基于PLC的温度模糊控制.doc

基于PLC的温度模糊控制 36 1绪论1.1模糊控制的介绍1.1.1模糊控制发展现状，解决的问题模糊控制是以模糊集合理论为基础的一种新兴的控制手段，它是模糊系统理论和模糊技术与自动控制技术相结合的产物。自从这门科学诞生以来，它产生了许多探索性甚至是突破性的研究与应用成果，同时，这一方法也逐步成为了人们思考问题的重要方法论。1965年美国的控制论专家L. A. Zadeh教授创立了模糊集合论，从而为描述，研究和处理模糊性现象提供了一种新的工具。一种利用模糊集合的理论来建立系统模型，设计控制器的新型方法模糊控制也随之问世了。模糊控制的核心就是利用模糊集合理论，把人的控制策略的自然语言转化为计算机能够接受的算法语言所描述的控制算法，这种方法不仅能实现控制，而且能模拟人的思维方式对一些无法构造数学模型的被控对象进行有效的控制。我们都知道在现实生活中的一些概念是有着明确意义的，比如说“一个”，“男人”，“货币”等概念，对于这些明确的概念，在数学中常常用经典集合来表示。但是现实生活中不是每个概念都是很明确的，比如我们说“青年人”这个概念，你能在年龄轴上划两条线，表明在两条线内的就是青年人，而在其外的就截然不是青年人吗？显然这样做是不行的，因为人的生命是一个连续的过程，一个人从少年走向青年是一日一日积累的，同样，一个人从青年步入中年也是一个渐变的过程。我们把这样的一类概念称之为模糊概念。模糊集合理论就是处理这些模糊概念的。 将模糊集合理论运用于自动控制而形成的模糊控制理论，在近年来得到了迅速的发展，其原因在于对那些时变的非线性的复杂系统，当无法获得精确的数学模型的时候，利用具有智能的模糊控制器能给出有效的控制。例如，在炼钢，化工，人文系统，经济系统以及医学心理系统中，要得到正确而且精密的数学模型是相当困难的。对于这些系统却具有大量的以定性的形式表示的极其重要的先验信息，以及仅仅用语言规定的性能指标。同时，要求过程的操作人员是系统的基本组成部分等。所有这些都是一种不精确性，应用一般的控制理论是很难实现控制的，但是，这类系统由人来控制却往往容易做到。这是因为过程操作人员的控制方法是建立在直观的和经验的基础上，他们凭借实践积累的经验，采取适当的对策完成控制任务，于是，人们把操作人员的控制经验归纳成定性描述的一组条件语句，然后运用模糊集合理论将其定量化，使控制器得以接受人的经验，模仿人的操作策略，这样就产生了以模糊集合理论为基础的模糊控制器。模糊控制理论的提出是控制思想的一次深刻的变革，它标志着人工智能发展到了一个新的阶段。随着计算机及其相关技术的发展，模糊控制也由最初的经典模糊控制发展到自适应模糊控制，专家模糊控制和基于神经网络的自学习模糊控制。其实现方式也由最初在微型机（单片机）上用软件方法实现发展到应用模糊控制开发出模糊计算机进行直接控制。模糊控制作为智能领域中最具有实际意义的一种控制方法，已经在工业控制领域，家用电器自动化领域和其他很多行业中解决了传统控制方法无法或者是难以解决的问题，取得了令人瞩目的成效。已经引起了越来越多的控制理论的研究人员和相关领域的广大工程技术人员的极大兴趣。但是我们也应该看到，模糊控制的理论和应用虽然已经取得了很大的进展，但是就目前的状况来看，尚缺乏重大的突破，因此模糊控制无论在理论和应用上都有待于进一步的深入研究和探讨。1.1.2模糊控制的发展模糊控制仍然是一个充满争议的领域。由于它的发展历史还不长，理论上的系统性和完善性，技术上的成熟性和规范性都还是不够的，有待人们的进一步提高。 模糊系统理论还有一些重要的理论课题没有解决。其中两个重要的问题是 :如何获得模糊规则及隶属函数，这在目前完全凭经验来进行;以及如何保证模糊系统的稳定性。 大体说来，在模糊控制理论和应用方面应加强研究的主要课题为： 适合于解决工程上普遍问题的稳定性分析方法，稳定性评价理论体系 ;控制器的鲁棒性分析，系统的可控性和可观测性判定方法等。 模糊控制规则设计方法的研究，包括模糊集合隶属函数的设定方法，量化水平，采样周期的最优选择，规则的系数，最小实现以及规则和隶属函数参数自动生成等问题 ;进一步则要求我们给出模糊控制器的系统化设计方法。 模糊控制器参数最优调整理论的确定，以及修正推理规则的学习方式和算法等。 模糊动态模型的辨识方法。 模糊预测系统的设计方法和提高计算速度的方法。 神经网络与模糊控制相结合，有望发展一套新的智能控制理论。 模糊控制算法改进的研究 :由于模糊逻辑的范畴很广，包含大量的概念和原则;然而这些概念和原则能真正的在模糊逻辑系统中得到应用的却为数不多。这方面的尝试有待深入。 最优模糊控制器设计的研究 :依据恰当提出的性能指标，规范控制规则的设计依据，并在某种意义上达到最优。 