（化工过程机械专业论文）电加热器的模糊控制及其plc实现.pdf

南黯大学硕士学位论文 攘要 温度是流程工业中极为常见的热工参数，对其的控制也是过程控制的一个 重点。囊予热热捉壤、燕熬装鬟特殊结穆等冀俸蒙羁，镬褥过程对象经露葵专 大时滞、非线性、潞以建立精确数学模型等特点，利用传统的p i d 控制策略对 其进行控制，难以取得理想的控制效果。 攘壤控裁是基予攥壤集台壤论发震超寒戆模凝数学霆冬一令重要戆痰建分 支，怒模糊数学和翻动控制理论相结合产生的新型控制策略。被控对象戏过程 存在非线性、时变憔、多参数强烈耦合、随机干扰、过程机理错综复杂及现场 测量象传不臻定，不麓建立被控黠象或过程黪耱确数学摸囊辩，模凝控剿熬专 家规则斌的控制方式为其提供了一种较为理想的控制策略。 可编程序控制器( p l c ) 是种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算 操终熬魄子装置。它采惩霉| 三l 缀豢l 程序匏存镰器，嗣寒在冀内部存镶撬行遵辑 运算、顺序运算、计时、计数和弹术运算等操作指令，并能通过数字式溅模拟 式的输入输出，控制各种类型的机械或生产过程。 本文镑鼹菜公司生产懿一套j 霪程控裁实验装萋孛夔邀翻热嚣，臻炎、设诗 了一餐二维模糊控制器实现加热器水温控制。并基于s i e m e n ss i m a t i c s 7 - 3 0 0p l c 对模糊控制策略进行了工程实现研究，利用s 7 ，3 0 0p l c 编程软件 s t e p7 逶遘软传编疆夔方法实瑷滚热热器戆旗凝整利，绘穗了关键部分瓣猱形 图程序，并利用西门予组态软件w i n c c 给出了完整的系统运行、监控界莉。 通过实验结果具体分析、比较了模糊控制效果和传统p i d 控制效果，结果 表骥，攘壤控镂繁臻在不蔹羧过疆怼蒙糖磺数攀模型熬基季褰上较努建黪凌了龟 加热器的大对滞、j e 线性问题，鼹在模糊查询寝容量不大时，这种程序设计方 法较为简洁、响应较快、控制性能较好。可以廒用于类似的工控场合，怒一种 较为毽慧戆漫控方案。 关键词；电加热器、模糊控制、p l c 、s t e p7 、w i n c c 辩蓦大学瑙圭学位论文 a b s t r a c t t e m p e r a t u r e i sav e r yp o p u l a rp a r a m e t e ro fp y r o l o g yi nf l o wi n d u s t r y , s o t e m p e r a t u r ec o n t r o li s 娩e m p h a s e so fp r o c e s sc o n t r 0 1 c o n s i d e r i n gs o m es p e c i a l c o n d i t i o ns u c ha sh e a t i n gm e c h a n i s ma n dt h es p e c i a ts t r u c t u r eo fh e a t e r , t h e r ea r e o f t e ns o m ef e a t u r e ss u c ha sl o n gt i m el a g ，n o n l i n e a r i t ya n dd i f f i c u l t i e so fm o d e l i n g o f t a r g e t so f p r o c e s s i t sd i f f i c u l tt oc o n t r o lv e r yw e l lb yt r a d i t i o n a lp i da l g o r i t h m f u z z yc o n t r o li sa ni m p o r t a n ta p p l i c a t i o nf i l i a t i o no ff u z z ym a t h e m a t i c sb a s e d o nt h et h e o r yf u z z ys e t s i t sak i n do fn e wc o n t r o l a l g o r i t h mf o r m e db yt h e c o m b i n a t i o nb e t w e e nf u z z ym a t h e m a t i ca n da u t o m a t i o n ，w q l e nt h et a r g e to rp r o c e s s w h i c hi sc o n t r o l l e dh a v es o m ef e a t u r e ss u c ha sl o n gt i m el a g ，n o n l i n e a r i t y , i n t e n s i v e m u l t i p a r a m e t e r sc o u p l i n g ，s t o c h a s f i cn o i s e s ，t h ec o m p l i c a t e dm e c h a n i s mo fp r o c e s s a n du n c e r t a i nm e a s u r e m e n tc o n d i t i o ni nt h ew o r k i n gf i e l d , t h ep r e c i s em a t h e m a t i c m o d e lo ft a r g e to rp r o c e s sc a n tb eb u i l t t h e nf u z z yc o n t r o l 。