制器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖 31 所示。 15 圖 31 比例調(diào)節(jié)器控制框圖 其特征方程式為： 0)()(1)( ??? shsgksd P ? ?23? 積分（ I）調(diào)節(jié) 具有積分控制規(guī)律的控制稱為積分控制，即 I 控制， I 控制的傳遞函數(shù)為： sksg IC ?)( ? ?33? 其中， Ik 稱為積分系數(shù)。 控制器的輸出信號為： ?? tI dttektu 0 )()( ? ?43? 或者說，積分控制器輸出信號 )(tu 的變化速率與輸入信號 )(te 成正比，即： )()( tekdttdu I? ? ?53? 積分控制往往使得系統(tǒng)的穩(wěn)定性下降，積分時間 常數(shù) Ti變小，會使系統(tǒng)震蕩次數(shù)增加，甚至不穩(wěn)定，積分時間 常數(shù) Ti 變大，則對系統(tǒng)動態(tài)性能的影響減小。 對穩(wěn)態(tài)特性的影響，積分控制往往能 消除系統(tǒng)的靜差，提高系統(tǒng)的控制精度，但是如果積分時間常數(shù) Ti太大，會使積分作用太弱，就無法減少誤差。 因此，積分控制一般不單獨使用，通常結(jié)合比例控制器構(gòu)成比例積分 (PI)控制器 [6]。 比例積分（ PI）調(diào)節(jié) 具有比例積分 控制規(guī)律的控制稱為比例 積分微分控制，即 PI 控制， PI 控制的傳遞函數(shù)為： s TsKsTKKsG iPiPPc???????? ???? 11)( ? ?63? 其中， PK 為比例系數(shù)， iT 稱為積分時間常數(shù)，兩者都是可調(diào)的參數(shù)。 控制器的輸出信號為： kp g（ s） h(s) r(s) c(s) _ + 基于模糊自適應(yīng) PID 算法的液位控制系統(tǒng)設(shè)計 16 tdteTKteKtu iPP ??? t0 )()()( ? ?73? PI控制器可以使系統(tǒng)在進入穩(wěn)態(tài)后無穩(wěn)態(tài)誤差。 所以 在實際工程中， PI控制器通常用來提高 系統(tǒng)的穩(wěn)定性能。 比例積分微分（ PID）調(diào)節(jié)