1.1.3模糊控制的现实意义以往的各种传统控制方法均是建立在被控对象的精确数学模型之上的，随着系统复杂程度的提高，将难以建立系统的精确数学模型和满足实时控制的要求。而传统控制理论难以控制的系统，却可由实践经验得到满意的控制结果。模糊逻辑控制就是使计算机具有活性和智能的一种新颖的智能控制的方法。本科题的研究，就是模糊控制技术在单回路液位控制系统装置中的实际应用，也是本套温度控制实验装置在模糊控制领域上的尝试。通过研究和掌握模糊逻辑控制这一功能模块在单回路温度控制系统装置中的实际应用，使实验的控制过程趋于简单易懂，同时也使实验室原由的实验内容得以增加，使实验装置不仅可以使用常规的PID自整定进行控制，也可以运用模糊控制功能加以控制，使实验装置的性能得以提高。电炉加热器温度对象的数学模型是非线性的，由于建立的温度对象模型不够精确，采用此模型整定出的PID控制器也难以达到理想的控制效果。基于这种情况下，模糊控制就显得意义重大。因为模糊控制不用建立数学模型，根据实际系统的输入输出的结果数据，参考现场操作人员的运行经验，就可对系统进行实时控制。因此利用模糊控制思想来设计温度非线性控制系统将更直接，更有效，是非线性控制的一种更有力的控制手段。模糊控制技术日趋成熟和完善。各种模糊产品也充满了日本、西欧和美国市场。本文将设计两维温度模糊控制器应用于实际的温度控制系统以达到良好的运行效果。1.2本课题的意义与目的以往的各种传统控制方法均是建立在被控对象的精确数学模型之上的，随着系统复杂程度的提高，将难以建立系统的精确数学模型和满足实时控制的要求。而传统控制理论难以控制的系统，却可由实践经验得到满意的控制结果。模糊逻辑控制就是使计算机具有活性和智能的一种新颖的智能控制的方法。它无需知道被控对象的数学模型，采用人类思维中的模糊量，控制量由模糊推理导出。本科题的研究，就是模糊控制技术即人工经验值在单回路温度控制系统装置中的实际应用。通过研究和掌握模糊逻辑控制这一功能模块在单回路温度控制系统装置中的实际应用，使实验的控制过程驱于简单易懂，同时也使实验室原有的实验内容得以增加，使实验装置不仅可以使用常规的PID自整定进行控制，也可以运用模糊控制功能加以控制，使实验装置的性能得以提高。1.3本课题设计问题本课题控制对象为中位水箱，被控制的物理量为温度。通过运用德国SIEMENS公司S7-300和可编程控制器STEP 7软件结合亚控科技开发的自动化工控软件组态王6.5，实现中位水箱的温度控制。先使用FC30模块把偏差的物理量采集进来并使它模糊化，再通过FB30模块的模糊控制函数的规则来设定IFTHEN关系函数调节阀门的开度值，最后通过FC31模块对可控硅的开度值进行反模糊化输出，使单回路温度控制系统的中位水箱的温度稳定在给定值。本课题应用SIMATIC S7 的FUZZY CONTROL的功能模块FC30，FB30，FC31来设计模糊控制器，一达到控制被控对象。其中运用组态王这一组态软件设计一个操作控制环境，对控制对象进行数据采集，监视控制，使控制对象达到所要求的的值。2 模糊控制系统硬件2.1实验装置的系统概述本实验装置采用的现场总线控制实验装置是一套完整的由微型过程设备、检测变送仪表及电子执行机构、可编程控制器、微型计算机和网络设备组成的自动化系统实验装置，本课题单套实验装置是有过程控制对象、控制连线台和微机操作台三大部分组成，采用现场总线将单套的实验装置作为一个网络站点连接起来。该温度系统控制器的硬件选用德国SIEMENS公司的S7-300可编程控制器，模拟量输入模块选用8路*12Bit的SM331，模拟量输出模块选用4路*12Bit的SM332。温度过程控制系统由被控对象和控制装置两部分组成。被控系统对象包括上位水箱、中位水箱、下位水箱。该文选用中位水箱的电炉加热器作为温度被控对象，采用电热炉丝对中位水箱温度进行加热，被控参数为中位水箱的温度，监测水温的传感器是铂热电阻Pt100温度变送器，采用三线制接线，它的精度高。执行元件采用调压型可控硅，改变可控硅触发器的输入控制电流4-20mA，就可改变其输出电压，控制加热管的加热功率，从而达到中位水箱温度控制的目的。温度模糊控制系统的框图如图2.1：模糊量设定值模糊规则反模糊化模糊化中位水箱电加热器可控硅温度变送器模糊推理控制量精确量温度输出温 度实际值误差图2.1 温度模糊控制系统的框图2.1实验设备的介绍2.1.1水箱实验装置由被控对象和控制回路两部分组成。其中被控对象包括：上位水箱、中位水箱、下位水箱。上位水箱和下位水箱采用不锈钢材料制作，不但坚实耐用，而且防腐蚀性好。水箱容积高达80升，使实验效果更为理想。2.1.2加热器、热电阻、加热模块本装置采用电热炉丝进行中位水箱温度实验。