（控制理论与控制工程专业论文）基于模糊pid控制的先进控制软件的开发.pdf

青岛科技大学研究生学位论文 基于模糊一p id 控制的先进控制软件的开发 摘要 计算机网络与软件的快速发展带来了新一轮的技术革命。要求我们必须尽 快把先进的软件技术应用到先进控制软件的设计中。现有的先进控制软件产品 主要存在如下一些缺点：( 1 ) 功能单一，集成度低；( 2 ) 接口专用，开放性差； ( 3 ) 结构死板，适应性差。本文主要利用o p c 技术研究了先进控制软件的设计 开发与实旆问题。 论文在总结和研究了主要的分布式组件技术c o m d c o m 和o p c 规范的基础 上，提出了分布式组件化先进控制软件设计模式，设计开发了模糊- p i d 控制软 件包。本文的主要工作如下： 1 ) 首先介绍了分布式组件技术的发展历史，c o m d c o m 组件规范及其在工业 控制中的应用。然后论述了o p c 规范的基本原理、制定的背景、通讯方式、应 用场合及o p c 服务器与客户端运行环境的设置方法。提出利用o p c 技术设计具 有分布式、组件化特点的先进控制软件的主要思想。 2 ) 结合模糊控制技术，设计了基于o p c 技术的模糊控制软件包，提出了软 件包的总体框架，及各个功能模块的设计方法。 3 ) 对锅炉燃烧这一具有明显大惯性和非线性特性的工业过程，参考以往的 控制经验，提出了模糊一p i d 复合控制算法。 4 ) 以c e n t u mc s l 0 0 0 为平台，锅炉燃烧过程为控制对象，进行仿真研究。 应用o p c 自动化接口规范实现客户端数据采集，并存入数据库中，同时应用模 糊- p i d 算法求解最佳控制器参数。 最后，在总结全文的基础上，提出了若干有待进一步深入研究和探索的问 题。 关键词：o p c 技术模糊控制软件包模糊一p i d 算法 青岛科技大学研究生学位论文 t h er e s e a r c ho f a p cs o f t w a r eb a s e do nf u z z y p i d c o n t r o l a bs t r a c t i ti sv e r yi m p o r t a n ta n dn e c e s s a r yt oa p p l yt h e s ea d v a n c e ds o f t w a r et e c h n o l o g y i n t ot h e d e s i g no fa d v a n c e dp r o c e s sc o n t r o l ( a p c ) s o f t w a r eb e c a u s eo ft h e d e v e l o p m e n to fi n t e r n e ta n ds o f t w a r e t h e r ea r es e v e r a ll i m i t a t i o n si ne x i s t i n ga p c s o f t w a r ep r o d u c t sa sf o l l o w s ：( 1 ) p o o rf u n c t i o na n dl o wi n t e g r a t i o n ；( 2 ) a p p r o p r i a t i v e d r i v e rw i t hp o o ro p e n - a b i l i t y ；( 3 ) i n f l e x i b l es t r u c t u r ew i t hp o o ra d a p t a b i l i t y t h u st h i s p a p e rm a i n l ys t u d i e st h ed e s i g na n dd e v e l o p m e n to fa p cs o f t w a r eb a s e do l lo p c t e c h n i q u e t h ep a p e rs u m m a r i z e da n ds t u d i e dt h ed i s t r i b u t e dc o m p o n e n tt e c h n i q u e ，e g c o m d c o ma n do p cs p e c i f i c a t i o n ，a n dt h e np u tf o r w a r dt h ed e s i g nm o d eo fa p c s o f t w a r e a f t e r w a r d s ，t h ef u z z yc o n t r o ls o f t w a r ep a c k a g eh a sb e e nd e s i g n e da n d d e v e l o p e db a s e do no p ct e c h n i q u e t h er e s e a r c hw o r k sc a nb es u m m a r i z e d a s f o l l o w s ： 1 ) t h eh i s t o r yo fd i s t r i b u t e dc o m p o n e n tt e c