（系统工程专业论文）分布式水利灌溉自动控制系统的研究与设计.pdf

硕士学位论文 摘要 水资源是人类赖以生存和发展的不可替代的自然资源 水资源的合理利用 具有十分重要的意义 然而目前我国由于受到经济条件和认识水平等方面的限 制 高新节水灌溉自动控制系统的开发还处于起步阶段 大部分灌区还仍然沿 用传统的人工灌溉方式 使灌溉水资源的利用率极其低下 浪费现象也极为严 重 因此 农业灌溉的自动化管理成为一个重要的研究方向 本文针对这种情况 对甘肃省张掖市盈科灌区的水渠灌溉系统进行了研究 和分析 并根据水渠灌溉系统的具体要求 将计算机技术 传感器技术 数据 采集处理技术 智能控制技术相结合并融入无线局域网技术 设计了水利灌溉 自动控制系统 研究了数据采集与处理 控制算法 无线宽带通信等实现中的 重点 难点问题 利用组态软件编写了监控中心管理软件 并且采取了有效的 硬件和软件抗干扰措施 确保了系统的稳定性和可靠性 对于水利灌溉自动控制系统中的关键问题水渠水位即灌溉水量的控制 本 文进行了深入的研究 针对水位控制系统具有非线性 时变性以及不确定性的 特点 本文充分利用了模糊控制不要求建立被控对象的精确数学模型和p i d 控 制精度高的特点 将p i d 控制和模糊控制相结合 构成一种模糊自整定p i d 控 制算法 应用在本套水利灌溉自动控制系统中 实践证明 该算法具有超调量 小 稳定性好 响应速度快的特点 克服了传统方式中 对水渠水位的控制完 全依靠操作人员的经验 调节费时 费力且精度不高的难题 目前 本套系统已经应用于甘肃省张掖市盈科灌区 成功的实现了水渠水 位信息的远程监控 存储 管理以及灌溉水资源的合理调配 取得了良好的经 济和社会效益 关键词 水资源 远程监控 模糊自整定p i d p l c 无线局域网 组态软件 分布式水利灌溉自动控制系统的研究与设计 a b s t r a c t w a t e ri ss u c ha ni m p o r t a n tn a t u r a lr e s o u r c et h a th u m a nc a nn o tl i v ea n d d e v e i o pw i t h o u ti t s ou s i n gw a t e rr e s o u r c er e a s o n a b l eh a si m p o r t a n tm e a n i n g h o w e v e rd u et ot h er e s t r i c t i o no fe c o n o m yc o n d i t i o na n dh u m a nr e a l i z e dl e v e l e x p l o i t i n go fe c o n o m i z i n gw a t e ri r r i g a t i o na u t o m a t i cc o n t r o ls y s t e mi si nt h ei n i t i a l s t a g e s a n dm o s to fi r r i g a t i o na r e aa l s od e p e n d so nt h et r a d i t i o n a li r r i g a t i o nm e t h o d t h eu t i l i z a t i o no fi r r i g a t i o nw a t e rr e s o u r c ei si nal o w l e v e l a n dt h ep h e n o m e n o no f w a s t i n g i s e x t r e m e l ys e v e r i t y t h e r e f o r ea u t o m a t i c m a n a g i n g o fa g r i c u l t u r e i r r i g a t i o nb e c o m e sa ni m p o n a n ts t u d y i n gd i r e c t i o n a i m i n ga tt h i ss i t u a t i o n d om u c hr e s e a r c ha n da n