中位水箱采用 不锈钢精制而成，设计了溢流保护夹套，采用温度控制圆筒进行温控实验，只对圆筒中的水加热，做完温控实验后，夹套中的水冷却温控圆筒中的水温，因此可使温度的控制更加快速稳定。监测水温的传感器是Pt100，实验室采用三线制接线，它的精度高。加热器置于设备底部，可拆卸，便于更换。采用可控硅相移触发单元，输入控制信号为4-20mA标准电信号，其相移触发角与输入控制电流趁成正比。2.1.3交流变频器本过程控制采用德国西门子MWV440变频器作为电气类的执行装置。本变频器的用法：将实验台上的变频器电源开关闭合后，变频器通电。可在变频器的控制控制菜单中设置远程控置/面板手动两种方式，进入设置菜单后，在PO700参数栏中设置为1，P1000参数栏中设置为1。此时变频器工作于手动方式下，可通过变频器面版上的I键启动变频器，O键为停止键。通过面版上的升降键可改变电机的运行频率。如果在P0700参数栏中设置为2，P1000参数栏中设置为2，则变频器工作于远程操作方式下。此时，应将变频器旁边的使能开关置为ON ，使变频器接受来自调节器或PLC的摸拟控制信号，控制电机的运转速度，从而达到控制水泵出口流量和压力的目的。2.1.4调节阀电动调节阀对控制回路流量进行调节。采用电动调节阀，具有精度高、技术先进、体积小、重量轻、推动力大、控制单元与电动执行机构一体化，可靠性高，操作方便，并可与计算机配套使用，组成最佳调节回路。执行机构直接接受4-20mADC或1-5V控制信号，输出4-20mADC的阀位信号，使用和校正非常方便。ZDS系列阀门采用柔性弹簧连接，可预置阀门关断力，保证阀门的可靠关断，防止泄露。驱动电机采用高性能稀土磁性材料制造的同步电机，运行平稳，体积小，力矩大，抗堵转，控制精度高。因此本调节阀具有技术稳定可靠，控制精度高，使用寿命长等优点。电动调节阀技术指标：电源：220VAC 50HZ 功耗：5VA输入信号：4-20mADC 输入阻抗：100(4-20 mADC)输出信号：4-20mADC环境温度：-20- +70 重复精度：1%气动调节阀采用具有当今国际先进水平的最新一代气动直通精小型调节阀，它采用新型多弹簧气动薄膜执行机构与低流阻直通阀组合为单座阀和套筒阀两种，具有相当大的流量系数和精确的流量特性。精细加工的推杆导向表面，硬度和光洁度高，增加了密封型，减少了回差。气动调节阀技术指标：输入信号：气0.02-0.1MPa电0-10、4-20mA(带电/气阀门定位器)基本误差：5%(不带定位器)1.5(带定位器)回差： 3%(不带定位器)1%(带定位器)死区： 1%(不带定位器)0.8%(带定位器)2.2 模块的详细技术规格2.2.1PS307电源摸板(5安)-PS307PS307电源摸板(5安)有下面显著特性：(1)输出电流5安(2)输出电压24伏直流：防短路和开路保护(3)接单相交流系统(输入电压120/230伏交流，50/60赫兹)(4)隔离可靠(5)能用作负载电源出入额定值：输入电压额定值：120伏/230伏交流 系统频率额定值：50赫兹或60赫兹 允许范围：47赫兹-63赫兹 额定输入电流在230伏下：1安 在120伏下：2安输出额定值：输出电压额定值：24伏直流 允许范围：24伏5%，防开路保护 上升时间：最大2.5秒 输出电流额定值：5安2.2.2中央处理单元CPU315的时钟(1)软件时钟 中央处理单元CPU315采用的是软件时钟(2)在通电之后 通电时CPU313的时钟从关电时的时钟时间起，继续计时(3)时钟时间的设定和输出 设定时钟的时间：用装有STEP7工具“S7”信息的编程装置或用户程序中SFC 0“SET-CLK”来设定时间 用SFC 1“READ CLK”来读出时钟时间(4)工作小时计时器 中央处理单元CPU 313提供用户一个工作小时计时器用它来计算CPU或任何被连接的设备的工作小时数在用户程序中用系统功能调SFC 2“SET-RTM”，SFC 3“CTRL-RTM”和SFC 4“READ-RTM”来编制工作小时计时器的程序 (5)中央处理单元CPU 313的软件块组织块(OB)： 中央处理单元CPU313的操作系统是按事件驱动扫描用户程序进行设计的功能块(FB)： 数量：128 范围：0-127 FB的大小限于8千字节以下功能调用(FC)： 数量：128 范围：0-127 FC的大小限于8千字节以下数据块(DB)： 数量：127 范围：0-127，0保留不用 DB的大小限于8千字节以下系统功能(SFC)： SFC是集成在操作系统中的系统功能 数量：34系统数据(SDB)： 系统数据块内装有S7-300的参数。