h n i q u e ，t h eb a s i cp r i n c i p l eo f c o m f d c o ma n di t sa p p l i c a t i o ni nt h ei n d u s t r i a la u t o m a t i o nh a v eb e e nd i s s e r t a t e d t h e n ，t h ew e l l - k n o w nr e a l i z a t i o no fa p p l y i n gc o m d c o m i ni n d u s t r ya u t o m a t i o n ，e g o p c ，h a sb e e nd i s c u s s e da b o u ti t ss p e c i f i c a t i o n ，s p e c i a lb a c k g r o u n d ，c o m m u n i c a t i o n m o d e ，a p p l i c a t i o nf r a m e w o r ki ni n d u s t r ya u t o m a t i o na n dt h er u n n i n ge n v i r o n m e n t c o n f i g u r a t i o no fi t ss e r v e ra n dc l i e n t i nc o n c l u s i o n ，t h em e t h o do fu s i n go p ct o d e s i g na p c s o f t w a r eh a sb e e nb r o u g h tf o r w a r d 2 ) b a s e do nf u z z yc o n t r o l ，f u z z y - p i dc o n t r o ls o f t w a r ep a c k a g eh a sb e e nd e s i g n e d t h et o t a lf r a m e w o r ko ft h es o f t w a r ep a c k a g eh a sb e e np r e s e n t e d i t sf u n c t i o nm o d u l e s h a v eb e e nd e s i g n e di nd e t a i l t h i ss o f t w a r ep a c k a g eh a sg o o do p e n a b i l i t y , f l e x i b i l i t y , r e l i a b i l i t y 3 ) f o rt h eb o i l e rc o m b u s t i o ns y s t e mw h oi san o n - l i n e a rc h a r a c t e r i s t i c sa n dl a r g e i n e r t i ai n d u s t r i a lp r o c e s s ，af u z z y - p i da l g o r i t h mh a sb e e np r e s e n t e db a s e do nt h e c o n t r o le x p e r i e n c er e c e n t l y 4 ) t h er e a l i z a t i o nm e t h o do ft h ef u z z yc o n t r o ls o f t w a r ep a c k a g ew a sr e s e a r c h e d b a s e do nc e n t u mc s10 0 0d c ss y s t e m t h ed e t a i la p p r o a c hw a su s i n gc s10 0 0 s i i i 基于模糊- p i d 算法的先进控制软件包的开发 f u n c t i o nb l o c kw i n d o wt oc o n f i g u r et h et h eb o i l e rc o m b u s t i o ns y s t e m ，u s i n go p c a u t o m a t i o ni n t e r f a c et oa c c e s sp r o c e s sd a t aa n dt h e nd e p o s i t i n gt h e mt od a t a b a s e ， a p p l y i n gf u z z y - p i da l g o r i t h mt oc a l c u l a t et h eo p t i m i z a t i o nm a n i p u l a t e dv a r i a b l ea n d d o w n l o a di tb a c kt oc si0 0 0b yo p ci n t e r f a c e f i n a l l y，,on t h eb a s i so ft h es u m m a r i z a t