（控制理论与控制工程专业论文）网络环境下三容水箱液位控制系统的研究.pdf

一幽一一 j，j ! ，蔫 ， ，j #，2#。t，j，； #蝻喀，。，0；矛鼙争琵“羹-鞲簦蕺 at h e s i si nc o n t r o lt h e o r y 1 _ a n d c o n t r oe n g i n e e r i n g 。_ 。_ - 1 。_ _ _ _ 一一1一 t h er e s e a r c ho ft h r e e t a n k 、t e rl e v e l c o n t r o ls y s t e mb a s e do nn e t w o r ke n v i r o n m e n t b y s ix i a n g b i n s u p e r v i s o r ：a s s o c i a t ep r o f e s s o rg ud e y i n g n o r t h e a s t e r nu n i v e r s i t y j u l y2 0 0 8 irf l0 iiir j】1 i，j 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取得的研究成果除加 以标注和致谢的地方外，不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含本人为 获得其他学位而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所作的任何贡献均已在论 簟 文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名： 日期： 乙州 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学位论文的规定：即 学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借 阅。本人同意东北大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索、交 流。 ( 如作者和导师同意网上交流，请在下方签名：否则视为不同意) 麓挲孑鬻名：名占签字f 1 期： 导师签名： 签字日期： tlrr咤i 一， p rr譬f。一 ；o鼻。 p j t ， 。 东北大学硕士学位论文摘要 网络环境下三容水箱液位控制系统的研究 摘要 随着控制系统规模的扩大和计算机及通信技术的迅猛发展，尤其是智能传感器、控 制器和执行机构作为独立的节点直接与网络互连，实现了控制系统网络化。而过程控制 的发展也趋于在网络环境下实现对过程量进行控制。 ， 三容水箱液位控制系统，是一个大惯性、滞后、时变及非线性的复杂系统。这样复 杂的系统应用常规p i d 控制，系统的控制精度和鲁棒性较差，并且不能在线整定k 。，z ， 和乃三个参数，又无法满足对模型未知或慢时变系统的控制要求等问题。 本文针对高阶液位控制采用模糊p i d 控制算法，同时也在探索将模糊控制理论应用 于网络控制系统中的方法，为模糊控制应用于工业生产提供有益的实践经验。本文设计 了模糊p i d 控制算法及其改进控制算法，设计了指针寻址查表法实现模糊控制算法的新 思路，并设计了相应程序设计。模糊p i d 算法的出现成功解决了本文液位控制中传统 p i d 算法无法满足对模型未知或慢时变系统的控制要求等问题。 本文以三容水箱为控制对象，以西门子s 7 3 0 0 p l c 控制器，以m i c r o m a s t e r4 2 0 变频器和水泵为执行机构，液位传感器为检测仪表完成控制系统的硬件设计：本文以工 业以太网、p r o f i b u s d p 、p r o f i b u s p a 三层网络构建网络环境；应用s t e p 7 编程软件完 成了控制系统的网络组态和硬件组态；应用w i n c c 软件完成了控制系统监控界面的设 计。 为了验证系统的实时性和各种性能指标，分别用p i d 算法和模糊p i d 控制算法对液 位进行了阶跃响应实验、抗干扰实验和控制特性实验。研究结果表明，模糊p i d 控制算 法及其改进算法能对复杂的非线性系统进行有效的控制，并且具有收敛速度快、抗干扰 性好、鲁棒性强等特点，效果明显优于一般的p i d 控制方法。实验过程中上位机能实时 监控液位的变化、画面清晰，通信可靠，工作稳定。 关键词：三层网络；p l c ：模糊p i d ；监控系统；液位控制； 一i i - 麓-摹 ， ，。