可用STEP 7工具“S7组态”或“通讯组态”输入这些参数2.2.3数字量输入模块16路*24VDC-SM321特性：(1)16个输入点，带电隔离，16点构成一组(2)额定输入电压24伏，直流 适用于开关和双线接近开关(BERO)(3)模板专用的数据：输入点数：16 电缆长度：不带屏蔽的：600米 带屏蔽的：1000米(4)电压和电流：额定负载电压L+：24伏2.2.4数字量输出模块8路-SM322特点：(1)8个输出点，分组方式光电隔离，2点构成一组(2)内部继电器的额定负载电压：从24到120伏直流；从48到230伏交流(3)模板专用数据：输出点数：8(4)电缆长度：不带屏蔽的：600米 带屏蔽的：1000米(5)电压和电流：继电器的额定电源电压L+：24伏 能同时驱动的输出点数：8 光点隔离：是(光偶)2.2.5模拟量输入模块8路*12Bit-SM331特性：(1)4组8个输入通道按组可设定被测值的精度(取决于积分时间的设定)：9位+符号 2位+符号 14位+符号(2)测量方法：按通道组设定：电压，电流，电阻，温度(3)模板专用的数据：输入个数：8 用于电阻测量：4(4)模板的功耗：1.3瓦(典型值)(5)模拟值的生成：测量原理：积分2.2.6模拟量输出模块4路*12Bit-SM332特性：(1)以4个组形式的4通道(2)单个输出通道能编程为：电压输出，电流输出(3)精度为12位符号(4)模板专用的数据：输出通道：4 电缆长度：200米(5)电压和电流：额定负载电压L+ 反极性的保护 电隔离2.2.7模拟量输入4/模拟量输出2*8/8Bit-SM344特性：(1)4个输入通道和2个输出通道(2)精度为8位+符号位(3)测量范围为0到10伏或0-20毫安(4)输出范围为0到10伏或0-20毫安(5)电压和电流二者可选输出(6)与CPU是光电隔离的，与负载电压是光电隔离的(7)独有的特性：不能设置参数(8)模板专用数据：输入通道数：4 输出通道数：2 带屏蔽的电缆电度：200米(9)模板的功耗：2.6瓦(10)输入模拟值的生成：测量原理：逐次近似法2.2.8通讯处理器CP5611功能：(1)用于PG/PC连接到PROFIBUS和SIMATIC S7的MPI(2)通讯服务(4)短PCI卡，用于带PCI槽的编程器/PC(5)软件可一起使用(6)OPC服务器随通讯软件一起供货应用：CP5611能将编程器和PC连接到PROFIBUS和SIMATIC S7的MPI多点功能接口(7)用于带PCI槽的PU/PC2.3硬件设备清单表2-1硬件设备清单序号名称设备规格数量型号用途1控制对象框架2000*800*2700mm1EFPT-1-0-1安装固定2上位水箱高300mm13中位水箱高400mm14下位水箱105升15三相电动机0.75KW三相380VDC1Y801-26相联的压力变送器0-40Kpa4-20mADC1GXGS2088上位水箱液位变送器7铂热电阻155*100mPt1001WZP-270中位水箱温度检测8温度显示变送0-1001中位水箱温度9执行机构10加热器1温度控制11PC电脑1上位机3 软件设计3.1控制软件 STEP 7的介绍STEP 7软件是德国SIEMENS公司S7/M7/C7可编程控制器系列产品的专用编程软件。要使用S7-300可编程控制器及总线模块，就必须学会使用STEP 7进行编程。STEP 7软件的标准软件包括以下部分：(1)符号编辑器(2)SIMATIC管理器(3)NETPRO通讯组态(4)硬件组态(5)编程语言LAD/FBD/STL(6)硬件诊断3.1.2STEP 7的程序语言输入方式STEP 7的编程方法有两种输入方式：增量输入和文本输入。用增量编辑器输入方式输入时，每一行或每一个元素都会立即进行句法检查。出现错误处变为红色，只有改正了所指出的错误才能完成输入。因此，这种输入方式适用于初学者。它适用的编程语言有梯形图(LAD)，功能图块(FBD)，语句表(STL)以及S7 Graph等。当用文本编辑器输入，它首先生成在于你的项目中S7 Program下的source file文件夹中，一个源文件可包含一个或多个程序代码。源文件编译后会形成各种类型的块，并在用户程序中保存起来。CPU的所有程序可保存在一个文本文件中。要求编程者掌握较高的编程技巧，尤其适用于条件分支多、逻辑复杂和设计最优化算法的应用场合。它适用的编程语言有语句表(STL)、结构控制语言(SCL)、S7 Hi-Graph等。梯形逻辑编程语言(LAD)是基于电路图表示法的基础之上，在程序段中将电路图的元素如常开触点和常闭触点组合而成。一个逻辑块的程序部分由一段或多段程序组成。功能块编程语言(FBD)使用类似于布尔代数的图形逻辑符号来表示控制逻辑。