i o no ft h er e s e a r c hw o r ki nt h i sd i s s e r t a t i o n t h ef u r t h e rd e v e l o p m e n ta b o u ta p cs o f t w a r ei sd i s c u s s e d k e yw o r d s ：o p ct e c h n o l o g y , f u z z yc o n t r o ls o r w a r ep a c k a g e ，f u z z y - p i d a l g o r i t h m i v 基于模糊一p i d 算法的先进控制软件包的开发 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中 不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含本人已用于其他学位申请 的论文或成果。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了 明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名： 枷杰岛嗍研年月哆日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解青岛科技大学有关保留、使用学位论文的规定，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。本人授权学校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， 可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。本人离校后发表或 使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成果时，署名单位仍然为青岛科 技大学。( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 本学位论文属于： 保密口，在年解密后适用于本声明。 不保密口。 本人签名： 导师签名： 搿掺 矽彳年矽刖岁日 鬣醐 方 j ji _ 醉纱、 瀚 青岛科技大学研究生学位论文 1 1 课题的提出 1 1 1 课题的研究背景 第一章绪论 工业控制领域是一个高新科技密集应用的领域，许多新的技术进步往往就会 很快在其上体现出来。近年来计算机技术、信息技术和网络技术在工业控制领域 的应用也相应的促使它发生了革命性的变化。工业控制系统的发展经历了好几个 发展阶段，具有代表性的的几个阶段是：单机监督控制系统s c c 、分散控制系统 d c c 、集中控制系统c c s 、分散控制系统d c s 和现场总线控制f c s ，与之相对应 的形成了集散控制系统、先进控制系统、控制决策系统和管理信息系统系列概 念。相应的系统控制软件也由专用、单任务、单机发展到可组态的、通用的、网 络化的阶段，而综合以上几种系统特点的计算机集成制造系统c i m s t l 】【2 】迅速的应 用到许多控制场合。 传统的工业控制软件主要存在以下两方面的缺陷：首先由于其开放性较低， 功能模块联系比较紧凑，导致控制系统非常复杂，使得系统的更新、扩展和升级 变的非常繁琐。对控制系统的某个部分的修改都有可能会对其它部分造成影响， 从而引起一系列的软件和硬件方面的修改。其次传统控制软件开发过程中往往有 些软件程序会被重复开发，而且软件的通用性也比较差。虽然我们可以在使用高 级语言函数库的基础上部分利用已有的源代码，但是仍有很多的可执行程序不能 重用。传统的工业控制软件能够实现人机交互，信息通信，信息处理等功能，并 具有分布式的结构，从而可以将一个大的控制系统划分成许多个小的子系统，这 样系统的性能在一定程度上得到了改善，有利于整个系统的开发和维护。但是因 为没有一个统一的标准的通讯协议来关联各个子系统，属于不同生产商的软件和 硬件很难无缝链接，因此这样做也不能真正实现不同生产商之间的软件共享。 无论是国外还是国内，由于历史方面的困难，先进控制与优化控制还没有得 到更大范围的使用，传统控制依然占有很大的比重。国内控制领域很多还是用集 散式控制系统代替传统仪器，用来串联现场的单个设备，只有很少的场合应用到 了联合装置的集中控制，先进控制技术应用也比较少。还有一点，在控制策略上， 仍然有很多场合采用常规的p i d 控制，但是在很多生产流程中，存在着很多的控 制难点，这些难点是单纯的传统p i d 控制方案无法解决的，这些重要的被控过程 基于模糊一p i d 算法的先进控制软件包的开发 往往具有系统的数学模型难以确定、非线性、时间滞后等特征，约束条件也非常 严格，而且它们大多数是一个流程企业的重要流程部分，迫切需要采用先进控制 策略来解决这些困难阱们。 1 1 2c p s 系统结构 最近一段时间，随着微计算机技术、数据通信技术和先进控制技术的迅速发 展，工业控制界也发生了翻天覆地的变化，形成了集散控制系统、先进控制与优 化系统、事务处理系统、方案指导系统、温和控制系统和信息综合系统等系统。 