；口口l， _1】，分 东北大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h er e s e a r c ho ft h r e e t a n kt e rl e v e lc o n t r o ls y s t e m b a s e do nn e t w o r ke n v i r o n m e n t a bs t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fc o n t r o ls y s t e m ，c o m p u t e ra n dc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y , c o n t r o l s y s t e m ss h o wn e t w o r k e d ，a n di n t e l l i g e n ts e n s o r s ，c o n t r o l l e r sa n da c t u a t o r sa r e c o n n e c t e dv i aar e a l t i m en e t w o r k t h ed e v e l o p m e n to fp r o c e s sc o n t r 0 1w i l la l s ob e c o m e c o n t r o l l i n gs o m ep r o c e s sv a r i a b l e sb a s e do nn e t w o r ke n v i r o n m e n t 一 t h r e e t a n kw a t e rl e v e lc o n t r o ls y s t e m ，i sab i g i n e r t i a ，l a g g e db e h i n d ，n o n l i n e a r t i m e v a r y i n ga n dc o m p l e xs y s t e m s u s i n gc o n v e n t i o n a lp i da l g o r i t h m ，t h es y s t e mo fc o n t r o l a c c u r a c ya n dr o b u s t n e s sa r ev e r yp o o r , t h ep a r a m e t e r so fk p ，互，a n d 乃c o u l dn o tb e a d j u s t e do nl i n e ，a n dt h ep r o b l e m ，s u c ha st h ec o n t r o lr e q u i r e m e n t so fu n k n o w nm o d e la n d s l o wt i m e v a r y i n gs y s t e m ，c o u l dn o tb es a t i s f i e d i nt h i st h e s i s ，t h ef u z z yp i da l g o r i t h mh a sb e e nu s e df o rl e v e lc o n t r o l ，a n dt h em e t h o do f a p p l y i n gf u z z yc o n t r o lt h e o r yt ot h en e t w o r kc o n t r o ls y s t e mh a sb e e ne x p l o r e d ，w h i c hc o u l d p r o v i d eau s e f u lp r a c t i c a le x p e r i e n c ef o rt h ef u z z yc o n t r o la p p l y i n gi ni n d u s t r i a lp r o d u c t i o n f u z z yp i da l g o r i t h ma n di t si m p r o v e dc o n t r o la l g o r i t h mh a v eb e e ns t u d i e d ，t h em e t h o do f c u r s o ra d d r e s s i n gh a sb e e nd e s i g n e dt oa c h i e v et h en e wi d e ao ff u z z yc o n t r o la l g o r i t h m ，a n d t h er e l e v a n tp r o g r a m m i n gh a s eb e e ng i v e n f u z z yp i dc o n t r o la