基于PLC模糊自适应PID伺服控制系统.pdf

基于P L C模糊 自适应P I D伺服控制系统 强明辉， 等 基 于P L C模糊 自适应 P I D伺服控制 系统 强明辉 ，何晓 兰州理工大学电气工程与信息工程学院 甘肃兰州，7 3 0 0 5 0 摘要将模糊 自适应P I D控制与P L C控制技术相结合，利用P L C来实现模糊 自适应P I D控制。相对于目前P L C通过 查表来实现模糊控制的方法，文章在基于模糊控制规则表的基础上，提出了运用Ma t l a b系统仿真工具，通过Ma t l a b中的函 数e v a l fi s 0 求取模糊控制器在特定输入下的输出，然后取观测值，使用函数拟合的方法，得到模糊控制器的输入输出函数关 系式，最后采用P L C 作为控制器来实现这一函数关系，即直接由P L C 实现函数运算来代替之前的表格查询语言，从而实现 对伺服电机更为快速的控制；同时，对控制系统进行相应的仿真。仿真结果表明，文章提出的用P L C实现模糊 自适应控制 的方法，较之经典的P I D 控制方法，更能够满足系统的快速性要求，在实际应用中，可以有效减少系统的响应时间，提高 系统的动态性能。 关键词模糊 自适应P I D控制； P L C； 输入输出函数； 伺服电机 Ab s t r a c t Th i s p a p e r wi l l c o mb i n e f u z z y a d a p t i v e P I D c o n t r o l wi t h P L C c o n t r o l t e c h n o l o g y t o a c h i e v e f u z z y a d a p t i v e P I D c o n t r o l b y u s i n g P LC． Re l a t i v e t o t h e c u r r e n t l y u s e d P L C t h r o u g h a l o o k u p t a b l e t o a c h i e v e f u z z y c o n t r o l me t h o d， t h i s p a p e r g e t t h e i n p u t a n d o u t p u t o f t h e f u z z y c o n tr o l l e r fun c t i o n f o r mu l a t h r o u g h t h e ma t l a b f u n c t i o n e v a l fi s 0 a n d f u n c t i o n fi t t i n g b a s e d o n fuz z y c o n t r o l r u l e t a b l e a n d ma t l a b s y s t e m s i mu l a t i o n t o o l s ， a n d t h e n u s e t h e P L C a s a c o n tr o l l e r t o a c h i e v e t h i s f u n c t i o n ， t h a t i s i mp l e m e n t e d d i r e c t l y b y t h e P L C f u n c t i o n o p e r a t i o n i n s t e a d t a b l e q u e r y l a n g u a g e ，a n d t h u s t o a c h i e v e mo r e r a p i d c o n tro l o f t h e s e r v o mo t o r ； me a n wh i l e ， c o n d u c t i n g c o r r e s p o n d i n g s i mu l a t i o n ． T h e r e s u l t s h o ws t h a t t h i s p a p e r p r e s e n t s t h e fuz zy a d a p t i v e c o n t r o l m e t h o d ， c o m p a r e d t o t h e c l a s s i c P I D c o n t r o l me t h o d ， h a v e b e t t e r a b l e t o me e t t h e s y s t e m’ S r a p i d r e q u i r e me n t s ， t o r e d u c e the r e s p o n s e t i me o f the s y s t e m ， t o i mp r o v e t h e d y n a mi c p e r f o rm a n c e o f t h e s y s t e m wi t h P L C． Ke y wo r d s F u z z y a d a p t i v e P I D c o n tro l ； P LC； I n p u t a n d o u t p u t fi mc t i o n； S e r v o mo t o r 中图分类号T P 2 7 3 ． 