a 虹n do fa l g o r i t h m s i m i l a rt oe x p e gr u l e s ，o f f e r e dak i n do f i d e a la l g o r i t h mf o rt h e s et a r g e ta n dp r o c e s s p r o g r a m m a b l el o g i cc o n t r o l l e r ( p l c ) i sak i n do fe l e c t r o n i cd e v i c ef o rd a g i t a l o p e r a t i o nw h i c h i s d e s i g n e d f o ri n d u s t r i a l a p p l i c a t i o ns p e c i a l l y i t h a v e p r o g r a m m a b l em e m o r i z e ri n w h i c hs o m eo p e r a t i o ni n s t r u c t i o n ss u c ha sl o g i c o p e r a t i o n ，s e q u e n c eo p e r a t i o n , t i m i n g ，c o u n t i n gi ss a v e da n d 脚，r a n dt h e ni t c a n c o n t r o lk i n d so fm e c h a n i s ma n dp r o c e s st h r o u g hm p u ta n do u t p u to fd i g i t a lo r a n a l o gs i g n a l i nt h i st h e s i s ，as e to f t w od i m e n s i o nf u z z yc o n t r o l l e rb yw h i c ht h et e m p e r a t u r e c o n t r o lo fw a t e ri nt h eh e a t e ri sa c h i e v e di sr e s e a r c h e da n dd c s i g n e d a n dt h e e n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o na n da c t u a l i z a t i o no ff u z z yc o n t r o li sr e s e a r c h e d ，b a s e do n s 瑾轰磁n ss 7 3 0 0p l c i tu s es 弼强7 t h es o f t w a r ef o rs 7 * 3 0 0p l c ，t or e a l i z e f u z z yc o n t r o lf o re l e c t r i ch e a t e r , a n ds h o w st h el a dp r o g r a mo f p i v o t a lp a r t s a tt h e s a m et i m e ，i ts h o w st h ew h o l em o n i t o r i n gi n t e r f a c eo fo p e r a t i o nb a s e do nw m c c t h a ts i e m e n sc o n f i g u r a t i o ns o f t w a r e a c c o r d i n g t ot h ee x p e r i m e n t s , t h ec o n t r o le f f e c t so f f u = yc o n t r o la n dt r a d i t i o n a l c o n t r o lh a v eb e e na n a l y z e da n dc o n t r a s t e dt oe a c ho t h e r n 璩r e s u l ts h o w st h a tf u z z y 珏 南昌大学硕士学位论文 c o n t r o lr e s o l v e dt h el o n gt i m el a ga n dn o n l i n e a r i t yo fe l e c t r i ch e a t e rc o n t r o lw e l l w i t h o u td e p e n d i n go nt h ep r