a l y s i si ng a n s up r o v i n c e z h a n g y ec i t yy i n g k ep e n s t o c ki r r i g a t i o ns y s t e m a n da c c o r d i n gt oi t s s p e c i a l d e m a n d d e s i g n i n gan e w 孤t o m a t i cc o n t r o ls y s t e mo fw a t e rc o n s e r v a n c yi r r i g a t i o n w h i c hc o m b i n e st h et e c h n o l o g i e ss u c ha s c o m p u t e r s e n s o r d a t a a c q u i r i n g i n t e l l i g e n tc o n t r o la n dw l a n t h i sp a p e ri n v e s t i g a t e ss o m ei m p o n a n ta n dd i f n c u l t p r o b l e m sw h ic ha f ed a t aa c q u i s i t i o na n dp f o c e s s i n g c o n t r o la l g o r i t h m w i r e l e s s w i d e b a n dc o m m u n i c a t i o na n ds oo na n dc o m p i l e sm a n a g i n gs o i t w a r eo fm o n i t o r c e n t r ed e p e n d i n go nc o n f i g u r a t i o ns o f w a r e r oe n s u r et h es t a b i l i t ya n dt h e r e l i a b i l i t yo ft h es y s t e m t h ee f f c c t i v ea n t i ja mm e a s u r e sa b o u tt h eh a r d w a r ea n d s o f t w a r ea r ea d o p t e d i nt h i sp a p e r w er e s e a r c ho nt h ew a t e rl e v e lc o n t r o li nd e p l hw h i c hi st h ek e y q u e s t i o ni nt h ei r r i g a t i o na u t o m a t i cc o n t r 0 1s y s t e m t h ew a t e ri e v e lc o n t r o ls y s t e m h a st h ec h a r a c t e s t i c so f n o n l i n e a r i t y t i m e v a r i a t i o n a n du n c e r t a i n t y b e c a u s et h e m z z yc o n t r o ld o s en o tr e q u i r et ob u i l dt h ec o n t r o l l e do b j e c t sp f e c i s em a t hm o d e l a n dt h ep l dc o n t r o lh a sv e r yh i g h p r e c i s i o n w ep u tf o r w a r dak i n do fp i d p a r a m e t e r 如z z ys e l f a d j u s t i n ga l g o r i t h m w h i c hc o m b i n e st h ep i dc o n t r o la n dt h e m z z yc o n t r 0 1 t h ep r a c t i c es h