【期刊论文】PLC实现的模糊PID控制器研究.pdf

2 0 0 9 年3 月 第1 9 卷第2 期 榆林学院学报 j o u r n a lo fy u l i nu n i v e r s 玎y m 2 0 0 9 v 0 1 1 9n o 2 p l c 实现的模糊p i d 控制器研究 张林鹏，李好文 ( 西安理工大学自动化与信息工程学院，陕西西安7 1 0 0 4 8 ) 摘要：设计了模糊p i d 控制器，在m t l a b 环境下离线计算出了查询表，采用西门子s 7 3 0 0 在s t e p 7 软件中利用查表法实现了程序的设计。结合一阶模型进行实验，结果表明，这种方法能在线调整p i d 参 数，取得了不错的效果。 关键词：模糊p i d ；m a t l a b ：s 7 3 0 0 ；s t e p 7 中图分类号：t p 2 7 3 + 4 文献标识码：a 文章编号：1 0 0 8 3 8 7 1 ( 2 0 0 9 ) 0 2 0 0 4 0 0 4 1 引言 在工业控制中，p l c 的应用极其广泛，如果把模 糊控制技术与p l c 结合起来，应用p l c 来实现模糊 控制器，将会使模糊控制在工业控制中发挥更大的 作用。虽然现在已有一些p l c 生产厂家备有模 糊控制模块供用户选用，但其价格非常昂贵。显然， 若在原常规控制系统的硬件基础上，利用软件编程 来实现模糊控制器，将会降低模糊控制系统的成本。 本文设计模糊p i d 仿真算法，用离线生成表，在线查 询的方法，用s t e p 7 实现软件编程。 2 模糊p i d 控制器的设计 2 1 模糊p i d 控制器的结构 常规p i d 控制器算 法形式为心】 k u ( k ) = k e ( k ) + k 。孕( j ) + k d e ( k ) - e ( k 1 ) ( 1 ) 根据递推原理可得 k i u ( k 1 ) = k ，e ( k 1 ) + k 。善e ( j ) + k d e ( k 1 ) 一 e ( k 一2 ) ( 2 ) 用式( 1 ) 减式( 2 ) ，可得增量式p i d 控制算法： a u ( k ) = k p e ( k ) 一e ( k i ) + k 。e ( k ) + k d e ( k ) 一2 e ( k 一1 ) + e ( k 一2 ) = k p e ( k ) + k l e ( k ) + k d a e ( k ) 一a e ( k 1 ) ( 3 ) 式中，a e ( k ) = e ( k ) 一o ( k 1 ) ；k 。为积分时间系 数，k ，：下k px t ；k 。为微风时间系数，k 。：坠；生； i i a u ( k ) 为控制器的输出；e ( k ) 为第k 时刻的采样误 差值；e ( k 1 ) 为第k i 时刻的采样值；k ，为比例 系数；t 为采样时间。 模糊p i d 控制系统实现对p i d 的3 个参数自动 校正，结构主要由参数可调整p i d 和模糊控制器组 成，它的输入是偏差e 和偏差变化率e c ，输出是 k p 、k 。和k d ，在线调整p i d 参数。在运行中 通过不断检测e 和e c ，根据模糊控制原理来对3 个 参数进行在线修改，以满足不同e 和e c 对控制参数 的不同要求，而使被控对象有良好的动、静性能。其 结构如图l 所示。 图1p i d 参数自适应模糊控制器系统框图 2 2 模糊p i d 控制器的设计步骤 2 2 1 各变量的论域、量化因子和隶属度函数的确 立。选用一个双输入三输出的二维模糊控制器。 控制器的输入变量为速度的偏差e 和偏差的变化率 e c ，输出变量为k p 、k 。和k 。，相应的模糊集合分别 为：e 、e c 和k p 、k i 、k d 。 1 假设电机用一阶模型g ( 8 ) = 丁旨代替，额 u 工墨r1 定转速设定为2 9 8 0 r m i n ，则误差e 的基本论域设为 一2 9 8 0 ，2 9 8 0 ，e c 的基本论域设为 一2 9 8 0 ， 2 9 8 0 ，e 和e c 的论域为 一6 ，一5 ，一4 ，一3 ，一2 ， 一l ，0 ，1 ，2 ，3 ，4 ，5 ，6 ，模糊集为 n b ，n m ，n s ，z o ， p s ，p m ，p b ，k p 、k i 、k d 的论域为 一6 ，一5 ，一4 ，一 3 ，一2 ，一l ，0 ，1 ，2 ，3 ，4 ，5 ，6 ，模糊集为 n b ，n m ， n s ，z o ，p s ，p m ，p b 。 