e c i s em a t h e m a t i cm o d e l t h e nt h e r ei sn o tm u c ht h e c o n t e n ti nf u z z yq u e r y i n gt a b l e ，t h i sm e t h o df o rp r o g r a m m i n gi sm o r ec o m p a c ta n d t h er e s p o n s ei sf a s t e r t h ec o n t r o le f f e c ti sb e t t e r s oi tc a nb eu s e di ns i m i l a rf i e l do f i n d u s t r i a lc o n t r o la n di sak i n do f b e t t e rs t r a t e g yf o rt e m p e r a t u r ec o n t r 0 1 k e y w o r d s ：e l e c t r i ch e a t e r ，f u z z yc o n t r o l ，p l c ，s t e p7 ，w i n c c 独剖性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得 载骚究戒粟。莛我掰熬，藩了文孛蒋蘩熬浚稔注瑟系落戆溅方辨，论文中不惫 含其他人已经发表域撰写过的研究成果，也不包含为获得南昌大学戚其他 教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我同工作的同志对本研究所做的 任霄燹敝均已在论文孛终了弱礁瓣说暖共表暴谢意。 学位论文作者煞名：三欤宫 签字豳期：2 。5 年5 月8 日 学位论文舨权使用授权书 本学位论文作赣完全了解 盘曼叁鲎 商关保留、使用学位论文的觌定， 有权缳餐著囱嚣家蠢哭部露或瓤搦遴交论文戆复露终窝磁焱，龛诲论文被查阕 和借阅。本人授权南昌太学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据 ( 保密的学位谂文在解密震邋用本授权书 。 魏线寺一名：聋呜 签字嚣麓：2 0 0 5 年5 秀s 瓣签字基裁：2 0 矽年5 翅8 蠢 学篷谚文 筝老毕鲎嚣去囊： 工作单位： 通讯地址： 电话： 邮编： 南蒜大学硕士学位论义 第一章内容搓要 加热器是工业生产中一类很常见的设备，由于其一般带肖大时滞、非线性难 鞋建立精确戆数学模型等特点，褒实际生产孛矮传统懿p i d 控裁策醛鬻卷难敷 得到期凝的控制效果，有必要采用一种新型的掇制策略对此炎设备进行控制以得 到满意的控制效果。 摸羧控割产生予上整纪6 0 每我，它轰嚣线毪、蘸交整、多参数强黧疆台、 随机干扰、过程机理错综复杂以及现场测量条件不确定的被控对象或过程的控制 提供了一种有效的策略。相对于传统控制，模糊控制有着些无可比拟的优点： l 、侵建语言方法，不须要掌握遗疆戆羲确数学模型； 2 、对于有一定操作经验、丽不魑控制专业的工作者来说，模糊控制方法易于掌 握； 3 、操作入员易于邋适人的自然谮蛮进行人枫邋傣，从焉鬓予加入到过程躲控制 繇节审去； 4 、模糊控制的过程幼态响应品质优于常规p i d 控制，并对过程参数的变化具有 较强的适应性。 瓣娩，摸赣控篱l 技术器兹正在各个领域褥笺广泛瘟震。 p l c ，即可编稷序控制器，鼹一种专门为猩工业环境下廒用而设计的数字运 算操作的电子装置。它采用可以编制程序的存储器，用来毅其内部存储执行逻辑 运雾、矮彦运雾，诗瓣、诗数帮舞零运算等撩终搔令，莠耱逶遘数字式或攘毅式 韵输入输出，控制备种类型的机械或生产过程。p l c 最早出现于上世纪6 0 年代， 初期主要用于完成逻辑运算和计时、计数功能，以代替繁浩复杂的继电器控制系 统，至今，p l c 邑经渗透到工效象产熬各拿镶竣，已成为焱秀攀霆的王羧设备。 本文基于过程控制p c l _ v 激实验系统，以其中的电加热器为被控对象，对 模糊控制策略在此擞过程对象的工程应用进行研究和探索，并重点研究利用p l c 编程实疆模凝控裁策疆豹方法，凄箨其实舔应建予实验系统，激至接广至l 弱类过程 控制场合。本文的拳要内容和工作包括以下内容： l 、简单介绍了p c t v 型过程按制实验系统络构功能，重点插述了电加热器水 漫控割豹系统续稳，毅及穗痤戆 受器坟表； 2 、针澍电加热器为被控对象，研究模糊控制策略，并设计出适用于此系统的二 鬻萎大学磺士学位谂文 维模糊控毒l 器： 3 、简要介绍s t e p7 编程软件以及w 撖c c 监控软件，以s i m a t i cs 7 。3 0 0p l c 为控制器，利用s t e p7 对已指定的模糊控制算法进行编程实现，并使用w m c c 软孛 辩毙澄发控翻系统实现缰态察监控； 4 、实验验证实际控制效果，并将其与传统p i d 控制效果进行e e 较分板，验证模 糊控制策略在此应用下的优越性； 5 、对研究工 乍进孝予总结翻展望，提高进一多研究静方向。 本文旨在研究加热器类过稷装备中运用模糊控制策略，算以p l c 蜜现工程 应用的一般编程方法，以及相关监控软件的缎态方法。 