一些复杂功能诸如算术运算功能等，可直接用逻辑框表示。语句表编程语言(STL)类似于机器码的一种文本语言。每条语句对应CPU处理程序的一步。多条语句可组成一个程序段。对工程技术人员来讲，STEP 7中最常用的是梯形逻辑编程语言(LAD)和功能块图编程语言(FBD)。一个梯形逻辑编程语言(LAD)编制的程序段中，可以有多个分支，每个分支上可有多个元素。所有的元素和分支都必须相连；左边的能源轨不算连接。当用户编写梯形程序时，必须遵守编程规则，如果有错误发生，会有信息提示。每个梯形程序段都必须以输出线圈或功能框结束。梯形图的能量从右到左，不允许生成使能量流向相反的分支。用户可以按下列形式生成S7 CPU中的程序：Blocks(块)和Source files(源文件)。文件夹“Blocks”在S7 Program路径之下，用于存放各程序块。该文件夹中的程序块需要用户下载到S7 CPU中用于执行自动控制任务。这些可装载的程序块包括逻辑块(OB、FB、FC)和数 据块(DB)。块文件中会自动生成一个空的组织块OB1(Organization Block)，在S7 CPU中必须用该组织块来执行用户程序。块文件中还包含变量表(VAT)在测试用户程序时用于监视和修改变量。STEP 7规定了Symbols中允许使用的地址和数据类型。在整个符号表中只能使用一套助记符。在WINDOWS管理器中使用菜单命令OPTIONSCUSTOMIZE，在LANGUAGE选项中，可以在SIMATIC(德语)和IEC(英语)两套助记符之间切换。3.2模糊模块的原理3.2.1模糊控制的结构软件产品“模糊控制”主要包含一个功能块(FB)，其中含有设计模糊应用特征所需的过程和算法。这意味着这是个建立在一个带有多输入和输出的模糊应用的完整功能的标准功能块的软件程序的基础上的。实际程序的特征决定于功能块的逻辑算法和数学计算。需要循环计算的数据被储存在一个特定应用的数据块。只有一个功能块是需要创建多个模糊应用的。3.2.2工作环境软件产品“模糊控制”能被使用在任何装载了STEP 7程序的SIMATIC S7编程设备上。创建和开始一个模糊应用是由一个编程设备完成的。这是连接到目标可编程逻辑控制器的CPU中的，或者直接建立一个点对点连接(MPI)，或者连接LAN总线(SINEC L2或SINEC HI)和一个通讯模块(CP)。如果编程设备没有多点界面，你需要一个PC/MPI线缆来建立和编程设备通讯口的直接连接。使用软件套装“模糊控制”创建的模糊应用能运行在S7-300和S7-400家族的CPU上。3.2.3块的调用可编程控制器的CPU中的数据模块在功能块，组态工具，和用户之间建立了一个界面。在功能块被调用前你必须在这数据块中编辑输入的地址。当功能块被执行后，你能读出储存在数据模块输出中的值。关系函数的规则是由组态工具“默认地”储存到数据模块中的。你能把一些模糊应用下载到CPU中并在那里运行。每个应用被储存在一个独立的数据块中，数据块的编号可以被自由地设置。如图3.1用户程序写输入读输出调用FB30DB30；数据块DB30FB30Fuzzy图3.1块调用的结构FUZZY功能块必须由用户来调用。调用可以用周期或时间驱动程序处理等级来编。功能块必须被独立调用。当你调用功能块时你必须指定包含用组态工具创建的特定应用模糊项目的数据块(模糊数据块)。你只需指定规则需要的参数。任何没被分配的输入和输出都不需要连接。3.2.4模拟量输入( Fuzzy_AI)传感器或者模拟输入模块提供一个物理变量的输入值，待进一步处理，模拟变量及其测量范围或I/O值(数值范围-27648至27648)必须被标准化至模糊控制进一步处理所需的实型值。FUZZY_AI功能(或FC)是将一个模拟输入标准化至一个更高或更低的限值，也就是相关输入定义的最小值和最大值范围。然后被标准化的数值被输入至数据块。块(FC)必须在模糊应用的每个输入通道连接到一个模拟变量时在用户程序中被调用。注意：你能在CPU提供的范围内自由地分配FUZZY_AI功能的编号。默认值是FC30。如果该功能被使用，当它被调用时必须连接所有参数。标准化和信号类型：使用输入参数THERM_EL，你能决定将使用何种标准化作为一种参考：单极和/或双极电压或电流信号。热电偶在相关模拟量输出作为传感器；通过BIPOLAR参数的帮助，你能自定义在相关输入是处理单极或双极电压还是电流信号。表3-1二进制输入参数THERM-EL和BIPOLAR有以下的作用：THERM-ELBIPOLAR意义FALSE(:=2#0)FALSE(:=2#0)输入端单极性的电压或电流信号 FUZZY-AI功能使信号标准化 FALSE(:=2#0)TRUE(:=2#1)输入端双极性的电压或电流信号 FUZZY-AI功能使信号标准化TRUE(:=2#1)FALSE(:=2#0)输入端的热电偶标准化在模拟模块中被执行。