日益加剧的行业之间的竞争要求石化、冶金、建材、医药等具有典型工业过程的 企业必须利用先进的控制技术，进行过程监控和工艺改造。在计算机集成控制系 统的基础上，产生了c i p s 系统的构想，并应用到上述类型的典型工业企业中【5 。7 】。 c i p s 总共包括六个方面，从现场仪器管理直到控制决断，具体如下：仪器管理层 面、操作执行层面、模块单元控制层面、工艺流程监督层面、信息管理层面、总 体策略层面。上述六部分层面的应用需要实时及关系信息管理系统、流程控制系 统、原料配比监控系统等关键软件平台的支撑来实现【6 】。力求在采用p c 技术、 先进控制技术并结合相关的生产工艺的基础上，构建包括流程控制、数据管理、 企业决策、先进控制及传统控制在内的决策并指导全部工业流程的的综合化软件 平台，最终实现使用者生产效能和产品质量的提高；其中软件平台的构建和控制 系统的有效整合是c i p s 的核心。c i p s 系统的总体结构框架一般可以用下图1 1 表示【8 1 。 2 青岛科技大学研究生学位论文 图1 - 1c 口s 体系结构图 f i g 1 - 1c i p sa r c h i t e c t u r e 许多国家从8 0 年代末就已经在适合的企业中针对上图所示的c i p s 结构框架 开展实践及实验，并在实际应用中得到了许多研究成果及经验。结合大量的实践 经验人们发现：一个具有典型的工业流程的企业，在构建c 口s 系统时，应该依 照“总体规划、分步实旌”的程序来进行，这其中重要的一点是规划好构建系统所 需要的底层设备。现在的情况是各个典型流程企业已经初步建立起了传统的控制 系统，因此c i p s 体系中的传统控制层面实现起来是相对简单的【9 1 。先进控制技术 是深入实行优化流程控制及指导生产过程的根本，因此它的目的一般是为了改进 传统控制的缺陷，以及用于控制传统控制难以奏效的非线性，多对象过程1 0 】【1 1 】。 从图1 - 1 可以看出，它在一般情况下界于传统控制层面与先进控制层面二者之间， 是传统控制层与先进控制层的纽带，用于保证生产流程的顺利进行，并为进行设 备改造做好铺垫。 现阶段许多国内外的典型流程工业企业都在大范围的使用流程自动化控制 软件【1 2 _ 5 1 。我国近年来在这一领域中投入了大量的人力物力。流程自动化软件的 开发是先进控制技术的核心，一方面它包括软件开发这一重头部分，另外一方面 他还关系到实施相关控制软件而需要与之配套的其他的一些技术支持。如果自动 化流程软件能够得到合理应用，必将会为实体工业生产效益的提高带来很大的帮 助。现阶段，在先进控制软件结构开发方面我国科研机构及企业有了很大的进步， 3 基于模糊- p i d 算法的先进控制软件包的开发 并且也开发出不少比较成熟的产品，如亚控科技的组态王，s c a d a 、中控信息公 司的a d v a n t r o l 等。但是在通用生产流程软件平台和工业综合控制软件等方面虽 然已经取得了不小的研究和实际成果，却基本上没有形成可大范围应用的产业。 先进控制的重要特征有：首先与常规的控制技术相比较而言，先进控制技术 有明显的不同，比如：基于专家知识的模糊控制和基于预测模型的预测控制等。 现阶段预测控制和模糊控制正成为先进控制的主流发展趋势。其次，控制对象不 同。当控制对象为存在大滞后、多变量、约束条件复杂等特性的过程时，此时传 统的控制策略难以取得理想的效果，我们一般采用先进控制技术。根据目前先进 控制的应用前景来讲，未来先进控制策略的主要方向将会是模糊控制、预测控制、 智能控制等，会为国内实体工业如：石化、冶炼等企业的工艺改造、技术优化带 来有力影响。特别的作为在典型流程企过程控制中得到应用大范围，高成功率应 用的控制策略之一的模糊控制，产生了多种控制方案，如模糊集成控制、模糊自 适应控制、专家模糊控制等。 但是在一个生产过程复杂的工业企业中，其采用的控制设备往往存在供货商 多，产品规格不统一等问题，以上这几点是大多数企业实施先进控制系统的最大 的阻力来源【l 引。一般工厂中的控制设备有多种类型，不同的控制设备需要不同的 通讯协议和网络接口；另外现在工厂对生产流程总的实时数据一般都要求能够实 施的进行读取，即对数据的实时访问要求比以前要高的多，比如先进控制软件和 数据库与其配套的d c s f c s 之间要有实用化很高的接口软件，如果碰到个别的 事件，像采购的d c s f c s 并不是采购单中要求的时，能够提供其他的合适的接 口软件，并且二者的接口之间必须尽量减少发生通信中断或者阻塞的可能性。这 些都对先进控制软件和实时信息数据库的稳定性提出了很高的要求。但是现阶段 所使用的先进控制软件平台和实时信息数据平台在处理上述难点上还是有很大 的困难。而且，由于平台的互通性较低，数据交流比较困难，给系统的深层次集 成造成不小的麻烦。基于这些问题，国外一些企业基于微软的c o m 技术，针对 现场控制系统提出了o p c 标准规范，这样不同接口之间的数据访问的难题就从理 论上得到了根本性的解决【1 。7 1 。 我国企业信息化建设的前沿主要集中在钢铁，石油，水泥等行业。他们在经 过自己的先进控制系统实施过程后，得出如下经验：底层应用软件基础的建设是 先进控制系统实施的核心问题。由于以前没有重视这个问题，目前各类软件之间 的数据互通，互控和协同工作很难做到畅通无阻。