l g o r i t h mc a nr e s o l v et h e c o n t r o lp r o b l e mo ft h em a t hm o d e lu n k n o w no rt h es l o wt i m e - v a r y i n gs y s t e m s ，w h i c h t r a d i t i o n a lp i da l g o r i t h mc a nn o ts o l v e i nt h i sp a p e r , t h ec o n t r o lo b j e c ti st h r e e - t a n kw a t e rl e v e l ，u s i n gs i e m e n ss 7 3 0 0 p l ca s c o n t r o l l e r , u s i n gm i c r o m a s t e r4 2 0c o n v e r t e ra n dp u m pa sa c t u a t o r , a n ds e n s o rf o rw a t e r l e v e l ，w h i c hh a sb e e nc o m p l e t e dt h eh a r d w a r ed e s i g no ft h ec o n t r o ls y s t e m i n d u s t r i a l e t h e m e t ，p r o f i b u s d p , p r o f i b u s p ah a v eb e e nu s e dt ob u i l dt h en e t w o r ke n v i r o n m e n t t h e n e t w o r kc o n f i g u r a t i o na n dh a r d w a r ec o n f i g u r a t i o no ft h ec o n t r o ls y s t e mh a v eb e e n c o m p l e t e d b yu s i n gt h es o f t w a r es t e p 7 t h em o n i t o r i n gp i c t u r e so ft h ec o n t r o ls y s t e mh a v eb e e n d e s i g n e db yt h es o f t w a r ew i n c c i no r d e rt ov e r i f y t h er e a l t i m ea n dv a r i o u sp e r f o r m a n c ei n d e x e so ft h i ss y s t e m ，p i d a l g o r i t h ma n df u z z yp i da l g o r i t h mh a v eb e e nu s e dr e s p e c t i v e l yo nw a t e rl e v e lw i t h s t e p - r e s p o n s ee x p e r i m e n t ，a n t i - i n t e r f e r e n c ee x p e r i m e n ta n dc o n t r o lc h a r a c t e r i s t i ce x p e r i m e n t - i i i - ，i ， f， d 、 ： i 0 东北大学硕士学位论文 目录 目录 独创性声明i 摘要i i a b s t r a c t i i i 第l 章绪论1 1 1 课题的研究背景及意义l 1 2 网络控制系统及其发展2 1 2 1 网络控制系统概念2 1 2 2 网络控制系统的基本问题2 1 2 3 网络控制系统的发展4 1 3 先进控制策略在工业过程控制中的应用7 1 3 1 p l c 在工业控制领域中的应用：；8 1 3 2 模糊p i d 控制在液位控制中的应用8 1 4 本文的主要工作：9 第2 章网络环境下液位控制系统算法1 1 2 1p i d 控制算法：1 1 2 1 1 模拟p i d 控制器1 1 2 1 2 数字p i d 控制器1 1 2 1 3p i d 算法的局限性1 4 2 2 模糊控制算法1 4 2 2 1模糊控制产生及发展1 4 2 2 2 模糊控制的特点1 5 2 2 3 模糊控制的基本概念1 6 2 2 4 模糊控制的基本理论。