收藕日期：2 0 0 8 一l o - 2 9 作者简介：张林鹏( 1 9 8 3 一) 男。陕西子长人，在读研究生，研究方向为电力传动自动化。e - m a i l ：p e n g p e n 9 7 5 2 2 1 6 3 。m 万方数据 张林鹏，李好文：p i c 实现的模糊p i d 襁制器研究 4 1 e 的量化因子和e c 的量化因子算出为k i = k 2 = o 。0 0 2 0 1 ，本文檬据吴俸情援来调整毖铡因予，输 出变量的比例因子分别为：k 3 = o o l 、k 4 = o 0 0 9 和 k 5 = 0 0 0 5 。将隶属函数曲线都选为三角形形式。 2 2 2 根据经验建立模糊控制器的控制规则。 根据p i d 参数自整定原裂建立控剃器的摸凝规熙如 下：以k ，为例，如表l 所示。 表1k ，的模糊控制规则 e c 心， n b n 醚瓣sz 0l 垮p 凝l 器 n bp bp bp mp mp sz oz o n mp bp bp mp sp sz on s n s礅p 殛p 鲢 p s z o ， 黼潞 z op 醒p髓psz on sn 觚n 酲 p sp sp sz on sn sn mn m p mp sz on sn mn mn mn b p bz oz on i 蛭n mn mn bn b 2 。2 3 建立蠢询表。在m a t l a b 环境下建立模 糊控制规则，模糊控制器编辑完成后，将其保存在一 个名为a f i s 的文件中以备调用。利用e v a l f i s 函数 编写m 文件离线计算调整袭引，m a t l a b 程序如 下： l i s t = z e r o s ( 1 3 ，1 3 ，3 ) ； f o ri = 1 ：1 3 f o r j = l i l 3 e = - 7 + i ； e c ( j ) = - 7 + j ； l i s t ( i ，j ，：) = e v a l f i s ( e ( i ) ，e ( j ) ，a ) ； e n d e n d l i s t c e i l ( 1 i s t ) 可得到3 个1 3 行1 3 列的矩阵，即为k p 、k l 和 k d 的模糊控制表，以k p 为例得到的模糊控制查询 表，如表2 所示。 表2k p 的模糊控制查询表 e c n 一65432一l0l23456 6666544碡432o王0 566654 4 44321一ll 466654433320一l一2 3555544322lll一2 24 4 44 44 3 2 01 - 2 - - 2 - 2 一量4444422lll一222 04444320122333 l4 4 4 2 2lll一2233 3 23332ol一2222333 3322lll一2222344 43 2 一l一22 33333 45 520一l一2223334445 6o ll一233 33 3455o 2 2 4 模糊控制输出。 输出控制量的变化 a k ，、a k ；和k n 分舅乘以各自的毙例因子得到 控潮量变诧精确值的过程。 3p l c 程序设计 3 1 硬件配置在s t e p 7 中实现模糊p i d 控制器 s 7 3 0 0p l c 硬件配置如图2 所示。 3 。2p l c 程序实瑰方法本文采用查询表方法实 现，将离线计算得翻鲍k ，、k ，和k 持的模糊控制袭 存到p l c 的d b 2 0 、d b 2 1 和d b 2 2 中，在每一个采样 周期将计算得到的误差值e ( k ) ( k = 0 ，l ，2 ) 和误 万方数据 4 2 榆栋举院学报2 0 0 9 年第2 期( 总第7 9 期) 差变化e ( k ) 一e ( k 1 ) ，经过限幅最化处理后，分 剃乘以各皇的量能因子，根据它们所对应的输入模 糊论域中的相应冗素，利用编制好的查询模糊控制 表的子程序，查询模糊控制表，取得以相应论域疲询 表所需的数值，输如所需的控制量的变化a k p 、 k ；和k b ，分别乘以各壹豹院铹因子便是实际参 数的变化值，加上初始值就是此刻的p i d 参数值，然 后送往p i d 控制器。 图2 硬件配避 所编制的p i e 实现模糊p i d 的功能块有：o b l 炎_ 耋程序模块，采攥循强执行戆方式实现对整个程 序的总体控制和子程序块的调用；o b 3 5 为循环巾断 程序【4 1 ；f c l 为误差量化；f c 2 为误差变化率的量 化；f c 3 、f c 4 和f c 5 为控制表的查询；f c 6 为模糊 p i d 算法的最终实现。 