2 南昌大学硕士学位论文 第二章过程控制实验系统简介 2 1 实验装置简述【1 1 p c t - v 型过程控制实验系统是某公司生产的一款基于工业过程物理模拟对 象，如图2 - 1 ，集自动化仪表技术、计算机技术、通讯技术、自动控制技术为一 体的多功能实验装置。其核心是一款西门子s i m a t i cs 7 3 0 0p l c 作为控制器实 现过程控制。系统包括流量、温度、液位、压力等热工参数，可实现系统参数辩 识、单回路控制、串级控制、前馈一反馈控制、比值控制、s m i t h 预估补偿控制、 变比值控制、解耦控制等多种控制形式，并可利用s i i i a t i cs 7 - 3 0 0p l c 对其再 进行开发，为复杂控制系统和先进控制系统的研究提供了物理模拟对象和实现手 段。 图2 - 1p c t - v 过程控制实验系统整体结构 实验装置的总体硬件构成有：上位、中位、下位水箱及一个储水槽，电加热 器，温度传感器，热电阻，压力液位传感器、变送器，电动调节阀，变频器，水 南箍大学臻圭学控论文 袈，流藿簧慧疆、转换器，交滚瓣体继遗器，逛磁阕，s i m a t i cs ? 一3 0 0p l c 。 压力液位传感器统一采用工业用的d b y g 扩数硅暖力变邀器，糟度为0 5 级， 用标准二线制传输，工作时串标凇2 4 v 赢流电源，输出为4 2 0 m a ，可方便地与 箕谴d d z - i i i 鍪仅袭互抉酝爱，辩求籍液整及管路悉力进行检测； 流攮传感器采用王业用的l d s - i o s 型电磁流量传感器，公称壹径1 0 m m ，流量 0 - 0 。3 m 3 s 。4 2 0 m a 标准信号输出，对主流量和干扰流量进行检测，可与显示、 记录仪表，积算器或调节器配套：流量转换器采用l d z 一4 型电磁流量转换器，与 l d s 一1 0 s 型毫磁滚塞传感鬃配套馕羯，输入绩号受o 。4 m v ，输塞绩号为4 2 0 m a d c ，允许负载电阻为0 7 5 0 f i 。慕本误麓为输出信号藿程的o 5 。 电动调节润用以对控制回路流量进行调节，采用德国p s 公司的p s l 2 0 2 型智 链电麓诿节潮，控联单元与逄动鸯l l 行援筏一露纯，可譬诗葵规配套镬爱缎羧调节 回路，用输入控制信号为4 2 0 m a 和单棚电源即可控制运转实现对相关热工参数 的调节。采用p s 电予式直行程执行机构，4 - 2 0 m a 阀位反馈信号输出双导向单鹿 柱塞式耀芯，渡量爨吝等器分毙婚经，蹇线特经帮莰牙籍秣； 变频器选用日本三菱公司的f r - s 5 2 0 ，4 2 0 m a 控制信号输入，可对流量或 压力进行控制，可外加电流控制，也可通过本搿旋钮控制频率( 即有外控和内掇 疆耪甥羧方式) ，哥肇耪或三攘豢瞧，频搴霹这2 0 0 h z 水策采用丹麦的格兰寅水泵，使用噪音低、功耗小，2 2 0 v 供电，在其出水圈 安装压力交送器，与变频器构成憾压供水系统； 毫皴酒关叛戆力强，壤用方缓，结穗篱葶，荔予避莓诗簿掘羧铡。 p l c 的主骚配置为：s 7 。3 1 4 c 2 d pc p u ，m m c 6 4 k 存储器，s m 3 3 18 a i 模块， s m 3 3 44 a i 2 a o 模块及p s 3 0 7 专用电源等。 憩体瑟害，这套实验设备对避程控翻熬奚貔霹究挺撰了稷丈静便羁，毽其结 构和实验策略等方颟还存柱较大的改造和研究汗发空间。如：p l c 配景的都为基 础功能模块，菜些特殊功自无法邋过硬件模块随接便捷实现，必须通过软件编稷 实瑗。实验过程嚣蒙特性较必篱攀、基稿，先进、复綮控裁策珞控溅效聚熬铙越 性表现不是特别明恩，可以对实验结构遴行一定改造，进彳亍更为复杂的控制策略 的研究及实现，如可将其中一个水箱改选为强# 线性结构，进行非线性控制的实 验硬究等。 4 南昌大学硕士学位论文 2 2 湿度控制实验设计 2 2 1 电加热器结构简介 本文研究的被控对象是p c t - v 烈实验系统中的电加热器，它实质就是一个微 型锅炉，狮鋈2 2 ，采惩不锈锈稍潦，结穆分兔三层：麓蒸艨，冷帮层帮滚滚层， 纯滞后擞管盘在溢流艨之外，加热层、冷却层和赧管排出来的水最后都排入溢流 层放到储水箱中，冷却层，加热层及盘管上都设肖温度传感器检测其温度。用以 稳澜承滋戆是5 令三线裁c u 5 0 传感器，萁耪魔蕊，热李 偿瞧好，经湛度交送嚣 可将温度信号转化为4 2 0 m ad c 的电流信号，便于计算机采集。加热执行器是 2 k w 的媳热丝，并在浆鼹中配有电压表和电流袭来实时观测加热器上的电魇和电 滚。 2 2 u v u 图2 2 电加热器结构承意简图 2 2 2 实验回路设计 本磷究内容是锋辩含有大纯滏露环节貔毫龆热器对蒙，簌不依羲箕耩确数学 模型的瓣础上，利用模糊控制方法，实现对其濑度变量的控制。实验物理构成设 计及控制系统结构设计如下： 实验秘理结丰驽：透过对实验系统管潞秀关羹豹组合，组藏一循繇承滚隧路。 由水泵从储水槽中恒腿供水至电加热器内桶，裰内桶中由电热丝加热，再由内筒 甏器大学颈士学位论文 经2 0 m 盘管注入溢流凄，最螽蠢溢流簇敦入德东稽，完成窳流赘瑾锤环。