1 9 2 2 5 模糊控制的局限性2 3 2 3 模糊p i d 控制算法2 3 2 3 1 模糊p i d 控制器的发展i 2 3 2 3 2 模糊p i d 控制器的结构j 2 4 2 3 3 模糊p i d 控制器的原理2 5 2 4 模糊p i d 原理及其控制器的设计2 6 2 4 1模糊p i d 液位控制器的模糊化2 6 2 4 2 模糊p i d 控制器的控制规则设计2 7 2 4 3基于m a t l a b 模糊逻辑工具箱的设计2 8 v lii4il， j ，飞j，争 l 一 i 东北大学硕士学位论文目录 2 5 带修正因子的模糊控制器设计3 0 2 5 1带一个修正因子的模糊控制器3 0 2 5 2 带多个修j 下因子的模糊控制器3 0 2 5 3 修正因子在线插值模糊控制3 1 2 6 本章小结。3 4 第3 章网络环境下液位系统的设计3 5 3 1被控对象3 5 3 1 1实验设备简介3 5 3 1 2 三容水箱对象3 6 3 2 液位控制系统的设计3 8 3 2 1 液位控制系统组成3 8 3 2 2 液位控制系统硬件3 9 3 2 3 液位控制系统软件4 1 3 3 网络环境组成4 3 3 3 1西门子s i m a t i cn e t 工业以太网4 3 3 3 2 p r o f i b u s 网络4 3 3 3 3网络环境丢包问题的基本解决4 4 3 4 液位控制系统组态4 5 3 4 1 系统硬件组态j 4 5 3 4 2 系统网络组态4 6 3 5 监控系统设计一4 8 3 5 1w i n c c 与p l c 之间通讯组态4 8 3 5 2 w i n c c 监控画面设计_ 4 9 3 6 本章小结5 0 第4 章液位控制系统程序设计51 4 1 液位控制系统p l c 程序5 1 4 1 1主控制程序设计5l 4 1 2 变频器程序设计5 3 4 1 3 过程量数字滤波程序5 4 4 1 4 进水量的线性化5 5 4 1 5 采样时间的选择与实现5 6 4 2 数字p i d 控制程序5 7 4 3 模糊p i d 控制程序5 8 4 4 修j 下因子在线插值模糊控制程序5 9 - v i - 7 l i ， l 毒 ，j 4 5 实验与结果分析5 9 4 5 1 数字p i d 实验6 0 4 5 2 模糊控制实验6 2 4 5 3 结果分析6 5 4 6 本章小结6 5 第5 章总结与展望6 7 参考文献6 9 致 谢7 3 ，ll#lj 广 i 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 课题的研究背景及意义 随着计算机技术和通信技术的快速发展，工业控制正在向以网络为基础、以控制器 为核心，集自动控制与信息管理于一体的网络控制快速发展，其本质是利用计算机技术 对生产设备及其参数进行多层次的网络化控制、监视和管理，以提高生产和管理效率。 计算机技术、通信技术、网络技术和控制技术的结合，孕育了网络控制系统【1 2 】( n e t w o r k c o n t r o ls y s t e m ，简称n c s ) 。网络控制系统相对于传统的点对点控制系统具有成本低、 安装维护简便、可靠性高、便于故障诊断、能够实现信息资源共享等优点。 液位是过程控制中的一个重要参数，它对生产的影响不容忽视【3 】。为了保证安全生 产及产品的质量和数量，对液位进行及时有效的控制是非常必要的。水箱液位控制是液 位控制中的一个主要内容，它在工业过程中普通存在，具有代表性而且非常典型、实用。 在液位控制经常会碰到大滞后、时变、非线性的复杂系统。对于这样的复杂系统，常规 p i d 控制由于采用固定的参数，难以保证系统适应控制系统的参数变化和工作条件变化， 液位始终有较大波动，得不到理想效果。模糊控制是建立在人工经验基础之上，无需知 道控制对象的精确数学模型，它采用语言变量才描述系统特征，并依据系统的动态信息 ，和模糊控制规则进行推理以获得合适的控制量，具有对参数变化不敏感和鲁棒性强等特 点，但控制精度不太理想。如果将模糊控制和p i d 控制两者结合起来，扬长避短，就能 更好地适应控制系统的参数变化和工作条件的变化。采用参数自整定模糊p i d 控制系统 对环境的适应能力强，在随机的环境中可以在线调整p i d 控制的参数，在被控对象存在 扰动情况下控制系统仍然保持良好的性能。 课题研究是在自动化实验室进行，以该实验室的过程控制实验装置为背景，将西门 子工业以太网和p r o f i b u s 现场总线作为网络环境，设计了一套将水箱液位作为控制目 标的网络控制系统。同时重点研究网络环境下模糊控制以及与p i d 控制相结合的控制方 法。完成了p i d 控制器，模糊p i d 控制器的设计和实现。并将p i d 控制器，模糊p d 控制器在组态软件进行了实现。本文所设计出的模糊p i d 控制器用在液位控制系统中， 当液位控制系统的模型参数变化时，系统能具有良好的控制效果。