这一功能仅作用于系数和偏差表3-2FUZZY_AI的输入参数参数数据类型注释变量容许范围默认值AI_ADRINT模拟输入的地址BIPOLARBOOL双极性或单极性的测量值FALSETHERM_ELBOOL模拟输入与热电偶测量值相联系FALSEFACTORREAL调节测量值的系数全部值的范围1.0OFFSETREAL调节测量值的偏差全部值的范围0.0FUZZY_AIBLOCK_DB模糊数据模块值DB30INPUT_NRINT模糊输入值1到813.2.5模拟量输出( Fuzzy_AO)如果从模拟模块的输出的变量被进一步处理，FUZZY_AO功能可以被用来使在I/O范围的真实模糊输出变量的值标准化。FUZZY_AO功能使相关范围内的输出值标准化。范围的上下限是从模糊数据模块和函数处理中的有限值中读到。标准化了的值然后和参数系数以及偏差一起调整，并写入模拟输出值。借助于参数BIPOLAR，你可以指定任意相关输出的单极性或双极的电压或电流信号。表3-3二进制输入参数BIPOLAR有以下的作用：BIPOLAR含义或作用FALSE(:=2#0)输出的单极信号FUZZY-AO函数使信号标准化TRUE(:=2#1)输出的双极信号FUZZY-AO函数使信号标准化表3-4FUZZY_AO的输入参数参数数据类型注释变量容许范围默认值AO_ADRINT模拟输出的地址BIPOLARBOOL双极性或单极性输出FALSEFACTORREAL调节输出信号的系数1.0OFFSETREAL调节输出信号的偏差全部值的范围0.0FUZZY_DBBLOCK_DB模糊数据模块值全部值的范围0.0OUTPUT_NRINT模糊输出值1到413.2.6FUZZY功能模块的技术规范表3-5技术数据模块名FUZZY FB 30FUZZY_AI FC30FUZZY_AI FC30类别FUZZYCONFUZZYCONFUZZYCON模块运行长度1024bytes370bytes344bytes模块记忆长度1226bytes510bytes478bytes调用-所有数据模块或共享模块DB_FUZZY类别FUZZYCON模块运行长度2126bytes模块记忆长度2248bytes以下表格列出了当模块被设计为2输入，1输出参数和25条规则这一类型的执行时间：表3-6执行时间模块名FUZZYFB30FUZZY_AI FC30FUZZY_AO FC31类别FUZZYCONFUZZYCONFUZZYCON执行时间(毫秒)CPU3141333执行时间(毫秒)CPU4160.71.31.33.3模糊控制器的设计3.3.1隶属度函数的确定模糊集合是用隶属度函数描述的。隶属度函数在模糊集合论中有极其重要的地位。隶属度函数实质上反映的是事物的渐变性，因此，它仍然应遵守一些基本原则。1、表示隶属度函数的模糊集合必须是突模糊集合。2、变量所取隶属度函数通常是对称和平衡的。3、隶属度函数要符合人们的语义顺序，避免不恰当的重叠。对于重叠指数的选择有以下经验知识：一般取重叠率为0.20.6为宜，重叠鲁棒性的值通常比重叠率大一点，即0.30.7。重叠率和重叠鲁棒性越大，模糊控制模块就更具有模糊性，而低重叠指数适用于有较大明确相关性的输入输出系统。为了使模糊控制模块更平滑地操作，应该选择一个成熟的重叠率和重叠鲁棒性。例如重叠率可取0.33、重叠鲁棒性可取0.5。我们最多可设置7个隶属度函数。而每个函数可以由4个点组成，所以函数的形状可以是矩形，三角形，梯形。根据理论知识和实践操作的结合，我们发现三角形的函数形态控制精度比较高，所以我们将中间5个隶属度函数全部采用了三角形形态，而两端的2个隶属度函数则采用了梯形形态。我们这里定义偏差输入的论域为-500摄氏度，根据隶属度函数设置原理我具体设置重叠范围是8摄氏度，附近模糊隶属度函数的范围是24摄氏度。3.3.2模糊输入函数的设计在Fuzzy Control Parameter Assignment软件中，每个输入可以设计7个隶属度函数，在当前项目中，我们为每个输入设计了7个隶属度函数。