o w st h a tt h ea l g o r i t h mh a st h ec h a r a c t e r i s t i c so f s m a l l e ro v e r s h o o t b e t t e rs t a b i l i t ya n df h s t e rr e s p o n s er a t e i tc a no v e r c o m et h e d i f 行c u l t i e st h a ti nt r a d i t i o nt h ep e n s t o c kw a t e rl e v e lc o r l t r o lc o m p l e t e l yd e p e n d e d o nt h eo p e r a t o r se x p e r i e n c e s e x p e n d i n gm o r et i m ea n de n e r g y a n dt h ea d j u s t i n g r e s u l t sw e r en o tv e r ya c c u r a t e 月dp r e s e n t t h i ss y s t e mh a sb e e na p p l i e di ng a n s up r o v i n c ez h a n g y ec i t y y i n g k ep e n s t o c ki r r i g a t i o ns y s t e ma n dr e a z e sl o n g d i s t a n tm o n i t o r m e m o r y 硕士学位论文 a n dm a n a g e m e n tt ow a t e rl e v e li n f o r m a t i o na n d d i s t r i b u t i n gw a t e rr e s o u r c e r e a s o n a b l e a n do b t a i n se c o n o m ya n ds o c i e t yb e n e f i ta l lr i g h t k e yw o r d s w a t e rr e s o u r c e l o n g d i s t a n tm o n i t o r f u z z ys e l f a d j u s t i n gp i d p l c w l a n c o n 6 9 u r a t i o ns o r w a r e m 分布式水利灌溉自动控制系统的研究与设计 插图索引 图2 1 系统结构图 5 图3 1o s i 参考模型 1 0 图3 2 局域网参考模型 1 0 图3 3 无线局域网参考模型 1 l 图4 1 系统总体结构图 1 5 图4 2p l c 组态图 1 6 图4 3 水位传感器 1 7 图4 4 系统配电图 1 9 图4 5 电气控制电路图 2 0 图4 6 数字量输入输出模块接线图 2 l 图4 7 模拟量输入模块接线图 2 2 图4 8 现地监控系统主程序流程图 2 4 图4 9 自动控制模块程序流程图 2 4 图4 1 0 数据采集程序流程图 2 5 图4 1 lp i d 控制系统原理框图 2 7 图4 1 2 模糊控制器的基本原理框图 2 9 图4 1 3 水位模糊自整定p i d 控制器原理图 3 0 图4 1 4e e c 隶属度函数曲线 3 l 图4 1 5 k p k i k d 隶属度函数曲线 3 l 图4 1 6 水位模糊自整定p i d 工作流程图 3 5 图5 1 软件开发环境界面图 3 8 图5 2 导航器的结构图 3 8 图5 3 工具箱的结构图 3 9 图5 4 工具条的结构图 3 9 图5 5 监控管理软件设计流程图 4 0 图5 6 定义i o 设备图 4 l 图5 7 定义i o 变量图 4 2 图5 8 支渠闸门监控界面 4 4 图5 9 年报表模块界面 4 4 图5 1 0 水量统计分析模块界面 4 5 图5 1 1 历史曲线模块 4 5 图6 1 浪涌抑制器接线图 4 9 硕士学位论文 附表索引 表3 1 无线局域网络和有线局域网络的对比 1 l 