进行了大量的实验研 究，探索了一条基于工业以太网和现场总线构建网络控制系统的新思路，为网络控制系 统和模糊控制应用于工业生产积累了经验。 t、口|i，t 东北大学硕士学位论文 1 2网络控制j 1 2 1网络控制； 网络控制系统( p 络环境下实现的控带 路的集合，用以提伊 狭义的在内源共享硐 企业信息网络以及h 控制系统是计算机p 是以控制“事务对象 n e t w o r k ) 。网络控制 1 2 2 网络控制多 大多数关于网坌 如有些文献f 4 - 7 】只考f 不需要通过网络进行 环网络控制系统进行 述网络控制系统最重 节点驱动方式以及另 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 图1 2 单闭环网络控制系统的结构图 f i g 1 2s i n g l e l o o pn e t w o r k e dc o n t r o ls y s t e ma r c h i t e c t u r e 由图1 2 可知，网络控制系统具有完全分布式的控制结构，控制元件( 如传感器、控 制器、执行器) 等现场设备直接作为智能节点与通信网络相连，实现信息的交换。充分 体现了控制系统网络化、集成化、分布化及节点智能化的发展趋势。然而，由于通信网 络的带宽有限且为系统中各节点共享，所以，当各独立节点通过网络进行数据交换时， 信号传输中的网络诱导延时、多包传输、多路传输、网络拥塞、网络连接中断、数据包 丢失等现象要不可避免的发生，这使得网络控制系统产生一些亟待研究和解决的特殊问 题：网络诱导延时、时变传输周期、数据包丢失、数据包时序错乱、信息调度算法、通 信约束、网络拥塞、信道噪声等。这些问题往往使网络控制系统丧失定常性、完整性、 因果性和确定性【8 】。 新的系统结构实现了新功能，也带来了新问题，表现为以下几方面： ( i ) 采样和延时 一个连续信号要通过网络传输给接收端，必须经过采样、编码成数字信号通过网络 传输，最后经过解码器传给接收端。这个过程和数字控制中通常的周期采样有本质的区 别。传统的控制系统一般是基于统一时间采样、系统中所有元件同步工作、信号传输是 完美的。而网络控制系统中，由于各节点位于不同的地理位置，通过网络进行信号的传 输，传输的时间依赖于网络的状况，因此，各个装置的工作是异步的。若连接于网络的 各控制装置仍采用统一时间采样，则从采样到最终解码给接收端的整个延时是高度变化 的，主要是由于网络访问延时和传输延时( 统称为网络诱导延时) 都在很大程度上依赖 于多变的网络条件。 ( i i ) 数据丢包 网络控制系统与标准的数字控制之间另外一个本质区别就是数据在通过网络传输 过程中可能会丢失。通常来说，丢包是由物理链路中的传输误差或网络拥塞引起的发送 - 3 ， 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 接收端缓存溢出导致的；长延时有时还引起数据包的乱序，如果接收端丢弃超时到达的 数据，那么数据包的乱序等同于丢包。另外，不可靠的通信协议，如u d p i p 不能保证 数据的交换，也是导致数据丢包的主要原因。数据丢失通常是不可恢复，在实时性控制 系统中，丢包通常引起系统性能的下降甚至使系统变得不稳定。而可靠的传输协议，如 t c p 虽然可以保证数据包的最终传输，但其重传机制并不适合于n c s ，因为在n c s 中 对于实时性的要求很高，过期或超时的旧数据通常是没有用的。 ( i i i ) 通信约束 一般来讲，影响网络控制系统性能的主要因素不是处理器的计算能力，而是所有与 网络相连分时共享网络带宽的各控制装置，如传感器、控制器和执行器等。由于网络带 宽有限，在同一时刻网络只能传输有限的数据，此时传输部分数据的时间要小于传输全 部数据的时间，这种只传输部分数据的通信受限问题即为网络控制系统中的通信约束现 象。 相对于通常系统在运行时能够得到全部的反馈数据，这种通信约束问题只有部分反 馈能够及时得到，显然其它信号丢失了，因此有可能造成系统不稳定或系统的性能下降。 ( ) 单包传输和多包传输 网络控制系统中，数据是以一定大小的数据包进行传输的。当传感器或控制器等待 传输的单位信息被封装成一个数据包进行传输时称为单包传输；封装成多个数据包进行 传输称多包传输。系统采用哪种方式进行传输，取决于网络节点的地理距离或控制网络 中允许传输的数据包容量。当节点位于较远的地理位置或要传输的数据超过控制网络数 据包的容量时，待传输数据必须封装成多个数据包传输。如以太网的数据包容量为1 5 0 0 字节，适宜单包传输大批量数据。d e v i c e n e t 的数据包容量为8 字节，适合传输数据量小 而快的控制信息【9 1 。多个数据包传输时，由于节点冲突、网络拥塞、连接中断和多路径 传输等原因，不可能同时到达，从而增加网络诱导延时。 