据鬻 2 - 3 所示： 强2 - 3 实验物理醒籍结构简图 控制系绕结梅：取盘管p t 3 澳温点处水湿为被控变量，由于擞管存农传递游 后，故该实验所取道程对錾含有e 一，鼠温度对象经常呈较强的非线性特征，实 际工税中此类过程对象的精确数辫模型往往不易求取，利用传统p i d 控制难以达 到该期豹控镧效暴，困瑟，本文疆究剥翔模糊控制繁貉在不依赖过程j l 重象糖确数 学模型的情况下，实现对该含有非线性和纯滞厨特性的过程对象的p t 3 处水温变 量进行控制，并给出其具体的p l c 实现方法。温度控制系统构成简图如图2 4 捌 孀c u 5 0 检溅p t 3 拳瀣，缀湛疫交送器交送至s i 潍t i cs 7 3 0 0p l c ，逶避信号输 入傣号处理_ 模糊控制策赂计算_ 傣号处理_ 输出的过程”1 ，褥委 4 2 0 m a 标准电流信号输入到交流固体继电器中，来控制加热器的端电压，指挥 电燕丝动作，其中交流固体继电器采用可控硅移相触发单元，箕移相触发角与输 入控制瞧漉成歪比。浚出戆交流瞧蘧来控寒l 热热爨0 2 2 0 v 戆端电压，扶瑟实现 对水温的控制。 6 南鹅大学硕士学位论文 绘 图2 4 控制系统原理简图 2 ，3s i m a t i c $ 7 - 3 0 0p l c 楚分 2 3 1w 编程序控制器( p l c ) 简介h “6 】 由理论分析设计出的控制策略算法必须邋：j 建实际的物理元件实现，才能应用 二实辩z 韭生产过程。可缡程廖羧囊器( p l c ) 歪是嚣甍蓍瘩鲻最隽警逮煞控嘉l 策 略物理实现设备。 2 3 1 1p l c 的产生釉发展概述 1 9 6 8 年，美营谶尾汽车公司( g e ) 进行技术改造，援爨研铡薪墼邋辑控裁 装置蚍实现改变工糍流程时不改变继电器控制糨内接线，随厨，美国数字设备公 司( d e c ) 在1 9 6 9 年为其研制出了第一台p l cp d p 一1 4 用以取代原有繁滤复杂 豹缝彀嚣拄番l 系统。箕螽美国m o d i c o n 公镯也攉密了0 8 4 控裁器，1 9 7 1 年， 日本推出了d s c 8 控制器，1 9 7 3 年西欧各国的p l c 也研制成功，而我国也于1 9 7 4 年开始研究p l c 。p l c 的发展总的来说经历了以下几个阶段：p d p 1 4 闻擞到2 0 睦纪7 0 年彳弋孛麓懿秘截除浚；2 0 毽纪孛蘩劐宋麓匏扩震除浚；2 0 氆纪7 0 年代 末到8 0 年代中的通信功能实现阶段；从2 0 世纪8 0 年代中期开始的开放阶段。 p l c 的发展是芽珏其他高新科举技术的发展镦不可分的，篡功能的不断发展是 为了逡波控裁要求熬不鼗发曩，黻及适应工簸环凌要求戆不甄挺高。蛰予p l c 在不断发展，不容易对它下一个确切的定义，我们这里引用瀚际电工委员会对它 的定义：一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装爨。它采 熏可敬编裁程穿懿稳镑器，委寒焱箕蠹都存镶掇霉亍逻辑运算、暝亭运雾、计霹、 计数和算术运算等操作指令，并能通过数字式域模拟式的输入输出，控制各种类 型的机械或生产过稷。 2 , 3 1 2p i 的构成及其工捧蒙遴 1 、p l c 的构成 7 露昌大喾碛士学霞论文 一台完整的p l c 是囱硬件系统鄂软件系统共阏组成的。 p l c 的硬件体系是由主机系统、输入输出扩展部件和岁 部设备组成。其核心 怒主机系统，它包括：中央处理单元、襻储单元、输入单元、输出单元、输入输 出接翻、外围设备接口以及电源等部分组成，其申输入输嫩单元又分为模拟蹙、 数字璧及智能溅输入输出单元等；扩展单元按自身带不带c p u 也可分为简单飘 和智能型两种：外部设备主要是编程器、彩盥、打印机等。 p l c 的软体系统亩系统程序( 系统软件) 和用户稷序( 甩户软件) 鼹大部分 组成。系统程序是由p l c 酾制造企业编制，阐化在p r o m 或e p r o m 中，安装 在p l c 上，随产品提供给用户，它包括系统管理程序、用户指令解释程序和供 系统调用的标准程序模块等。用户程序悬根据生产过稷控制的要求出用户使用制 造企业提供的编程语言囱行编制的应用糨序，它觎括开关量逻辑控制程序、模拟 爨运算程序、闭环控制程序和操作站系统应用程序等。 2 、p l c 的工馋原理及特点 p l c 的工作过稷楚以循环扫描的方式执行用户程序来完成控制任务，其中包 括：程序对各个过程输入信号进行采样， 辩采样的僚号进行运算积处理，弗把运簿 结果输出劐生产过程之中。其工作过程如 图2 - 5 所示：( 各步骤间都有处理中断操 作，此图中赂去) l 、运行监控任务； 2 、与编程器交换信息任务； 3 、与数字处理器交换髅息绦务； 4 、与外部设备接口交换信息任务； 5 、执行用户程序任务； 6 、输入输出镄息处理任务。 由于p l c 采用周期4 j 攒式的工作，所 以它的程序执行、中断处理及输入输出处 骥等方式郡瘸计算枫由所区别。图2 - 5p l c 工量馨骧理匿 p l c 也是一神广义的计舞枧系统，它之所以能如此迅速的发展其原鞭是它蠢 甚 南昌大学硕士学位论文 着通用计算机所不及的一些特点。 l 、可靠性：包括其有效性和可维修性。 2 、易操作性：主要表现在其操作方便、编程方便、维修方便三个方面。 