整个程序设计的关键是模糊控截量表酶查询部 分，即f c 3 、f c 4 和f c 5 功能块。首先，将离线设计 得到的模糊控制檄表存人数据块d b 中，d b 块号由 用户任意定义，存入方法是将k 卧k ，和k 挣的 德按照表格毒上到下，壹左蓟番熬颁序依次置入数 据块d b 2 0 、d b 2 1 和d b 2 2 中，数据类型为r e a l 型，可以存储整型数或浮点数。为了简化设计，将输 入模糊论域的元索 一6 ，6 转化为 o ，1 23 。控制量 熬蒸蛙为0 ，德移地址为基垃+ e c 事1 3 + e ，因此， 幽e c 和e 可以确定控削量的绝对地址为d b 5 。 d b w 3 0 = 0 + 基址+ e c 宰1 3 + e 。d b 5 d b d 3 2 、 d b 5 d b d 8 0 和d b 5 d b d 8 4 分别为模糊输出。部 分程序如下： ld 嚣5 。转器耳矿3 0 l0 = i =l0 0 al0 。o j n bo o i ld b 2 0 d b d o td b 5 d b d 3 2 0 0 1 ：n o p 0 al0 0 j n b _ 0 0 2 l d b 2 1 d b d o t d b 5 d b d 8 0 0 0 2 一：n o p 0 al0 0 j n b _ 0 0 3 ld b 2 2 d b d o td b 5 d b d 8 4 0 0 3 _ ：n o p 0 3 3 舞验波形 针对一阶模型g ( 8 ) = 志进 行实验，当转速在1 0 0 0 r r a i n 时，用s t e p 7 编程得到 的模糨p i d 和常规p i d 波形分别如图3 和图4 所 示。 图3 横糊p i d 波形 图4 常规p i d 波形 从图3 与图4 可以看出，常规p i d 调节时间为 0 ，7 5 s 长于模糊p l d 0 。5 s ，模糊p i d 的控制效果明显 好予常规p i d 。 4 结论 本文在m a t l a b 环境下编程离线计算查询表， 设计了模糊p i d 控制器，在s t e p 7 中编程实现了程 万方数据 张林鹏，攀好文：p l c 实现的模糊p i d 控制器研究 4 3 序鲶没计，这一算法鹃改进给p i d 参数的在线调整 提供了很大的方便，另外，结合模型实验，也取得了 不错的效果。但是也出现些问题：一方面文中模型 参考文献： 不能代表实电机；另一方薅模糊p i d 算法规则还有 待改进，系数设置需要优化o 1 】李敬兆。张崇巍基于p i e 直接查表方式实现的模糊控制器研究【j 】。电工电子技术杂志，2 0 0 1 ，( 9 ) ：1 8 2 1 【2 】籁寿宏。微型计算辊控糕技术 熬】。强京：机械盖照盎叛牡，2 0 0 0 9 1 9 2 【3 卢燕，罗青华p l c 实现的模糊p i d 控制器及在高炉布料系统中的庶用 j 天津理工大学学报，2 0 0 8 ，( 4 ) ：7 4 4 西门子( 中国) 有限公司自动化岛驱动集团s i m a t i cs 7 3 0 0 可编程控制器手册，2 0 0 4 1 5 6 ( 责任编辑：王瑞斌) t h er e s e a r c ho ff u z z yp i dc o n t r o l l e rb a s e do np l c z h a n gl i n p e n g ，l ih a o w e n ( s c h o o lo fa u t o m a t i o na n di n f o r m a t i o ne n g i n e e r i n g ，x i a nu n i v e r s i t yo ft e c h n o l o g y ，x i a l l71 0 0 4 8 ，s h a m l x i ) a b s t r a c t ：t h ep a p e rd e s i g n e dt h ef u z z yp i dc o n t r o l l e ra n dc a l c u l a t e dt h ei n q u i r i n gt a b l eo f l l i n ew i t hm a t l a b 。