我们要实现“统一标准、统一 规划、统一投资、统一建设和统一管理”，这才符合一个企业的长远的战略要求， 并且也顺应国家所提出的2 1 世纪企业的发展思路，当然这一切的前提是构建一 个是统一化和标准化的平台【1 8 珈】。采用分布式组件技术以及基于该技术相关的标 4 青岛科技大学研究生学位论文 准化规范如o p c 和x m l 标准等是解决这一问题的必由之路。 1 2 c o m 技术应用简介 作为近年来最有影响力的软件技术之一的分布式组件技术【2 l 】【2 2 】，其代表是由 微软公司首创的的c o m 分布式组件技术。c o m 技术在典型过程控制场合中已经 得到了广泛应用，大多数的工业自动化控制设备都应用到c o m 技术，并在流程 过程控制系统形成了信息交换接1 ：3 规范o p c 。该规范自出现以来，在很多场合得 到了迅速的应用，大部分的的工业自动控制设备都可以通过o p c 接口实现互访。 在进行组件集成和运行时，我们一般是在框架这种结构下进行的。分布式组 框架这一概念正是由分布式组件技术的应用而提出的。框架负责组织和处理经由 分布式组件技术编制的_ 部分实用化程序组件。这样通过框架就可以实现这些组 件的调用，各个单独的组件之间就不用进行交互了。此外，作为自动化软件开发 的标准处理办法，框架可以在其他一些不同的场合中进行反复调用，就如同调用 一个个组件一样，这种方式为进行深层次的程序复用打下了基础。从传统意义上 来说我们可以把框架大体划分为三种类别：水平式框架、垂直式框架和复合式框 架。水平式框架是一类传统用法上的框架结构，它并不止应用在某些特定的场合； 垂直式框架一般是作为用来处理某些特殊场合的一些个别问题的框架结构；复合 式框架是一种专门处理各种信息和文本文件的框架结构，如j a v a b e a n s 、o p e n d o c 、 o l ed o c u m e n t 等。基于以上思路，作者采用了如下图所描述的典型工业流程控 制软件平台 2 3 2 4 1 。 5 基于模糊- p i d 算法的先进控制软件包的开发 d c s f c s p l c 图1 2 基于c o m 的工业自动化分布式应用平台 f i g 1 - 2i n d u s t r ya u t o m a t i o nd i s t r i b u t e da p p l i c a t i o np l a t f o r mb a s e do nc o m 从图中可以看出，基于c o m 的典型工业流程控制软件平台能够让 c o m d c o m 和w e b 技术有一个充分施展的舞台。在编制工业流程自动化控制软 件时，整个软件可以划分成几个功能模块，比如实时信息库模块、通讯管理模块、 报表程序模块、报警程序模块、动态显示模块等，每一个模块进行独立的编制、 纠错、链接。完成之后，把这些标准模块依据其具体职能结合起来，就可以组合 成典型流程控制软件。这种独立开发的方法让程序开发者可以很方便的编制典型 工业流程控制软件，而且能够根据使用者的要求随时增减或替换系统模块。 本文在o p c 技术规范的基础上研究设计了一种分布式、模块化的模糊控制软 件。旧有的流程控制软件存在以下些缺点：由于不同的设备需要不同的驱动程 序，因此系统中存在多少种不同的硬件设备，程序编制人员就要编写多少种不同 驱动程序，如果系统需要进行改造，那么就会带来部分硬件设备的变化，这时又 需要重新编写新的硬件的驱动程序。因此为硬件设备设计驱动程序就会相当繁 琐，造成大量不必要的浪费工作，既浪费企业财力，又需要漫长的研发时间。图 1 3 ，1 - 4 对比了两种数据访问方式的区别，可以看出采用o p c 技术能减少很多繁 琐的驱动程序开发。微软的c o m d c o m 技术是o p c 技术的核心。作为微软公 6 青岛科技大学研究生学位论文 司工业型组件化组网结构体系( d n a - m ) 中的核心组织结构，它为工业流程控制软 件与嵌入在0 p c 中的硬件驱动程序之间的提供了一种标准化的访问规范。o p c 接 口是一种标准化、规范化的接口，每一个o p c 用户都能够连接到由相同或者不同 厂家生产的控制台上。只要是符合o p c 规范典型工业流程控制软件，基本上都能 够顺利的访问所有嵌入在0 p c 中的硬件驱动程序，而且不用经过一些复杂的改动， 这样软件开发企业就可以不再为每个不同种类的硬件设备去一一开发不同的驱 动程序【2 5 1 。在这种模式下o p c 使用者能够和处在同一局域网内的计算机上的o p c 服务器端进行顺畅的数据通信，从而为控制软件进行互联操作留下了开发空间。 图1 - 3 一般的信息访问方法 f i g 1 - 3c o n v e n t i o n a ld a t aa c c e s s i n g 显示 应用程序 趋势 应用程序 o p c 报表 应用程序 驱动程序li 驱动程序il 驱动程序li 驱动程序 麓h d c s h 眦 智能 仪表 图l _ 4o p c 模式下的信息访问方法 f i g 1 _ 4d a t aa c c e s s i n gb a s e do no p c 随着o p c 技术在各个大中型流程企业广泛应用，o p c 技术的优点会越来越 显著： ( 1 ) 一种硬件设备只需要提供一套符合o p c 规范的驱动程序； ( 2 ) 进行硬件设备升级换代时，软件开发企业也不需要重写驱动程序； ( 3 ) 企业可以有更大的范围来进行设备选型。 