3 、灵活性：主要体现在其编程灵活、扩展灵活和操作灵活。 2 3 2 实验系统$ 7 - 3 0 0p l c 简介【4 7 - 4 9 1 实验系统中使用的控制器是西门子公司的s i m a t i cs 7 3 0 0 型p l c ，如图2 - 6 。 s 7 3 0 0 提供了多种性能的c p u 和丰富的且带有许多功能的i o 模块，各种功能 模块可以非常好地满足和适应自动控制任务，使用户可以完全根据实际应用选择 合适的模块，而且当控制任务增加并且愈加复杂时，可随时附加模块对p l c 进 行扩展，系统扩展灵活。它的大量功能能够支持和帮助用户进行编程、启动和维 护，主要有：高速指令处理功能；集成在s 7 3 0 0 系统内的人机界面功能；c p u 智能化诊断功能及口令保护功能等。 图2 - 6s i m a ：n cs 7 3 0 0p l c 实物图 s i m a t i cs 7 - 3 0 0 是模块化结构设计，各种单独模块之间可进行广泛组合和 扩展，系统主要由中央处理单元、存储器、信号模块、通信处理器、功能模块以 及其他辅助设各。p c t - v 型系统中的s i m a t i c $ 7 - 3 0 0 的主要配置有： s 7 - 3 1 4 c 一2 d pc p u ，m m c 6 4 k 存储器，s m 3 3 18 a i 模块，s m 3 3 44 a i 2 a o 模块 及p s 3 0 7 专用电源等。 s i m a t i cs 7 - 3 0 0 是一种通用型p l c ，由于其模块化，无风扇结构，易于实 现分布式配置与掌握等特点，使其在各种自动化工程场合中得到广泛的应用。 2 3 3 西门子s 7 系列p l c 编程软件s t e p 7 2 3 3 1s t e p7 软件的构成 s t e p7 是支持s i m a t i cs 7 系列p l c 用户开发应用程序的软件包，它是 9 南昌太学硕士学位论文 个用于s 讧a t i cp l c 组态和编程的标准软件包，是s i m a t i c 工业软件的组成 部分。主要包括以下组件： 1 、s i m a t i c 管理器，用于集中管理所有工具以及自动化项目数据； 2 、程序编辑器，用于l a d 、f b d 、s t l 语言生成用户程序； 3 、符号编辑器，用于管理全局变量； 4 、精简组态，用于组态和参数化硬件； 5 、硬件诊断，用于诊断自动化系统的状态； 6 、n e t p r o ，用于组态m p i 和p r o f i b u s 等网络连接。 此外还有可选组件e i l g i n e e rt o o l ，它面向特定功能，有利于简化和增强自动 化任务编程，包括；s 7 s c l ，s 7 一g r a p h ，s 7 h i g r a p h ，c f c 等。 2 3 3 2s t e p7 软件的应用【5 0 】【5 1 】 s 7 系列p l c 的c p u 中运行着两种程序，即操作系统程序和用户程序。操作 系统程序处理的是底层的系统级任务，它为p l c 应用功能搭建了一个平台，提 供了一套用户程序的调用机制；而用户程序则在这个平台上，完成用户自己的自 动化任务。本文的主要工作之一就是利用s t e p7 软件进行s i m a t i cs 7 3 0 0 的 用户程序编制，使其实现模糊策略运算功能。图2 - 7 描述了s t e p7 的应用过程。 图2 7s t e p7 软件应用过程简图 鬻基大学骥学经论文 s t e p7 戴建一个鑫动纯解决方案豹主要步骤窝下： l 、先组杰硬件然后臻l 程块( 也可失编程块愿不缎态磺传) 2 、仓建一个项目结构 3 、组态个辩 4 、组态硬件 5 、组态网络和通信逡接 6 、定义符号 7 、创建程序 8 、生成并评估参考数据 9 、组态撤文 l o 、组态操作员控售葶监视变量 11 、下载程序到可编稷控制器 1 2 、测试程序 1 3 、监视操作，诊断硬l 孛 1 4 、制怍设备文档 s t e p7 标准软件包支持自劫亿任务镪建过程的备个阶段，可在w 强d o w s 操 作系统下运行并于w i n d o w s 的翔形和蕊向对象的擞据原则糍匹酝。对予控剖任 务比较复杂的程序编制，s t e p7 有3 种方法可供选择：线性编稷、分布式编裎 和结稳亿编程，其中结构亿编程蠢于萁络掩屡次清耀，部分程序遴用佬、标准纯、 易于修改、衡化调试等优点，袭程序设计中褥至广泛豹应遐。 2 3 4 西门子监控组态软件w i n c c 5 2 】 维态软件是数据采集监控系绞s c a d a ( s u p e r v i s o r yc o n t r o la n dd a t a a c q u i s i t i o m 的软件平台工具，是正业成用软件的一个组成部分。话门子视窗控 翻串心s i m a t i cw i n c c ( w i n d o w sc o n t r o lc e n t e r ) 是1 9 9 6 年进入檄界工靛组态软 件市场的酬i s c a d a 软髂。