表4 1 k p 模糊控制规则表 3 2 表4 2 k i 模糊控制规则表 3 2 表4 3 k d 模糊控制规则表 3 2 表4 4 k p 模糊控制查询表 3 3 表5 1 动画链接方式 4 3 v 兰州理工大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明 所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究 成果 除了文中特别加以标注引用的内容外 本论文不包含任何其他个人或集体己经 发表或撰写的成果作品 对本文的研究做出重要贡献的个人和集体 均已在文中以明 确方式标明 本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担 作者签名 毒景为 日期 a 磁牢z 月髟日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留 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电子版 允许论文被查阅和借阅 本 人授权兰州理工大学可以将本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和汇编本学位论文 同时授权中国科学技 术信息研究所将本学位论文收录到 刖 1 c j l b l d z l1 珂 关薰输入楼块 瞰i 图4 6 数字量输入输出模块接线图 c l l 鬻 k 2 ll 开关鬣鞍融模块 l 模拟量输入的1 6 个点主要是完成对水渠闸门高度 水渠水位以及系统电参数 的测量 选用c j l w 二a d 0 8 1 v 1 模拟量输入模块 可接收输入范围为0 5 v 士1 0 v 0 1 0 v 0 2 0 m a 4 2 0 m a 的模拟量信号 通过初始设置可以设定输入类型和范围 本系统设定输入为4 2 0 m a 接线原理图如图4 7 所示 2 1 分布式水利灌溉自动控制系统的研究与设计 c j l 舅叫国0 8 卜v 1 模织鹭输入模块 舡 广一 冀 够黟 柏鲫 掌 馨一 支 a j t 广一 嚣 囝参 崩曲 h k 1 w t r 蝎一 t k 固 f 景 国移 融z 芒熟 ht 霞鸣警 棚 器 甚 c 囝 l 譬电 4 4 系统的软件开发 c h 臀 d 0 8 1 一y l 模拟鬣输入模块 n 图4 7 模拟量输入模块接线图 应用软件是现地监控系统的核心部分 与计算机软件不同的是监控系统的应 用软件开发与硬件组态有很大的相关性 即软件需要直接与硬件进行通信或固化 其中 对用户来说 实现现地监控系统功能的关键还是软件 下面详细介绍下位 机软件的开发过程 4 4 1 软件开发原则 软件开发中应遵循如下的原则 1 可靠性 软件系统的可靠性与硬件系统的可靠性一样 是关键性指标 是系统正常运行的基本保障 软件系统的开发应采用模块化的方法 减少模块间 的耦合 提高编写及调试速度 同时 软件中应设计诊断程序 自检程序 实现 系统的可靠性自检 确保系统的安全性 也可以通过设计软件陷阱 防止程序失 控 2 交互性 在运行过程中 能够实时接收用户命令 执行相应动作 完成 特殊任务 反馈执行结果 3 实时性 本测试系统是一个实时测量与控制系统 测控系统要求在运行 过程所允许的时间间隔内对系统进行控制 即能够在现场采集数据后 在允许的 时间间隔内及时对数据进行计算 处理 并做出正确判断 对系统进行相应的控 制 4 灵活性和通用性 为了节省内存和具有较高的适应能力 软件采用模块 硕士学位论文 化结构 在编写程序的时候 采用自顶向下的分析方法 将整个软件系统划分为 若干软件功能模块 然后针对每一个功能模块编写子程序 以后如果需要添加功 能或者修改现有功能 只需要添加或修改子程序即可 4 4 2 现地监控系统的软件开发 p l c 是现地监控系统的处理单元 同时也是监控系统的核心部分 它主要完 成水渠闸门的提升与下降控制 数据的采集 处理 发送 水位的模糊自整定p i d 控制 与上位机通信等 下位机软件设计的好坏决定了整个系统的测试精度和自 动化水平 1 编程工具与编程语言 p l c 有多种编程语言 梯形图 助记符语言 逻辑功能图 布尔代数语言和 某些高级语言 如b a