4 文献标识码 B 文章编号1 0 0 1 - 9 2 2 7 2 0 1 3 0 4 - 0 1 8 0 - 0 3 0 引 言 随着控制技术 的不 断发展 以及控 制对 象不断的特殊化和复 杂化 ，将 模糊 白适 应控制等 智能算法应用 于 P L C控制系 统中 ， 实现复杂 的运算 己成为可能 。众所周知 ，P L C控制系统应用 于 工业控制领域中，具有可靠性高、抗干扰能力强等特点；与此 同时，模糊 自适应P I D控制算法可 以自动调整P I D参数n ，构 成的控制系统鲁棒性强。 目前，模糊自适应P I D控制与P L C相结合，都是在模糊控 制规 则的基础上 ，通过运用 模糊 自适应 P I D控 制算法 ，用 P L C 完成模 糊控制 规则表 的查 询 I 。在 P L C软件 实现 中， 需要 编 写表格查询语言，相对于直接的函数运算来说 比较复杂。因 此 ，本文提 出了一种 新 的用 P L C实现模 糊 自适应 P I D控 制策 略，并以伺服控制系统作为控制对象，利用P L C实现模糊自适 应P I D算法对伺服电机进行控制，较之经典的P I D控制算法， 可以提高系统的动态性能。 1 伺服电机的控制模式 伺服电机的控制模式一般有三种 1 转矩控制，转矩控 制方式是通过外部模拟量的输入或直接的地址赋值来设定电机 轴对外的输出转矩的大小； 2 位置控制，位置控制模式一般 是通过外部输入的脉冲频率来确定转动速度的大小，通过脉冲 收稿 日期 2 0 1 3 0 5 0 9 作者 简介强明辉 1 9 6 0 一 ，男，陕西扶风人 ，教授级 高级工程师，主要从事过程控制检测技术方面的研究。 1 8 0 个数来确定转动的角度； 3 速度模式，通过模拟量的输入或 脉冲的频率都可以进行转动速度的控制。 在文章中，基于伺服电机的速度控制模式，用P L C输出一 个 0 一 1 0伏的模拟量电压到伺服驱动器，一 1 0 V对应电机反转 最大转速，0 V对应电机不转，1 0 V对应电机正转最大速度。同 时，设置一个速度指令增益参数，就可 以控制电机的转动速 度，电机的转动速度正比于模拟量的电压值。 2 模糊 自适应P I D控制算法 模糊 自适应 P I D控制是根据 P I D控制器的三个参数 K 、 K 、 与偏差 e 和偏差的变化率 e c 之间的模糊关系，在运行 时不断检测 e 及e c，通过事先确定的关系，利用模糊推理的方 法， 在线修改P I D控制器的三个参数，让P I D参数实现自整定。 为了使模糊控制设计标准化，目前常用的是Ma md a n i 法， 即将精确量离散化。本文中，根据控制的需要及经验来设定 E、E C、△ 、A K , 、△ 的模糊论域及模糊词集，其中， E、 E C为偏差及偏差变化率量化后的输入值， △ 、A K , 、△ 为 模糊P I D控制的输出变化量。设定 E、E C、△ 、△ K、△ 输 入输 出论域量化为 7档 卜 _ 3 2 1 0 1 2 3 ] ； 模糊 词集为 { NB NM NS z P S P B P M}语言变量描述为{ 负大、负中、 负小、零、正小、正中、正大1 ，隶属度分别为NB隶属度为 z形隶属度函数，P B隶属度为S 状隶属度函数，其余隶属度均 为三 角形 隶属度 函数。如图 1 所示 其中，偏差变化率E C、P I D控制器三个参数 、△ K 、 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 自动化与仪器仪表} 2 0 1 3 年第4 期 总第 1 6 8 期 Ro c k we l l 推 出 了带 以太 网 网 络 服 务 器 的 通 讯 模 块 1 7 5 6 - E WE B，通过该模块再辅以标准的通讯程序，Ro c k we l l 的自动化系统就可以通过S I E ME NS 或者S c h n e i d e r 自动化系统 实现基于E t h e me t 的数据通讯。 通 过P r o s o f t 公司的 i n R Ax消息管理模 块 I L X5 6 一 MM 模 块，或者通过 P r o L i n x外置式独立 E t h n e r Ne t ／ I P工业网关，均 可实现R ．