输入1：E（偏差E=给定值PV-实际值SP），具体的7个函数如下：负非常大(NB)为梯形(-100，-100，-40，-32)负大(NG)为三角形(-40，-32，-24)负中(NM)为三角形(-32，-24，-16)负小(MS)为三角形(-24，-16，-8)负非常小(MVS)为三角形(-16，-8，0)零(ZERO)为三角形(-8，0，8)正(P)为梯形(0，8，100，100)如图3.2:图3.2输入E输入2：TT（中位水箱温度），具体的7个函数如下：很低(LS)为梯形(0，0，35，40)比较低(LOWER)为三角形(35，40，45)低(LOW)为三角形(40，45，50)中(MID)为三角形(45，50，55)高(HIGH)为三角形(50，55，60)比较高(HR)为三角形(55，60，65)很高(HS)为梯形(60，65，100，100)如图3.3:图3.3输入TT3.3.3模糊输出函数的设计在Fuzzy Control Parameter Assignment软件中，每个输出可以设计9个值，在当前项目中，我们为其设计了6个值。分别为：(1)ZERO=0，此时，可控硅无输出。(2)EQUAL1=4，此时，可控硅的输出为其输出范围的4%。使较低温度时中位水箱温度保持稳定。(3)EQUAL2=5，此时，可控硅的输出为其输出范围的5%。使中等温度时中位水箱温度保持稳定。(4)HIGH=80，此时，可控硅的输出为其输出范围的80%。使中位水箱的温度能较快地上升。(5)HS=100，此时，可控硅的输出为其输出范围的100%。使中位水箱的温度能以最快的速度上升。此时的输出函数形态如图3.4所示。图3.4输出OUT3.3.4模糊规则的设计在IFTHEN规则的建立时，我们遵循了以下的方法。(1)IF E=NB,TT=LS,THEN OUT=HSIF E=NG,TT=LS,THEN OUT=HSIF E=NM,TT=LS,THEN OUT=HSIF E=MS,TT=LS,THEN OUT=HSIF E=MVS,TT=LS,THEN OUT=HIGHIF E=ZERO,TT=LS,THEN OUT=EQUAL1IF E=P,TT=LS,THEN OUT=ZERO(2)IF E=NB,TT=LOWER,THEN OUT=HSIF E=NG,TT=LOWER,THEN OUT=HSIF E=NM,TT=LOWER,THEN OUT=HSIF E=MS,TT=LOWER,THEN OUT=HSIF E=MVS,TT=LOWER,THEN OUT=HIGHIF E=ZERO,TT=LOWER,THEN OUT=EQUAL1IF E=P,TT=LOWER,THEN OUT=ZERO(3)IF E=NB,TT=LOW,THEN OUT=HSIF E=NG,TT=LOW,THEN OUT=HSIF E=NM,TT=LOW,THEN OUT=HSIF E=MS,TT=LOW,THEN OUT=HSIF E=MVS,TT=LOW,THEN OUT=HIGHIF E=ZERO,TT=LOW,THEN OUT=EQUAL1IF E=P,TT=LOW,THEN OUT=ZERO(4)IF E=NB,TT=MID,THEN OUT=HSIF E=NG,TT=MID,THEN OUT=HSIF E=NM,TT=MID,THEN OUT=HSIF E=MS,TT=MID,THEN OUT=HSIF E=MVS,TT=MID,THEN OUT=HIGHIF E=ZERO,TT=MID,THEN OUT=EQUAL2IF E=P,TT=MID,THEN OUT=ZERO(5)IF E=NB,TT=HIGH,THEN OUT=HSIF E=NG,TT=HIGH,THEN OUT=HSIF E=NM,TT=HIGH,THEN OUT=HSIF E=MS,TT=HIGH,THEN OUT=HSIF E=MVS,TT=HIGH,THEN OUT=HIGHIF E=ZERO,TT=HIGH,THEN OUT=EQUAL2IF E=P,TT=HIGH,THEN OUT=ZERO(6)IF E=NB,TT=HR,THEN OUT=HSIF E=NG,TT=HR,THEN OUT=HSIF E=NM,TT=HR,THEN OUT=HSIF E=MS,TT=HR,THEN OUT=HSIF E=MVS,TT=HR,THEN OUT=HIGHIF E=ZERO,TT=HR,THEN OUT=EQUAL3IF E=P,TT=HR,THEN OUT=ZERO(7)IF E=NB,TT=HS,THEN OUT=HSIF E=NG,TT=HS,THEN OUT=HSIF E=NM,TT=HS,THEN OUT=HSIF E=MS,TT=HS,THEN OUT=HSIF E=MVS,TT=HS,THEN OUT=HIGHIF E=ZERO,TT=HS,THEN OUT=EQUAL3IF E=P,TT=HS,THEN OUT=ZERO归纳为表3-7：表3-7模糊规则输入TT输入ELSLOWERLOWMIDHIGHHRHSNBHSHSHSHSHSHSHSNGHSHSHSHSHSHSHSNMHSHSHSHSHSHSHSMSHSHSHSHSHSHSHSMVSHIGHHIGHHIGHHIGHHIGHHIGHHIGHZEROEQUAL1EQUAL1EQUAL1EQUAL2EQUAL2EQUAL2EQUAL2PZEROZEROZEROZEROZEROZEROZERO3.4用STEP 7软件实施 3.4.1创建一个新项目用菜单File中的“New project”Wizard命令和NEXT命令创建一个项目结构。