s i c c 语言等 由于梯形图是沿用电气控制电路的符号所组 合而成的图形语言 具有易学易用 简单明了 直观的优点被广大的工程技术人 员所接受 因此它是现在使用最为广泛的编程语言之一 几乎所有厂家的p l c 都 支持梯形图编程 虽然各厂家的梯形图略有差异 但原理和方法都差不多 因此 本系统的软件开发就选用梯形图编程语言 由于各厂家的p l c 在功能 结构上存在较大差别 在应用软件的编译上也大 不相同 因此 没有适合于各个厂家p l c 的编程软件 现在世界上各个p l c 厂 家都研制了支持自己厂家p l c 的编程软件 用户可以根据自己所选的p l c 来选 择相应的编程软件 此次系统开发选用的是欧姆龙公司的p l c 因此在进行应用 软件的编制时使用的是该公司的编程软件c x p r o g r a m m e r 该软件支持三种编程 语言 梯形图语言 指令语言 顺序功能图 而且这三种语言还可以通过编译进 行相互转换 使用梯形图语言和顺序功能图语言时只需将所需的编程语言元素拖 到工作区便可组成所需的程序 p l c 控制程序的编制在p c 上进行 由于所选p l c 带有r s 2 3 2 通讯口可以和p c 之间进行连接 这样可以实现在线编程和调试 大 大缩短了程序开发和调试周期 2 程序结构 选择梯形图编程语言 使得程序结构显得非常简单 在本系统中 采用模块 化编程的理念 按照功能要求 共设计了5 个模块 数据采集模块 数据处理模 块 自动控制模块 水位模糊自整定p i d 控制模块 报警模块 它们分别为四个 闸门的提升与下降控制所调用 下面给出了现地监控系统下位机主程序流程图 如图4 8 所示 在系统主程序运行后 首先进行报警检测 如果系统产生报警 则进入报警处理程序 反之程序将继续执行 在无报警产生之后 系统将进入到 稳定运行阶段即自动处理阶段或是手动处理阶段 这是由操作人员选择的工作模 式而定 分布式水利灌溉自动控制系统的研冗与设计 图4 9 是自动控制模块程序流程图 程序开始运行时首先等待接收上位机传 送的有关信息数据 在没有接收到信息之前 下位机一直处于查询状态 一旦上 位机有消息发来 立即接收 接收完毕后进行分析判断 执行相应的操作 在水 渠水位控制的实现过程中调用水位模糊自整定p i d 控制模块和数据采集模块 图4 8 现地监控系统主程序流程图 图4 9 自动控制模块程序流程图 数据采集处理和水位模糊自整定p i d 控制是下位机软件的核心 这一部分内 容将在后面的章节里进行详细地介绍 4 5 数据采集处理 数据采集处理是下位机要完成的一项非常重要的任务 它是整个监控系统的 数据来源 采集处理数据的精确性直接影响到系统的控制水平 4 5 1 数据采集 数据采集程序的作用是采集水渠水位 闸门闸位 电参数等数据信息 采集 过程是各模拟量通道循环进行的 由于在硬件设计过程中已经规定了各个模拟量 通道的含义 所以在采集完各个通道的数据之后 将各个数据按照不同比例和规 定的数据类型进行数值变换 得到系统需要的数据格式 以便做后续处理和数据 显示 具体的数据采集流程图如图4 1 0 所示 硕士学位论文 图4 1 0 数据采集程序流程图 4 5 2 数据处理 从现场变送器到c j l w 二a d 0 8 1 v l 模块的输入端 一般都有相当一段距离 因而 在信号传输的途中不可避免受到各种干扰 这些干扰是随机的 必然会造 成随机误差 为了减少对采样数据的干扰 必须采用适当的方法加以消除 数字 滤波具有高精度 高可靠性和高稳定性的特点 广泛用于克服随机误差 数字滤波具有以下优点 1 数字滤波是由程序实现的 因而不需要增加硬件设备 只要程序在进入 数据处理和控制算法之前附加一段数字滤波程序即可 2 由于数字滤波不需要硬件设备 因而可靠性高 稳定性好 3 数字滤波可以对频率很低 如o 0 1h z 的信号实现滤波 克服了模拟滤 波器的缺陷 而且通过改写数字滤波程序 可以实现不同的滤波方法或改变滤波 参数 这比改变模拟滤波器的硬件要灵活方便 常用的数字滤波方法有程序判断法 主要针对幅值与有效信号幅值相差甚远 的随机干扰 算术平均滤波法 适用于对一般具有随机干扰的信号进行滤波 中 值滤波法 对变化较慢的被测参数能收到良好的滤波效果 递推平均滤波法 对 周期性干扰有良好的抑制作用 但对脉冲性干扰的抑制效果差 