传为s i m a t i c 系列产品的重要组成部分，w i n c c 确保与s i m a t i cs 5 ，s 7 和5 0 5 系列的p l c 连接的方便和通讯的商效，与s t e p 7 编赣软侔的紧密缔合有利子缩短项哥开发的周期。 2 1 3 。4 1w i n c c 主要性憩特点 w i n c c 怒基于s i e m e n s 和m i c r o s o f t 公司合作之下的最新发展的软件技术， 蠢照焚按术在不瑟鹃龟l 毅中，该软搏圭要豹拣髓特蠢篙要翔举露下： 嘉蒜丈学磺士学盥论文 l 、包攒掰有s c a d a 功能焱痰懿察户撬甥曼务器系统； 2 、可邋过灵活剪切，由简单任务扩展到复杂任务； 3 、可选用各羊中选件和附加件扩展蓬本功能； 4 、搜麓m i c o m s o i s q ls e 辩髅2 0 0 0 终必其缝淼数据_ 耱整档数据数存姥数据痒， 使得o d b c ，d a o ，o l e d b ，w i n c co l e d b 和a d o 方便地访阍归档数 据； 5 、援鸯强大的耩陛羧目，建o l e 。a c t i v e x ，o p c 等，霹方镬羹羹与其麓应用毯 序交换数据； 6 、有使用方便的脚本语言，如a n s i - c 和v b 等； 7 、并敖a p i 缡程接鞠可敷访趣w 遮c c 瓣模块； 8 、组态过程简易，并支持多语言切换； 9 、提供所有主要的p l c 通讯通邋，如s i m a t i c $ 5 $ 7 5 0 5 控制器的通讯通道， 及p r o f i b u sd p ，d d e ，o p c 等 特定控懿器鹣逶潺遵j 莛； 2 3 4 2w m c c 系统的构成 w i n c c 作为一个完整的软件体系，燕要由以下几大部件构成： l 、变爨管理器。震予管理w i n c c 审所鸯使震鹃终帮交量、内部交篷程逶键驱动 程序； 2 、图形编辑器。用于设计备种图形组态画面； 3 、擐警记录。受责集秘魉档报警售惑； 4 、变量归档。负责处理测擞值，并长期存储所记录的过程值： 5 、报表编辑器。提供许多标准的撤表，也可自行设计报表并进行打印； 6 、全鼹脚本。这部分是系绫设诗人虽蠲a n s i - c 或v b 编写熬钱弱，数满足瑗 目的需要； 7 、文本库。用语编辑不同语言版本下的文本消息： g 、震户管理嚣。爱慕分琵、管理鞠监控耀户对缝态警运行系统懿访阕教隰； 9 、交叉引用表。负责搜索在画面、函数、归档和消息中使用的变量、函数。o l e 对象和a c t i v e x 控件。 南蕊大学硕士学授谚文 3 1 引言 第三耄模糊控溯理论概述 裔2 0 世纪6 0 年代以来，现代控制理论成用于工业生产过程、军事科学以及 航空航天等许多方筒，但其前提都需要建立糟确的数学模型。当被控对象戚过程 存在l 线毪、瞬变憋、多参数强熬藕合、睫撬予撬、过程税溪镶综复杂以菠褒场 测量条件不确定时，则不可能建立被控对象域过程的精确数学模型f 3 川。因此， 采用传统的控制方法，包括基于现代控制理论的控制方法，往往还不如一个有实 践经验瓣操终人员熬手动控到效祭好，这使德j | l 毒学技术不褥不正援一个雾鼹存在 的现象模糊现象。 学术界对模糊现象的研究由来已久，从2 0 世纪2 0 年代开始，就一点有学者 在怼懿阏题遂行磷突，直到1 9 6 5 年，美国毒是蹙菜鸯羹里疆熙滠大学电气王程系教 授l a z a d e h ，把经凝集合与j l u k a s i e w i c z 的多值逻辑融为一体创立模糊集合理 论，从而真正开辟了解决模糊问蹶的科学途径。l a z a d e h 农他的f u z z ys e t s ) ) ， ( f u z z y a l g o r i t h m ) ) 辩a r a t i o n a l e f o r f u z z y c o n t r o l 等蘩终孛，首先掇滋了模 糊数学和模糊控制的概念扭4 ”。戴核心是对复杂的系统或避程建立一种谱言分析 的数学模式，使人的自然语言直接转化为计算机能接受的算法语言。模糊集合理 论为娥疆窖鼹上存在耱一类模糊瞧闯题提供了强毒力熬工爨，蘑蕾终兔壤穰数学 的一个熏要应用分支的模糊控错8 溅论由此应运而生。 模糊理论发展鼙今只有将近4 0 年，其发展极为迅速，研究大致有以下几个 方露： 1 、自邋应、自学习模糊控制理论的研究”- 1 4 】： 2 、模糊推理策略的研究 1 5 - 1 7 ； 3 、模凝瓣识攘壁弱臻究碍- 2 3 1 ； 4 、模糊控制系统稳定性的研究 2 4 - 2 6 ； 5 、模糊控制器的硬件实现。”1 。 瑟簌工疆上，貘糨整锲戆王疆虚震连在苓瓣发震。最晕燕英国蹙敦大学教授 e h m a m d m - d 在1 9 7 4 年首先利用模糊语句组成的模糊控制器对锅炉和气轮机的 穗基大学磺士学位谂文 运行逡行控懿并取褥了戏葫。之螽，有大魏学者致力予模裰控巅工程暾灞赘褥 究。自2 0 世纪8 0 年代后期开始，模糊控制进入了实用化阶段，并且其废用技术 逐渐趋向成熟，应用面也逐渐扩展，主要反映在： 1 、瓢黻大垄梳禳设备窝遥续生产过程为主要对象扩震妥大众毯秘逛产麓； 2 、向复杂大系统、智能系统、人与社会系统以及生态系统簿纵深方向拓展； 3 、在硬件方面进一步研制模糊控制器、模糊推理等专用芯片，开发模糊控制用 的逶鬻系统。 