所建项目就像一个文件夹，所有数据都以分层的结构存于其中，任何时候你都可以使用。在创建了一个项目之后，所有其他任务都在这个项目下执行。3.4.2创建AS1，AS2Insert New ObjectSIMATIC 300 Station 创建MPI-QQ：Insert New ObjectMPI，如图3.5图3.5创建AS1，AS23.4.3西门子模块的硬件组态双击AS1后，双击HARDWARE打开硬件组态表。用INSERT Hardware Components命令在选项表中选择SIMATIC 300后，按网络拓扑图的每组硬件的配置进行硬件组态，选中的设备双击后自动填入硬件组态表，完成组态后记录其中STEP-7自动分配的地址号，用SAVE AND COMPILE命令存盘并编译。用DOWNLOAD TO MODULE菜单命令模拟下载硬件组态表。 如图3.6图3.6硬件组态图在设置CPU的时候，需要设置地址，双击CPU后，Propertiesaddress中设置地址，这里首站的地址为4。 在模拟量的输入模块AI812Bit还必须设置其输入方式，地址从288-302，如图3.7：图3.7设置输入模块地址因为变量送来的信号都是4-20mA，在Inputs中的设置，如图3.8：图3.8设置变量信号在模拟量的输出模块AO412Bit还必须设置其输出的方式，地址从304-310如图3.9：图3.9设置输出模块地址在Outputs中因为输出控制可控硅，它接受的信号是15V，如图：图3.10设置输出信号STEP 7 软件模块，如图3.11：图3.11软件模块3.4.4建立符号表Symbols和数据块DB2所有将要使用的符号和地址必须进行符号说明。在AS2CPU315S7 Program(1)Symbols下建立符号表。双击Symbols生成一个空的符号表，STEP 7中的数据块DB可用于存储块设备或生产线中可访问的值，写入数据块的整数值可以同组态软件的数据共享，为了能在组态软件中采集到数据，必须编写DB2(DATA BLOCK)。在S7 Program内用菜单INSERT S7 BLOCK命令生成个空的数据块DB2。数据块只有变量声明部分，没有程序段。当用户打开数据块时，既可用声明表形式显示，也可以用数据显示形式浏览数据块。用户可以用菜单命令VIEWDECLARATION和VIEWDATA VIEW来切换两种显示状态，在选择了DATA VIEW状态下可以监视数据块DB2的运行。用Monitor命令运行变量表，可观察实际采集数值Actual value。如图3.12图3.12DB23.4.5创建组织块OB1在创建一个项目后，块BLOCK文件夹中会自动生成一个空的组织块OB1，在S7 CPU中必须用该组织块来执行用户程序。双击OB1图标，可进入编程状态，在VIEW菜单中选择LAD编程语言。在OB1中，将模拟通道PIW290送来的测量值TT送到DB2中对应的DB2.DBW0寄存器中，切换到运行画面时，通道上的值会在画面显示出来。运用SUB_1将测量值和给定值相减，得到的偏差送到DB2.DBW4寄存器中。再将DB2.DBW4寄存器中的偏差值送到模拟通道PQW306输出。如图3.13：图3.13OB13.4.6创建变量表VAT在STEP 7中可以通过建立变量表(VAT)观察到采集的实时数值。在S7 Program内用菜单INSERT S7 BLOCK命令生成一个空的变量表VAT1，如图3.14：图3.14创建变量表VAT3.4.7创建OB35模块OB35模块用于每50ms调用一次程序，如图3.15： 图 3.15OB35模块3.4.8创建DB1模块DB1用于作为模糊模块FB30的背景数据库，可观察模糊模块工作时各数据的状态，如图3.16：图 3.16DB1模块3.4.9创建FC1功能模块FC1 功能模块中是放要调用的程序，其中包括了FC30，FB30，FC31，这三个模块。由FC30模块对由PIW292送来的偏差模糊化，送FB30后根据规则由偏差的大小算出相应的可控硅的开度大小，再送FC31进行反模糊化，送PQW306来控制可控硅的开度。如图3.17：图 3.17FC1模块4 组态软