1 2 3 网络控制系统的发展 随着信息技术的发展，自动化领域也经历了一场由组合式模拟仪表控制系统、集中 式数字控制系统( d d c ) 、集散控制系统( d c s ) 、现场总线控制系统( f c s ) 到现在刚 刚兴起的工业以太网控制的深层次变革【l o - 1 。 1 2 3 1集散控制系统( d c s ) 集散控制系统又称为分布式控制系统，它是一种应用于过程控制的工程化分布式计 算机控制系统，它的特点在于可实现硬件积木化、软件模块化、松耦合多处理机系统、 控制系统用组态方法生成、可应用通信网络和可靠性高等，解决了原有计算机集中控制 4 i 东北大学硕士学位论文 ，l 。：i + - ，二二_ ；、 第1 章绪论 中的危险集中和常规模拟仪表控制功能单矿的局限性，克服了计算机集中控制双冗余系 统成本高的问题。 d c s 在功能与性能上较模拟仪表及集中式数字控制系统有了很大进步，可在此基础 上实现设备级、车间级的优化控制。但是，在d c s 系统形成的过程中，由于受计算机 系统早期存在的系统封闭这一缺陷的影响，各厂家的产品自成系统，难以实现互换与互 操作，要组成更大范围信息共享的网络系统存在很多困难。 1 2 3 2 现场总线控制系统( f c s ) 现场总线在2 0 世纪8 0 年代中期在国际市场上发展起来的。它作为过程自动化、制 造自动化、智能楼宇和交通等领域现场智能设备之间的互联通信网络，沟通了生产现场 设备之问及其与更高控制管理网络之间的联系，为彻底打破自动化系统的信息孤岛创造 了条件。 目前国际上有4 0 多种现场总线，其中最有影响力的有f f 、p r o f i b u s ，h a r t ，c a n ， l o n w b r k s 等。然而，现场总线技术的发展还存在许多问题，最主要的是没有一个统一 的国际标准，并且由于支持各总线的集团间利益冲突等原因，近期产生统一的现场总线 标准是不可能的。由于现场总线均有自己的协议，要构成一个控制系统，必须采用相应 的开发工具、平台、软件包，这需要较昂贵的代价，且实现不同总线产品间的互连非常 困难。 ”； 现场总线是一种串行的数字数据通讯链路，沟通了生产过程现场及控制设备之间及 其与更高控制管理层次之间的联系。它不仅是一个基层网络，而且还是一种开放式、新 型全分布控制系统。这项以智能传感、控制、计算机、数字通讯等技术为主要内容的综 合技术，已经受到世界范围的关注，成为自动化技术发展的热点，被认为是工业控制发 展的必然趋势，将逐步取代传统的p l c 点对点接线的控制方法。 基于现场总线技术的自动化控制系统称为现场总线控制系统( f i e l d b u sc o n t r o l s y s t e mf c s ) ，控制思想的核心是“分散控制，集中监控”，使得“危险分散，控制分散”。 现场总线控制系统( f c s ) 一般被称为第五代控制系统，它是由p l c 、d c s 控制系统发展 而来的。人们一般把上世纪5 0 年代前的气动信号控制系统( p c s ) 称作第一代，把4 2 0 m a 等电动模拟信号控制系统称为第二代，把数字计算机集中式控制系统称为第三代， 而把上世纪7 0 年代中期以来的集散式分布控制系统( d c s ) 称作第四代。现场总线控制系 统( f c s ) 作为新一代控制系统，一方面，突破了d c s 使用通信专用网络的局限，采取了 基于公开化、标准化的解决方案，克服了封闭系统所造成的缺陷；另一方面把d c s 的 集中与分散相结合的集散系统结构，变成了新型全分布式结构，把控制功能彻底下放到 现场。因此，f c s 实质是一种开放的、具有互操作性的、彻底分散的分布式控制系统， 5 一 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 已成为2 1 世纪控制系统的主流。 现场总线控制系统的核心是总线协议，即总线标准，一种类型的总线，只要其总线 协议一经确定，相关的关键技术与有关的设备也就被确定。就其总线协议的基本原理而 言，各类总线都是一样的，都以解决双向串行数字化通讯传输为基本依据。但由于各种 原因，各类总线的总线协议存在很大的差异，目前通过符合i e c 6 1 1 5 8 标准的现场总线 有：基金会现场总线( f o u d a t i o n f i e l d b u s ，简称f f ) 、l o n w o r k s 、p r o f i b u s ( p r o c e s s f i e l d b u s ) ，h a r t ( h i g h w a y a d d r e s s a b l er e m o t et r a n s d u e r ) ，c a n ( c o n t r o la r e an e t w o r k ) ， d u p l i n e 等。