复合数字滤波 将两种或两种以上不同滤波功能的数字滤波组合起来 发挥各自优点 2 1 1 本系统采用算术平均滤波法与中值滤波法相结合的复合数字滤波对采样数据 进行滤波 对每一个测试参数分别采集3 0 次 去掉其中1 0 个最大值和1 0 个最小 值 然后计算中间的1 0 个数据的平均值 此方法的实质是先用中值滤波的原理除 去尖脉冲干扰引起的误差 然后把剩下的采样数据进行算术平均 融合了算术平 均值法和中值滤波法的优点 分布式水利灌溉自动控制系统的研究与设计 本测控系统采集的数据都有不同的量纲和数值 例如水位和闸位的单位为 m m 电流的单位为a 电压的单位为v 在下位机测控系统中所有这些物理量参 数都经过变送器转换为4 二2 0 m a 的电信号 经内部 d 转换成一系列的数码 为 了操作人员及工程需要 必须把这些数码转换成各种工程量单位 使之便于显示 记录和打印 这种转换被称为标度变换或工程量变换 模拟量输入模块 c j l w 二a d 0 8 1 v 1 将4 m a 的电流转换为数值4 0 0 0 2 0 m a 转换为数值2 0 0 0 0 则 实际采集参数的数值按下式计算 4 气卅 篙 4 1 式中 4 实际采集参数数值 4 j 测量仪表的上限值 4 测量仪表的下限值 杰 d 转换后的数值 在下位机中保存和发送的数据都是经过变换后的实际参数值 4 6 水位的模糊自整定p i d 控制 在前文已经分析过 灌溉水量的控制对农业灌溉的有效性来说是非常重要的 因此 可以得知对于整个灌溉自动控制系统来说 要比较圆满地完成既定的各项 任务 提高系统的准确度 水渠水位的控制至关重要 因此 需要寻求一个好的 算法来实现对水渠水位的控制 4 6 1 水位模糊自整定p ld 控制的提出 本系统中存在机 电 液多方面的因素 2 2 1 渠道内灌溉用水的流动非常复杂 渠道的中线是弯曲的 有些渠道在做旋转运动过程中或将能量传递给液体 或从 液体吸收能量 以至于无法用完整的数学解析式来描述渠道内流体运动的真实情 况 使得水位控制系统具有非线性 时变性以及不确定性的特点 2 3 1 因此对水位 的控制也就变得较为困难 传统的控制方法是通过人工调节闸门的高度来实现对 水渠水位的控制 也就是说完全依靠操作人员的经验进行人工现地操作 这样就 存在两个弊端 一是自动化程度不高 二是工况调整慢 稳定性差 控制精确度 不高 影响灌溉水资源的利用率 随着测控自动化程度的提高 就要求我们寻找 合适的控制方法 提高整个系统的控制效率 精确度和自动化程度 p i d 算法自出现以来 由于其具有原理简单 使用方便 适应性广和鲁棒性 强等特点 在很多控制过程中得到了满意的效果 通过多年的实际应用 它已经 成为最成熟 应用最广泛的一种控制技术 但由于其参数固定 对于不同对象或 同一对象的不同控制阶段 很难取得最佳响应 对环境的变化及系统中的不确定 硕士学位论文 性也很难适应 模糊控制理论在处理复杂的 非线性 大时滞 难以用精确数学模型描述的 对象控制中表现出优越的性能 并且具有快速性 鲁棒性好的特点 但是常规的 模糊控制器组成的控制系统的稳态精度难以达到要求 这主要有两个方面的原因 首先是常规模糊控制器相当于比例微分调节器 不具有积分功能 其次常规模糊 控制器的控制精度与误差值量化论域的等级数有关 增加分档级数 可以提高稳 态精度 但也扩大了模糊关系矩阵的维数 增加控制表的容量 这不利于提高控 制系统稳定性和快速性 由以上分析并结合本系统的实际情况 若采用某种单独的控制算法难以满足 此处对水位的高精度和高稳定性的控制要求 所以考虑将模糊控制和p i d 控制器 两者结合起来 扬长避短 既具有模糊控制灵活和适应性强的优点 又具有p i d 控制精度高的特点 2 牝6 1 4 6 2pld 控制理论 p i d 控制器结构简单 工作稳定 鲁棒性较强 广泛应用于冶金 化工 电 力 机械等工业过程控制领域 并取得了较好的控制效果 至今 工业过程控制 中所用的8 0 以上仍是纯p i d 调节器 若包括各种改进型 则超过9 0 2 7 2 9 p i d 控制的原理框图如图4 1 1 所示 p i d 控制器是一种线性控制器 它根据给定值r t 与实际输出值c t 构成控制 偏差e t 口 f f 一c o 4 2 将偏差的比例 p 积分 i 