b y s i e m e n ss 7 - 3 0 0 t h ep r o g r a mi sc o m p l e t e db yu s i n gt h em e t h o do fi n q u i r i n gt a b l ei ns t e p 7s o f t w a r e w i t ht h e p r o o fo ft h ef i r s to r d e rm o d e l ，i ti n d i c a t e st h a tt h i sm e t h o dc a na d j u s tt h ep i dp a r a m e t e ro nl i n e k e yw o r d s ：f u z z yp i d ；m a t l a b ；s 7 3 0 0 ；s t e p 7 ( 上接第2 6 页) 1 9 邓伯衔猪桉种肺炎支原体疫曾对血液1 一干扰素和生产性能的影响 j 现代窗牧兽医，2 ( 0 5 ，) ：2 0 一挖 2 0 张志宗，张映猪支原体肺炎的疫苗研究进展 j 中国兽药杂志，2 0 0 6 ，4 0 ( 8 ) ：3 8 4 0 2 1 邵圆清我国主要动物支原体病研究述略与展攫 j 畜牧与兽鼹，2 0 0 0 ，3 2 ( 2 ) ：3 7 3 8 2 23 童继红，邵鹭膏，何家惠，等。猪砖灸霉影俸1 6 8 弱毒糠鲤霹归试验【j 】。孛霹兽医耪技，2 0 0 5 ，3 1 ( 3 ) ：1 8 一1 9 。 【2 3 费思阎。动物疫病学【m 】。北京：中国农业出版社，2 0 0 4 3 5 4 3 5 8 2 4 f a g a npk ，d j o r d j e v i csp ，e a m e n sgj ，e ta 1 m o l e c u l a rc h a r a c t e r i z a t i o no far i b o n u c l e o t i d er e d u c t a s e ( n r d f ) g e n ef r a g m e n to fm y c o p l a s m ah y o p n e u m o n i a ea n da s s e s s m e n to ft h er e c o m b i n a n tp r o d u c t8 sa ne x p e r i m e n t a l v a c c i n ef o re n z o o t i cp n e u m o n i a 【j 】i n f e c ti l n m u n ，1 9 9 6 ，6 4 ( 3 ) ：1 0 6 0 1 0 6 4 。 【2 5 】y a l e ic h e n ，s h a o n i n gw a n g ，w e n j e ny a n g ，e ta l 。e x p r e s s i o na n di m m u n o g e n i c i t yo fm y c o p l a s m a h y o p n e u m o n i a eh e a ts h o c kp r o t e i na n t i g e np 4 2b yd n av a c c i n a t i o n j i n f e c t i o na n di m m u n i t y ，2 0 0 3 ， ( 4 ) ：1 1 5 5 一1 1 6 0 ( 责任编辑：邵治亮) r e s e a r c ho ni m m u n o l o g yo fm p s y eb a o h o n 9 1 ，y a n gl i u 2 ( 1 s c h o o lo fl i f es c i e n c e ，y u l i nu n i v e r s i t y ，y u l i n7 1 9 0 0 0 ，s h a a n x i ； 2 y u l i nc i t yf a r m i n gt e c h i c a ls e r v i c es t a t i o n ，y u l i n7 1 9 0 0 0 ，s h a a n x i ) a b s t r a c t ：m a e o p l a s m a lp n e u m o n i a eo fs w i n e ( m p s ) i s ac h r o n i ca n dc o n d u c t i v ed i s e a s et h a tc o u l dd a m a g ep i g 沁 d u s t r ys e r i o u s l y f o ral o n gt i m et h et r e a t