o c k we U 的自动化系统与其他自动化系统的数据通讯。 S I E ME NS 公司推出了一款用于连接两个P r o fi b u s DP主站 的通讯模块产品DP ／ DP C o u p l e r 。使用该模块，就可以在支 持 P r o fi b u s DP通讯 的2 个处理器之间进行数据通讯，而不再 区分主站 、从站，从而将CP U之间的数据通讯 车间级转 为现场设备级的数据通讯。 3 案例 国内某钢铁企业9 O 年代初引进 1 条由德马克技术总负责的 生产线，使用的是A B B MP 2 0 0 ／ MP 9 0 的自动化产品，在改造 过程中需要新增生产线 新设施采用的Ro c k we l l 的1 7 5 6 处理 器；机电一体品采用的S I E ME NS s 7 4 0 0 处理器 ，且控制器 面临升级换代。 考虑到MP 2 0 0 ／ MP 9 0已经属于AB B的淘汰产品，同时考 虑到更改应用软件的成本往往会 比硬件更贵，所以设置两套 AC 4 5 0 控制器，专门用于升级MP 2 0 0 和MP 9 0 的控制器，与原 有I ／ O仍采用MB 3 0 0 总线通讯。对于与新增工艺线和机电一体 品的通讯，通过P r o fi b u s D P来实现三者的数据通讯。在A B B 的机架上放置P r o fi b u s DP通讯模块 C1 5 4 1 V1 ，通过DP ／ DP 耦合器实现与机电一体品的通讯；在Ro c k we ll 的机架上放置 MVI 5 6 - P DP DS 模块，通过DP ／ DP耦合器实现A B B控制系统 的通讯 。 由于原有上位机采用的MB 3 0 0 总线进行数据通讯，不属 于开放的控制网络。在现有的HMI S e r v e r 的硬件设备上增设 以太网卡，通过在Ro c k w e l l 机架上放置 I L X 5 6 一 MM模块，实 现与S I E ME NS 控制系统以及A B B控制系统的以太网通讯。 4 小结 实际生产过程中，钢铁企业使用的自动化控制系统产品和 现场总线远远不止上文列举的内容，改造过程的实施也会更加 复杂。灵活使用好现有的通讯产品，大部分数据通讯还是可以 得到较好地解决。 参考文献 [ 1 】孙一康， 王 京．冶金过程 自 动化基础[ M] ． 冶金工业出版社，2 0 0 6 ． [ 2 】刘泽祥． 现场总线技术 第2 版 [ M] ．机械工业出版社，2 0 1 1 ． [ 3 】王毅峰， 李令奇． 基于C A N总线的分布式数据采集与控制系统【 M] ． 工业控制计算机，2 0 0 0 ． 【 4 】薛均义， 武 自芳． 微机控制系统及其应用【 M】 ． 西安交通大学出版社， 2 00 3 ． 上接第 1 8 1页 K i 0 ． 0， 1 ． 5。其最终仿真结果见图4 、图5 。 ＼ 仙1 图4 模糊P I D控制系统阶跃响应曲线 图5 经典P I D控制系统阶跃响应曲线 从图4 和图5 的阶跃响应曲线可以看出，虽然模糊 自适应 P I D控制 系统的阶跃 响应有超 调 ，但系 统的超调量 只有 1 0 ％左 右， 更为重要的是响应时间和调节时间比经典P I D控制系统小。 究其原因，在于模糊白适应P I D控制系统可以在线实时修改参 数， 克服 了经典P I D控制系统中P I D参数固定不变的局限性。 在伺服电机控制领域中，文章提出的基于P L C实现模糊自 适应P I D控制策略，利用控制器输入输出之间的函数关系代替 了原有的查表方法，更能够满足系统的快速性要求，减少系统 的响应时间，提高系统的动态性能。也就是说，在实际的伺服 电机控制系统中，可以保证电机快速启动与制动，同时，在电 机结构参数环境参数等改变的情况下，由于其模糊自适应P I D 构成的控制系统可以在线修改控制器参数和鲁棒性强等特点， 在满足期望性能指标的同时，也扩大了系统的稳定性范围。 6 结语 基于Ma d a b系统仿真工具，将模糊自适应P I D控制与P L C 控制技术相结合，在得到模糊控制器输入输出函数关系的基础 上，利用P L C来实现模糊自适应P I D控制，一方面使控制系统 具有可靠性高、抗干扰能力强等特点，另一方面又提高了整个 控制系统的智能化程度，改善了整个控制系统的动态性能，达 到了很好的控制效果。同时，基于P L C，将模糊自适应P I D控 制算法与经典P I D控制算法应用于伺服控制系统做比较，其结 果表明了模糊自适应控制算法所具有的优势。 参考文献 [ 1 】赵国山， 仇性启． 自适应P I D的发展状况【 J ] ． 化工自动化及仪表， 2 0 0 6 ， 3 3 5 1 - 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