和微分 d 通过线性组合构成控制量 对 被控对象进行控制 式中 图4 1 1p i d 控制系统原理框图 故称为p i d 控制器 其控制规律为 砸 峰h 扣帆警i 3 k 比例系数 写 积分时间常数 死 微分时间常数 p i d 控制器各校正环节的作用如下 2 7 分布式水利灌溉自动控制系统的研究与设计 1 比例环节的作用是即时成比例地反映控制系统的偏差信号e t 偏差一 旦产生 控制器立即产生控制作用 以减少偏差 2 积分环节的主要用于消除静差 提高系统的无差度 积分作用的强弱取 决于积分时间常数五 墨越大 积分作用越弱 反之则越强 3 微分环节能反映偏差信号的变化趋势 变化速率 并能在偏差信号变 得太大之前 在系统中引入一个有效的早期修正信号 从而加快系统的动作速度 减少调节时间 在计算机控制系统中 使用的是数字p i d 控制器 数字p i d 控制算法通常又 分为位置式p i d 控制算法和增量式p i d 控制算法 位置式p i d 表达式为 i 峰p 墨 p o p 一p j 一1 4 4 o 式中 七 采样序号 七 o 1 2 留 口转 第k 次采样时刻计算机的输出值和输入偏差值 e 后一1 第 k 1 次采样时刻输入的偏差值 墨 积分系数和微分系数 墨 群丁 互 如 砟瓦 丁 t 为 采样周期 增量式p i d 表达式为 材 巧 p 后 一p 一1 卜 蜀p p 一2 p 一1 口 后一2 4 5 采用增量式算法时 输出只与前三次采样值有关 计算量少且实时性好 计 算机输出的控制增量 l 后 对应的是本次执行机构位置 例如闸门高度 的增量 对 应阀门实际位置的控制量 可直接用算式材 缸 后 甜 七一1 计算得到 3 0 3 1 1 4 6 3 模糊控制理论 1 9 6 5 年 美国自动控制专家l a z a d e h 在其论文 f u z z ys e t s 中首次提出 用 隶属函数一概念来定量描述事物模糊性的模糊集合理论 从而奠定了模糊数 学基础 1 9 7 4 年 英国工程师e h m a m d a n i 首次把模糊集合理论用于锅炉和蒸汽 机的控制并取得良好的效果 从而在自动控制领域里开辟了模糊控制理论及其工 程应用的崭新时代 模糊控制是从行为上模拟人的模糊推理和决策过程的一种实 用控制方法 与人的思维较为接近 它不依赖于系统精确的数学模型 3 2 1 易于实 现对不确定性系统及强非线性系统的有效控制 对过程及参数变化有较强的鲁棒 性 抗干扰能力也较强 特别是 对于大时滞 非线性等难于建立精确数学模型 的复杂系统 应用模糊控制理论 通过计算机实现模糊控制 往往能取得满意的 控制效果 且所需设备简便 经济效益显著 模糊控制的基本原理框图 3 3 3 4 如图 4 1 2 所示 硕士学位论文 模糊 控制器 鼍置库 m 坛e t 篓糊垡l 竖一塑l 解模糊 蚴被控对象心 弋 接 口 推理机 接口 图4 1 2 模糊控制器的基本原理框图 它的核心部分为模糊控制器 如图中虚线框中部分所示 实现一步模糊控制 算法的过程描述如下 将输出量c t 与给定值r t 比较得到误差信号e t 把误差信号的精确量进行模糊化转换成模糊量 误差e t 的模糊量可用模糊语 言表示 得到误差模糊语言集合的一个子集e e 是一个模糊矢量 再由e 和模 糊控制规则r 模糊算子 根据推理的合成规则进行模糊决策 得到模糊控制量 u u e o 尺 4 6 图4 1 2 表明模糊控制器主要包括四个部分 模糊化 知识库 模糊推理 解 模糊 模糊化接口具有两个功能 一是对输入量实现论域变换 将实际的输入量的 变化范围通过尺度变换因子变换为规范化的论域 二是对规范化的论域定义若干 个模糊集合和它们的隶属度 知识库是由数据库和规则库两部分构成 数据库存放的是所有输入输出变量 的全部模糊子集的隶属度矢量值 即经过论域等级离散化以后对应值的集合 在 规则推理的模糊关系方程求解过程中 向推理机提供数据 规则库是基于专家知 识或手动熟练操作人员长期积累的经验 它是按人的直觉推理的一种语言表示形 式 模糊规则通常由一系列的关系词连接而成 如i t h e n e l s e a l s o e n d o r 等 例如 某模糊控制系统输入变量为e 误差 和e c 误差变化 它们对应的 语言变量为e 和e c 可给出一组模糊规则 