这几种现场总线采用完全不同的通信协议，要实现它们之间的相互兼容和 互操作几乎是不可能的。为了适应目前现场设备的多态性和用户需求的多样性，最大限 度地抢占市场，各自动化厂商相继推出能够兼容多种现场总线的控制系统。西门子公司 推出了由e t h e m e t 、p r o f i b u s d p 、p r o f i b u s p a 构成的现场总线控制系统，如图1 3 所示。 在这种网络控制系统中，以太网连接了高速数据公路、厂区通信网络，执行t c p i p 协 议，它利用西门子公司的成熟技术和数据库实现系统信息的集成。p r o f i b u s f m s 主 要用于系统级和车间级的不同供应商的自动化系统之间传输数据，处理单元级( p l c 和 p c ) 的多主站数据通信，为解决复杂的通信任务提供了很大的灵活性，虽然它具有比现 场层更大量的数据传送，但通信的实时性要比现场层低。p r o f l b u s d p 是一种高速确 定性网络，用于分散外设间的高速传输，适合于加工自动化领域的应用。p r o f i b u s p a 用于过程自动化的现场传感器和执行器的低速数据传输，它通过一个开放的网络，由于 传输技术采用i e c1 1 5 8 2 标准，确保了本质安全和通过总线对现场设备供电，可以用于 防暴区域的传感器和执行器与中央控制系统的通信。将底层设备直接与车间级控制器相 连，而无需通过硬接线将其与i o 模块连接，从而消除了昂贵的硬接线。 图1 3 现场总线控制系统 f i 9 1 3f i e l d b u sc o n t r o ls y s t e m 6 - 、 - l l 苣 一。j 一 东北大学硕士学位论文 越d 赫矗；。扩i ；妒 第1 章绪论 1 2 3 3 工业以太网 ，蜃魏雕，酗神，氓弘 、 在工业控制现场，能否将在商业领域应用已相当成熟的以太网用于网络控制系统的 底层，完全替代现场总线，目前还处于研究和讨论阶段。普通以太网向下延伸到工业现 场，面临一系列的技术难题，如确定性、实时性、安全性、抗干扰能力，还有现场设备 的供电问题、网线物理性能的提高等。总之以太网有其优势，也有其技术上的缺陷，它 的研究方向应在尽可能保留原有协议的基础上，加入实时性控制措施。工业以太网是当 前工业控制领域新的研究热点，尽管它现在还有许多不成熟的地方，但它巨大的应用前 景吸引着众多研究机构和公司进行研究探索。 所谓工业以太网，一般来讲是指技术上与商用以太网兼容，但在产品设计时又能在 实时性、材质的选用、产品的强度以及适用性等方面满足工业现场的需要。工业以太网 并不是要将所有的工业网络全部改成以太网，而是要将原来工业网络应用层定义的数据 信息，封包在以太网的网络层与传输层内。也就是说，工业以太网的重点在于 t c p u d p i p ，而不在以太网的物理层。以太网技术采用c s m a c d ( 载波侦听多路访问 碰撞检测) 机制，是一种非确定性的通信调度方式。网络每个节点要通过竞争来取得信 ? 息的发送权，当网络负荷大时，网络传输不能满足工业控制的实时要求。因此，在本质 上以太网并不是一个实时性网络，它只能保证数据可以到达，但不能保证到达的时间。 另外，以太网应用于工业环境还存在异构平台整合以及是否满足工业环境等问题。 - ： 针对以太网应用于工业环境所面临的一些问题，许多现场总线组织和国际知名公司 采用了多种方法来对以太网进行改进，以使其满足工业现场应用的要求。如h s e 、 e t h e m e t i p 和m o d b u s t c p 均采用以太网与t c p i p 相结合的方法；p o w e r l i n k 和p r o f i n e t 则采用基于时间槽的分时调度方式等。这些方法都有效地解决了商用以太网应用于工业 现场所面临的一些技术难题，并已有了一定的市场应用。 1 3先进控制策略在工业过程控制中的应用 从4 0 年代开始，采用p i d 控制规律的单输入单输出系统作为过程控制的核心系统。 到目前，随着智能控制理论的出现并不断完善以及针对工业过程控制品质提出的较高要 求，已经迫切需要将智能控制算法应用于实际系统中。但由于智能控制算法的复杂性和 计算机硬件两方面应诉的影响，早期的控制算法通常是在p c 机和u n i x 机上实施的。 随着近年来现场总线控制技术的日益成熟和完善，为智能算法应用于工业现场提供一种 有效的实现手段。现场总线控制系统是在原有传统的过程控制系统基础上，利用 p r o f i b u s 技术作为现场设备间的数据传输和交换，并以现场总线模块替代常规的现场 检测和变送装置，控制设备( p l c ) 用来实现数据处理，发出控制信号，通过工业以太 7 东北大学硕士学位论文 第1 章绪论 网实现计算机与控制层设备( p l c ) 的通讯，从而实现远程控制，从而使整个控制系统 实现网络化和数字化。 