随着o p c 技术的深入挖掘，人们已经可以比较方便的集成一个具有复杂流程 的工业自动化控制系统了。下图所示的是一种架构于o p c 规范之上的典型分布式 流程控制计算机结构图。 7 基于模糊- p i d 算法的先进控制软件包的开发 瞳鹰用载件 匀i 篓麓增光誊警笺差蔫亿簟奋誊数耋篙整- 峨羹曩麓舞盯，呻， 图1 - 5 基于o p c 的工业自动化计算环境 f i g 1 - 5i n d u s t r ya u t o m a t i o ne n v i r o n m e n tb a s e do no p c 1 3 先进控制软件应用概况 目前，控制软件的应用场合越来越多，应用深度也越来越深，以前的那种单 个的小规模的应用模式已经逐渐不能达到用户的使用标准，为迎合这种变化，广 义集成软件学科和模块集中化平台，这些新的学科方向应运而生。由于一般的工 业流程很难用统一的数学模型去描述，并且很多企业并不具备一个规范的应用基 础，而且往往先进的控制算法( 模糊控制算法，预测控制算法等) 比较复杂，同 时不同的软件系统之间也很难进行数据共享。这一方面增加了软件开发的繁杂程 度，另一方面给工程应用带来了很大的困难。一些研究数据显示，因为平台基础 薄弱，数据共享性差，世界范围内一个年度用于数据开发的经费就需要多出达数 十亿美元之巨。本着提升经济效益的目的，国外几大著名过程控制系统开发企业 开始倾向于使用专门的软件开发企业的系统，而原来则是以自我研发为主，问题 也随之而来：不同软件企业所开发的软件在通用性和互访性上存在冲突。本文中 研究的先进控制软件平台就能够顺利处理这方面的难题，控制软件平台的主要目 的就是在公众认可的软件开发规范的模式上，创立一个开放的并且支持广义模块 集成的开发基础，最终实现软件模块之间的信息共享，并使得各个软件模块可以 在一个规范的平台之上规律的使用。实践及研究表明，一个规范的稳定的的应用 基础是实施先进过程控制的核心要素。这个规范的基础应该具有以下几点：首先， 制定的先进控制方案必须非常吻合其所要控制的工业过程；其次在这个控制系统 中，传统的控制系统必须也要能够正常运行：最后控制系统中的各个控制回路必 须要工作在自动状态，并且能够稳定工作【2 6 】。 8 青岛科技大学研究生学位论文 在目前流程自动控制方面，先进控制技术的应用是它的一个主要发展趋势。 但先进控制软件目前在通用性、平稳度、扩展性方面存在着较大短板，这在很大 程度上束缚了先进控制技术的实际使用效果。现阶段来说复杂的工业生产流程 ( 从数学模型上说) 以及缺少有效的集成方案是先进控制实施的两个关键难点 口7 1 。具体难题有如下几点：1 、控制系统接口繁琐，难以实现信息集成2 、项目时 间比较长3 、人机接口不理想等。目前采用的离散式控制系统及两者间的互通讯 的设计模式在克服上述困难，降低集成的复杂度，提高系统的平稳度和扩展性方 面，已经显得力不从心。提供规范化的先进控制和优化控制软件平台及相关应用 是解决上述问题的关键。这就为我 f l 弓l 入c i p s 体系结构的先进控制层思想，提 出集成化先进控制软件平台的概念提供了契机。实施先进控制策略和整合信息是 c i p s 的重要基础。通过平台，我们可以规范化和抽象化的描述各种硬件和软件系 统，并能够为先进控制软件提供规范的通用的的接口方案，可以淡化先进控制软 件与具体的硬件和软件之间的关联，通用性和可扩展性更强。实际上先进控制软 件平台是为将先进控制与流程控制系统隔开而设置的规范化的信息访问和调用 模块。先进控制软件平台包括一整套设计系统和整合的开发方案，它的主要应用 目的是为了降低先进控制在项目施行的繁杂度，改善工程施行的效果，满足工业 流程的复杂性特点。软件平台通过采用规范化的数据采集访问流程，为数据访问 和应用连接提供公共服务，实现了现场不同类型软硬件和数据存储机制之间的互 访，而且还给用户一种规范化的访问方法，能够使在不同的控制场合中的各种方 案能得到迅速且高效的整合。 以前的软件平台一般被当成是提供编程支撑的框架，它被作为一个规范模板 通过a p i 系统为系统整合提供帮助，主要侧重点在于软件程序的开发，系统整合 功能不够全面。在近二三十年来，在一些分布式的环境下也开始应用模块化的平 台来整合，这些平台也具有了初步的组织结构，整合的的深度也有了进一步扩充， 应用到决策、监督和生产过程等方面，但在规范化和开放性方面还不尽如人意【2 8 1 。 如今，国外部分走在前面的自动化控制软件厂家率先提出了先进控制软件和软件 整合平台的思想，并已有一些产品被整合到先进控制软件平台上来，如a s p e n ， a b b ，a i ，h o n e y w e l l 和f o x b o r o 等公司。一方面整合的先进控制软件平台能够降 低c i p s 系统整合的周期和难度；另一方面，先进控制软件平台的规范和通用性 强，能满足采购厂商多种多样的需求。如果把来自工程控制平台的组织架构、互 访设置、通讯协议、数据结构信息传送并存储到控制系统中，系统将会变得更易 于调整和扩容；除此之外还能够加快控制接口等的标准化进程，在软件平台和设 备之间建立规范化的接口就能够方便的提高系统的通用性。