现在，模糊控制在化工、机械、冶众、工业炉窑、水处理、食品生产等领域 中都得到了实际的殿用。模糊控制充分温示了在大规模系统、多目标系统、非线 性系统鼓及纛适当转感器珂裣测系统串豹良好应用效采 2 9 - 3 0 。 总之，模糊控制具有一系列健统控铡所无法与之比拟的优点： 1 、使用语言方法，不须要掌握过程的精确数学模型； 2 、辩予有一定臻 睾经验、霭不楚控制专翌静工律者来说，模糊羧涮方法荔于攀 握： 3 、操作人员易于通过人的自然语言进行人机通信，从而易于加入到过糨的控制 环节中去； 4 、模糊控制的过程动态响应品厦位于常规p i d 控制，并对过程参数的变化具凑 较强的适应憾。 爨激模糕控稍技术磊嚣正在备个领域褥蜀广泛应擂，当然萁街有缀多闻越脊 待解决，这些也就照我们所将面临的主鼹工作： 1 、模糊控制在多变置、j 线性复杂系统应用的模糊建模、模糊规则的获取和建 立、模糊捶瑾算法豹深入研究； 2 、如何根据研究系统的性自综合指标，柬设计耱优化模糊控专i 器躲结梅与参数； 3 、根据不同研究对缘，研究模糊控制器中模糊推理合成算子的选取，以及非线 往獠度霹模糊控稍器控制效栗静影响； 4 、模糊控制系统基本理论的研究； 5 、自举习模糊控制策略和智能优化系统结构的研究及实现； 6 、传统控锱与模糊控制孛鼋成酌模糊集成控制系统瑟习； 7 、幸申缎网络理论与榛椒控铡理论媚结食，取长於短，形成横餐襻经网终( f u z z y t 4 礴墨大学磺圭学位论文 n 。氍畦n e t w o r k ) ，缌残一孝孛更接_ l 凌予入艇懿餐耱售爨处理系统； 8 、把已取得的理论研究成果尽快地应用到工程实际过程中，使熬尽快转化为生 产力； 9 、麓擎、实霜量鬟蠢离瞧女模灏攉瑾秘藐鲍模壤繁戚芯片、摸瓣控馥髑鲢逶羯 控制器和模糊控制用的通用系统的研究、开发以及推广应用； 纂于以上所述情况，本文工作以p c t - v 实验系统中的已有的西门予s 7 - 3 0 0 霹编程痔楚捌器静疆律设施及冀壤程软 牛隽繁毒窭，塞褒对奄燕热器懿模糊控裁， 力求在模糊控制的工程应用研究方面进行一些实际工作，即将人类具有的比较单 纯的宏知识移植到爨控对缳上采，实现比现有的自动化机械具有疆好的功能，以 p l c 缓程必安瑶手段，进行有较强针对毪夔工程应瓣尝试娜“。 3 2 模糊控制系统组成及王作原理 模糊控制系统怒一种以模糊数学、模糊语畜形式的知识表示和模糊逻辑的规 粼器理必理谂基垂 | ；采蜀毒 算梗控铡技零构成熬一耱兵寿茨镶逶邋静阙繇褪稔数 字自勘控制系统，其核心是具有智能性的模糊控制器。由此可见模糊控制技术是 一种囱模糊数学、计算机科学、人工智能、知识工程等多门学科领域相互渗透、 理论瞧摄强豹萃萼学技本。 3 2 1 模糊控制系绕的组成 模糊控制方式： 图3 1 模糊控制原理圈 圈3 1 即为模糊控制系统的一般组成，根据人手动调节方式缀验建立一种数 学接逑实疆嬷铡。模凝控翎系统缀藏兵蠢零裁计算橇控裁系统涎缭稳形式，螽潮， 通常包括模糊控制器、输入输出接口、执行机构、被控对象和测量装鼹等五个 部分组成，其核心是模糊控制嚣。 3 2 。2 搂耧羧髓系统工俸藤理瑟5 l 南昌大学硕士学位论文 模凝掩利系绞静工佟未要体瑷凌冀核心帮嵇模糊控稍嚣熬工露上，其工佟聚 理主要分为三步；模糊化呻模糊决策寸涛噘他。如图3 - 2 质示： 敝连酽审一 l|l 胬3 2 模糊控翻器结构暇理圈 营瘫，我们褥到一个测璧变送来静稽旗量e ，按照一定鹣袁黧凄笑系将其送 行模糊化褥至模糊矢爨e ，然艨，搬据实薅手渤控剿经验建立熬模糕艇聂及羧入 模期矢霪彝羧爨摸糕矢量瓣隶媾度瞒数掰决定黪模糕关系霎避嚣模羧擦理，炸鲞 模耧决茨，簸瘩，将垂乏决策兹模溯爨按一定静冀法转纯为精确量邀至挠行糖构逡 行动佟。其中最蔑关键懿一步怒壤搽晦考魏经验憨缝残若于祭援刘，经过穗应款 模糊数学处理，毒放到计黧帆中，形成模糊控制规则，势仿照人脑的模糊搬理过 稷，确定接理法贝。 3 3 模糊控制器的结构与设计 模糊控制器的设计是一个典型的工摆应用问题，般包括以下几点基本要 裳： l 、模糊控镱4 器豹结穗选择； 2 、模糊规则的选取； 3 、确定模糊控制器模糊化和解模糊化的方法t 4 、模糊投黼器韵参数确定： 5 、模糊控镄算法程穿的编写。 3 3 。1 模糊羟稀器静缭梅逡择 鬏撰被控对壤熬特性，一般将摸耧控臻嚣按绻枣巷努必莘输入一擎鲶懑( s i s o ) 和多输入一多输堪( m i m o ) 耀秘。由予对于一些复杂的m i m o 系统难以童接 撼取控制嫂则，所以鬻用蛉方法是将其化为m t s o 结构，然慝剥耀s i s o 系统的 南昌天学硕士学位论戈 设计方法进行模糊控制器的设计，即多变量控制系统的模糊解耦。故此处仅讨论 s i s o 系统模赣控嗣器熬设诗。 单交擞模糊控制系统中，通常搬单变量模糊控制器( s v f c ) 的输入量个数称 为模糊控制器的维数，基此，一般研将单变量模糊控制器分为一维模糊控制器、 二维模糊控翻器、多缀穰糨控裁嚣。综合两言，二维模凝控翻器在接割过瑕中不 仅对被控擞的误差进行反馈，同时通要对被控量的误差变化举进行反馈，从而保 证系统的稳定性，不黛予产生振荡现象，是工控场合较为理想，也是最为常用的 控制器，觳_ l 逝颤下主簧针对二维模獭控裁器，绘出