1 3 1p l c 在工业控制领域中的应用 可编程逻辑控制器( p l c ) 是一种数字运算操作的电子系统，专为工业环境下应用 而设计。它采用可编程序的存储器，用夹在其内部存储执行逻辑运算，顺序控制、定时、 记数和算术运算等操作指令，并通过数字式、模拟式的输入输出，控制各种类型的机械 或生产过程。p l c 在工业控制领域的应用可分为以下几种类型【1 2 】：i 1 逻辑控制 这是p l c 最基本、最广泛的应用领域，它取代传统的继电器控制系统。实现逻 辑控制、顺序控制、多机群控、自动化生产线的控制。 2 运动控制 大多数p l c 匍j 造商，目前都提供拖动步进电机或伺服电机的单轴或多轴位置控 制模块。这一功能广泛用于各种机械，如金属切削机床、金属成型机床、装配机械、 机器人和电梯等。j t i ：i p l c 和计算机数控装置组合一体，可以实现离散、分级的数值 控制，组成数控机床控制系统。 3 过程控制 过程控制是指对温度、压力、流量等连续变化的模拟量的闭环控制。现代大型 p l c 都配有p i d 子程序或p i d 模块，可实现单回路，多回路的自动调节控制。 4 计算机的下位前端级控制 p l c 与p c 机联出系统，p c 机起到原编程器及人机界面操作站的作用，这为系统 集成带来了商机，同时编程软件和人机界面软件及软件接口也得到了发展。近年来， p l c 厂家在原来c p u 模板上增加了各种通讯接口，而且提供完整的通讯网络。 1 3 2 模糊p i d 控制在液位控制中的应用 。 一 在工业生产过程中，随着系统的运行，其控制对象的过程参数会有可能发生改变， j 液位控制系统随着液位的变化或干扰因素的影响，液位超调后，用传统的控制方法难以 。 得到很好的效果。另外对于p i d 控制，若条件稍有变化，则控制参数也需要调整。自适 应控制应用现代控制理论在线辨识对象特征参数，实时改变其控制策略，使控制系统指 标保持在比较好的范围内。但由于操作者经验不易精确描述，控制过程中各种信号量以 及评价指标不易定量表示，而模糊理论正是解决这一问题的有效途径。 人们运用模糊数学的基本理论和方法，把规则的条件操作用模糊集表示，并把这些 - 8 - 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 模糊控制规则及有关信息( 如评价指标、初始p i d 参数等) 作为知识存入计算机知识库 中，然后计算机根据控制系统的实际响应情况运用模糊推理，实现对p i d 参数的最佳调 整。 从以上的分析可知，模糊自整定p i d 控制应用在具有明显的非线性系统中，如液位 控制系统，可以获得很好的控制性能。大量的理论研究和实践也充分证明了用模糊自整 定p i d 控制去解决过程控制系统的非线性是一个比较好的解决方法【1 3 】。它不仅能发挥模 糊控制的鲁棒性好、动态响应好、上升时间快和超调小的特点，又具有p i d 控制器的动 态跟踪品质和稳态精度。因此在液位控制系统的控制器设计中采用p i d 参数模糊自整定 控制，实现p i d 参数的在线自调整功能，可以进一步完善p i d 控制的自适应性能。在实 际应用中也取得了较好的效果。 1 4 本文的主要工作 本文主要基于网络环境对液位p i d 的控制、模糊p i d 控制的研究。针对工业过程控 制中存在的滞后现象，采用模糊p i d 算法，通过m a t l a b 计算模糊控制查询表p l c 实 时调用的方法的实现模糊控制。设计了p l c 控制程序，上位机w i n c c 的监控界面， m a t l a b 模糊p i d 控制模型的建立。通过大量实验研究表明，模糊p i d 控制算法取得 较好的控制效果。 论文各部分内容概括如下： ( 1 ) 在绪论中首先对网络控制系统进行了描述，阐述了网络控制系统的基本问题， 并对集散控制系统、现场总线控制系统和以太网控制系统进行了简述。 ( 2 ) 设计了液位控制系统的控制算法，首先研究了p i d 控制算法的产生、发展及 特点，模糊控制算法的产生、发展及特点，重点研究了模糊p i d 控制算法及其改进算法 的原理、结构、发展及设计步骤，并完成本文液位控制系统模糊p i d 控制算法的设计。 ( 3 ) 设计完成基于网络环境液位控制系统，设计了三容水箱的数学模型，就和三 容水箱对象的系统构成，硬件构成，软件构成，硬件组态，网络组态展开叙述，并且完 成了监控与组念画面的设计。 ( 4 ) 具体设计了控制算法程序，在此基础上对数字p i d 算法及模糊p i d 控制算法 进行了实验研究。通过大量的实验和对实验结果的分析证明了本文设计的基于工业以太 网和现场总线技术的液位控制系统结构设计