综上所述，软件平台 有着很大的优势：降低用于控制系统集成的投入，节约成本；改善先进控制系统 9 基于模糊一p i i ) 算法的先进控制软件包的开发 的可扩展度和平稳运行的能力。因此先进的工业流程控制平台是c i p s 中先进控 制层实施的发展潮流，将会在工业过程自动化控制中得到广泛应用。 1 4 论文工作安排 经过近些年的技术进步，先进工业自动化控制技术己经具备了实用化的软件 市场，在各个工业场合得到了广泛的应用。本文基于o p c 技术开发了的分布式、 模块化模糊控制软件，提出了模糊控制软件包的组织架构及附属的功能组件的开 发思路。并应用o p c 协议，使用v b 语言实现了o p c 客户端和实时数据库。 本文总共分为6 个章节。第一章中简述了课题的研究背景及研究意义，然后 概述了工业过程控制软件的应用与发展情况。第二章介绍了c o m 技术基础，三 个o p c 技术规范、组织架构、适合的工业环境、具体环境下的设置方案。第三章 在o p c 规范的基础上开发了的分布式、模块化模糊控制软件包，研究设计了模糊 控制软件包大体构架，并对各模块的结构及功能进行了具体的设计。第四章采用 燃气锅炉作为控制对象，通过对该系统的研究分析，决定采用模糊一p i d 算法对其 进行模拟控制，并在m a t l a b 中对控制方案进行仿真。第五章以c s l 0 0 0 为平台 进行控制系统系统组态，实现了0 p c 客户端和实时数据库。最后是对本次论文撰 写进行了总结与展望。 l o 青岛科技大学研究生学位论文 第二章o p c 技术规范 2 1c o m 技术基础 3 0 1 3 1 】 c o m 是m i c r o s o f tc o r p o r a t i o n ( 微软) 公司开发的一种以软件组件为最小执 行单位的对象模型，简称组件对象模型，各软件组件之间以某种方式进行统一协 调。c o m 可用于提供一些具有特殊性的软件包和商业化应用程序之间的相互连 接。同时c o m 也可用来研发组件。基于c o m 技术的不断发展，程序人员能够 开发设计出各种不同的功能专一的组件，再将它们按照某种特定次序结合起来， 便可以构成很多结构复杂而功能多样的应用系统。这样做有它的独特之处：( 1 ) 在多个应用系统中可以重复利用同一个组件模块；( 2 ) 由于c o m 技术与计算机 语言及平台的关联性不强，程序人员可以根据自己的习惯编写组件模块；( 3 ) 用 新的模块取代原系统中旧的模块，能够方便的对整个控制系统进行规范和更新换 代。 自定义c o m 组件的开发类似于面向对象的、动态的a p i ( a p p l i c a t i o n p r o g r a m m i n gi n t e r f a c e ) 的开发。从本质上来讲，组件就是一段很小的二进制可执 行程序，它们是服务于可执行程序操作系统以及其它模块系统的。多个c o m 组 件连接起来就能够构成大的可执行程序或模块系统。当程序或者说控制模块运行 时，在不被重新链接和编译应用程序的情况下，已有的模块允许被卸载或被新的 模块所取代。c o m 其实就是一种编程方法，和面向对象编程方法以及模块化编 程方法一样，因此说它是一个大型的a p i 的说法是错误的。c o m 技术可适用于 多种操作系统，而不仅仅局限于w i n d o w s ，在任何一种其他的操作系统中，开发 人员均可按照这个原则来开发。 具体来说单个的二进制文件就能组成一个应用程序，在编译器生成应用程序 之后而在对下一版本进行重新编译并发布生成新的版本之前，应用程序不应该发 生任何改变。如果应用系统软件、硬件或者客户要求有变化时，必须等到整个应 用程序被重新生成后才能运行。由于c o m 技术的不断发展，这种情况已经开始 逐渐改变。单个的应用程序被程序开发者划分成多个独立的部分，这便产生了上 述中的组件。组件的最大优点是：可以把旧有的组件用新的组件取代，这样应用 程序便可以慢慢随着新的组件不断取代旧的组件达到功能改进的目的。同时在原 有组件的基础上，使用者可以方便的建立新的应用程序，实现新的功能。在建立 应用程序的方法( 组件构架) 上传统的方法与利用组件有较大的区别。传统方法 是把应用程序分割成许多文件、模块或类，然后通过编译并最终链接成一个单独 基于模糊- p i d 算法的先进控制软件包的开发 应用程序。 组件可具体理解为微型的可执行程序，是已经编译、链接好并能够直接调用 的二进制代码程序。自定义组件可以在运行时同其它的组件连接起来以构成某个 应用程序。因此，应用程序其实就是由许多个这样的自定义组件编译链接好并可 以直接使用的二进制代码组成，而相应的单模应用程序只包含一个二进制代码模 块即只含一个组件。当具体某个应用程序需要进行更新或者修改时，只需要将该 应用程序中的用新的版本代替这个组件即可。 由于各个控制设备厂家开发的c o m 组件存在差异甚至互不兼容，导致了彼 此间不能互联。所以要实现控制管理系统和下属控制设备的通讯，就必须提供一 个标准化的规范的工业c o m 接口，o p c 的目的就是为大家提供一个这样的工业 标准。 p v t a b l e v t a b l e l 翅! n 士鸶左牛 l - l士鹭外li手旨针函数1 l 放i - - - ij 目节1 ， 丁日节i 1 r 手旨针函数2 j r r x , j - 象实现 手旨针函数3 - 。 