m e n tf o rm p sp r i n c i p a l l yd e p e n d so na n t i b i o t i c st h a th a sb e e nl i m i t e dw i t h t h er e s i s t a n c eo fm p st oc o u n t e ra n t i b i o t i c sa n di m p r o v e m e n to fc i v i la t t e n t i o nt ot h eo o ds a f e t y s oi m m u n i z a t i o no f m p sh a sb e e nt a k e ns e r i o u s l ya n di tw i l lb eap r i n c i p a lt e c h n o l o g yt op r e v e n ta n dt r e a tm p sp r o b a b l y 。a tp r e s e n t t h ee s e a r c h e so ni m m u n o l o g yo fm p sh a sf o c u s e do ni m m u n o g e n i c i t ya n di m m u n er e s p o n s ei np i g sa sw e l la se x p l o i 。 t a t i o no fv a c c i n e k e yw o r d s ：m p s ；i m m u n o l o g y ；i m m u n er e s p o n s e ；v a c c i n e 万方数据 plc实现的模糊pid控制器研究plc实现的模糊pid控制器研究 作者：张林鹏， 李好文， zhang lin-peng， li hao-wen 作者单位：西安理工大学,自动化与信息工程学院,陕西,西安,710048 刊名： 榆林学院学报 英文刊名：journal of yulin university 年，卷(期)：2009，19(2) 引用次数：0次 参考文献(4条)参考文献(4条) 1.李敬兆.张崇巍 基于plc直接查表方式实现的模糊控制器研究期刊论文-电工技术杂志 2001(9) 2.赖寿宏 微型计算机控制技术 2000 3.卢燕.罗青华.魏克新 plc实现的模糊pid控制器及在高炉布料系统中的应用期刊论文-天津理工大学学报 2008(2) 4.西门子(中国)有限公司自动化与驱动集团 simatic s7-300可编程控制器手册 2004 相似文献(10条)相似文献(10条) 1.期刊论文 汤红诚.李著信 matlab在模糊pid伺服系统控制中的应用 -仪器仪表学报2003,24(z2) 对matlab语言的fuzzy和simulink工具进行介绍,分析了模糊pid建模方法.使用matlab的fuzzy和simulink对伺服系统的pid控制和模糊pid控制进行仿 真,从仿真结果对比来看,模糊pid控制对伺服系统具有鲁棒性、自适应性,超调小的优点. 2.期刊论文 李姣.li jiao 基于matlab的输送带配料模糊pid控制的仿真研究 -煤矿机械2008,29(11) 结合模糊控制与pid控制的优点,采用模糊pid控制器控制输送带配料系统,通过数学分析法对输送带配料系统进行建模,利用matlab中的simulink仿真 软件对系统进行仿真.仿真的结果表明,模糊pid控制相对于常规pid控制方法,能够明显地提高系统的动态性能和配料精度. 3.期刊论文 王辚.张科.wang lin.zhang ke 基于matlab的自整定模糊pid控制系统 -探测与控制学报2008,30(2) 针对常规pid控制器参数整定不良、适应性差、控制精度不理想的现状,提出了动态过程中参数自动整定的模糊pid控制系统.并利用matlab的 sumlink工具箱,对系统进行仿真,仿真试验结果表明模糊pid控制鲁棒性好、控制精度提高. 4.期刊论文 赵永娟.孙华东.zhao yong-juan.sun hua-dong 基于matlab的模糊pid控制器的设计和仿真 -微计算机 信息2009,25(1) 本文以误差和误差变化率为输入,利用模糊推理的方法实现了对pid参数的在线自动整定,并且在matlab环境下对该控制器进行了设计和仿真.从仿真 结果可以看出,参数自整定模糊pid控制器控制效果优于传统pid控制器,提高了系统的动静态性能.这种混合系统把pid控制的简