图2 1 接口结构 f i g 2 1 c o n f i g u r a t i o no f t h ei n t e r f a c e c o m 接口的结构框图如图2 1 所示，c o m 接口是c o m 对象与客户实现互 通的枢纽。c o m 技术是与计算机语言无关的，c o m 接口的内存块均具有相应的 标准结构。c o m 定义了接口的进制格式，客户可以随时使用对象的函数，而不 用管c o m 对象的编程语言。 2 2o p c 规范f 3 2 j o p c 技术已广泛应用于国内外控制系统中，符合o p c 规范的软、硬件在工 业自动化领域得到了广泛地应用并有着广阔的发展前景。在o p c 技术的应用方 面，国内控制设备生产厂商面临着巨大的机遇和挑战。目前，o p c 技术在国内外 的工业控制领域中，主要应用包括以下几个方面： 1 、数据采集技术：主要是o p c 在数据采集软件中的应用。 2 、报警和事件处理：o p c 可以更好地捕捉工业控制过程中的各种报警和事 件并能给予及时的处理。 1 2 青岛科技大学研究生学位论文 3 、历史数据访问：对存储在远程终端设备、过程数据存档文件或数据库中 的历史数据，o p c 提供了一种读取、存储这些数据以及对其进行相应操作、编辑 的方法。 针对以上三方面的o p c 应用，o p c 主要发布了如下三个规范：数据访问接 口规范( d a t a a c c e s si n t e r f a c es t a n d a r d ) 、报警及事件处理规范( o p ca l a r m sa n d e v e n t s ) 和历史数据存取规范( h i s t o r i c a ld a t a a c c e s s ) 。下面将对此三规范做详细 介绍。 2 2 i 数据访问接口规范( o p cd a t aa c c e s ss p e c i f i c a t i o n ) o p c 数据访问接口规范中大致存在以下几种对象：服务器对象、组对象和数 据项对象。o p c 对象体系如图2 1 所示： 图2 - 1o p c 对象体系 f i g 2 - 1o p co b j e c ta r c h i t e c t u r e ( 1 ) 服务器对象( s e r v e r ) 服务器对象与分区是一一对应的，其对应分区里面有该服务器的全部基本信 息，包括版本信息、供应商、服务器所在的机器名等，同时服务器对象可作为组 对象的包容器。在一个服务器对象中一般情况下含有多个组对象。 ( 2 ) 组对象( g r o u p ) 组是一个应用程序用来整合数据的单位，组对象里包含本组的全部数据。组 在维护其与自身相关的数据的同时，还负责管理o p c 数据项。在一个组中，可以 有若干个数据项。o p c 组对象提供了一种整合数据的方法，客户可以利用组对象 定义客户端的数据更新速率。当客户端服务器缓冲区内的数据发生改变时，o p c 将会将此变化通知客户，以方便客户迅速获知数据变化并进行相应的操作，这样 便在一定程度上改善了访问效率。o p c 中的组有公共组和私有组之分。公共组数 据可以被多个用户共同使用，而私有组只能被某一个特定用户使用。 ( 3 ) 项( i t e m ) 基于模糊- p i d 算法的先进控制软件包的开发 o p c 项一般从属于某一个组，不能脱离组单独存在。我们可以添加多个o p c 数据项到组对象中去。o p c 项表述了服务器与数据源的连接关系。一般情况下， o p c 数据项对应系统中的某个寄存器单元。用户通过数据项来完成对设备寄存器 的操作。o p c 规范通过定义数据项，把设备的特定资料最大程度上遮掩起来，使 得o p c 服务器的可扩展性明显改善。客户并不能对o p c 数据项进行直接的设置， 因为o p c 数据项并不提供对外接口，其通过组对象来进行全部设置。数据项的数 据结构由三个变量组成：名称、数据值和时间标签。与现场总线中描述的相类似， 数据值代表着该数据项的内在属性( 包括数据的好坏及是否正常通讯) 。数据值 的类型为v a r i a n t 。 在o p c 的标准中，接口主要分为自定义接口和自动化接口 3 3 3 4 l 两种。两者 间相互独立。o p c 组件与o p c 对象的接口和使用方法一般通过自定义接口描述， 一般用在o p c 服务器程序和o p c 客户端的c + + 语言研发生产上；自动存取、配 置过程控制数据的接口通过自动化接口提供，能够方便的使用o l e 自动化服务器 应用程序接口的等高级商用软件，具体包括d e l p h i 、v i s u a lb a s i c 、e x c e l 等。o p c 服务器必须提供自定义接口，而对自动化接口没有特定要求。自定义接口包括服 务器对象接口、组对象接口和位号项接口，下面将对其进行一一讲述。 ( 1 ) 服务器对象接口( 图2 。2 ) hl n k n o w n i o p c s e r v e r i o p c c o m l t l o n i o p c s e r v e r p u b l i c g r o u p i