r l i f ei s 套i ba n de ci sn bt h e nui sp b r 2 i fei sn ba n de ci sn st h e nui sp m 通常把i f 一部分称为前提部分 而t h e n 部分称为结论部分 其基本结构可 归纳为i f aa n dbt h e nc 其中a 为论域w 上的一个模糊子集 b 为论域v 上的 一个模糊子集 根据人工控制经验 可离线组织其控制决策表r r 是笛卡儿乘 积集w v 上的一个模糊子集 则某一时刻其控制量由下式给出 c 研 功o r 47 分布式水利灌溉自动控制系统的研究与设计 式中 模糊直积运算 o 模糊合成运算 规则库是用来存放全部模糊控制规则的 在推理时为 推理机 提供控制规 则 由上述可知 规则条数和模糊变量的模糊子集划分有关 划分越细 规则条 数越多 但并不代表规则库的准确度越高 规则库的 准确度 还与专家知识的 准确度有关 推理机是模糊控制器中 根据输入模糊控制量 由模糊控制规则完成模糊推 理来求解模糊关系方程 并获得模糊控制量的功能部分 推理结果的获得 表示模糊控制的规则推理功能已经完成 但是 至此所得 的结果仍是一个模糊矢量 不能直接用来作为控制量 还必须做一次转换 求得 清晰的控制量输出 即为解模糊 通常把输出端具有转换功能作用的部分称为解 模糊接口 1 0 3 4 4 解模糊常采用以下三种方法 最大隶属度法 重心法 加权平 均法 综上所述 模糊控制器实际上就是依靠微机来构成的 它的绝大部分功能都 是由微机程序来完成的 4 6 4 水位模糊自整定pid 控制器的设计 水位控制系统具有非线性 时变性以及不确定性 采用常规p i d 算法 用一 组固定的参数进行控制的效果并不理想 而模糊控制运用模糊数学的基本理论和 方法 把操作人员 专家 长期实践积累的经验知识用控制规则模型化 并把这 些模糊控制规则以及相关信息 如评价指标 初始p i d 参数等 作为知识存入知识 库 根据控制系统的实际响应情况 专家系统的输入条件 运用模糊推理 即可 自动实现对p i d 参数的最佳调整 这就是模糊自整定p i d 控制 本水渠水位控制 系统的模糊自整定p i d 控制器原理图如图4 1 3 所示 图4 1 3 水位模糊自整定p i d 控制器原理图 本系统选用的模糊控制器为二维模糊控制器 其中 f 为水位给定值 实际 测得的水位为c 偏差e 为r 与c 的差值 e c 为偏差的变化率 以e 和e c 作为模 糊控制器的输入 输出变量为要整定的p i d 参数 k p k i k d 在运行中通 过不断检测e 和e c 再根据模糊控制原理来对p i d 三个参数进行在线修改 以满 硕士学位论文 足不同e 和e c 对控制器参数的不同要求1 3 6 1 从而使被控对象具有良好的动 静 态性能 设计步骤如下 1 输入输出量的模糊化 水位模糊自整定p i d 控制器的模糊输入变量和输出变量的模糊子集均取为 负大 负中 负小 零 正小 正中 正大 为了方便起见 通常采用如下简记形式 n b n m n s z o p s p m p b 输入变量的论域量化为1 3 个等级 即1 6 5 4 3 2 1 o l 2 3 4 5 6 输出变量的论域量化为1 5 个等级 即 7 6 5 4 3 2 1 0 l 2 3 4 5 6 7 将连续变化的精确量进行离散模糊化 隶属函数均选择三角函数 其隶属函 数吐线分别如下图4 1 4 4 1 5 所示 i u 似 i l u lp sp mp b 掀冷仪l 64 2 024 6 7 5 3 l 0l3 57 图4 1 4e e c 隶属度函数曲线图4 15 k p k l k d 隶属度函数曲线 2 控制规则的建立 进行模糊整定的关键环节是模糊控制器的模糊控制规则 在建立模糊规则时 必须考虑控制规则的完备性 交叉性和一致性 即对于任意的给定输入 均有相 应的控制规则起作用 控制规则是相互联系 相互影响的 控制规则通常来源于 人们对水位控制的经验总结 根据专家经验知道 控制品质的好坏很大程度上在 于k p k i k d 的选取 在实际操作过程中 应遵循以下规则 1 当i e l 较大时 为加快系统响应速度应取较大k p 同时为避免由于开始 时l e i 的瞬时变大可能出现的微分过饱和而使控制作用超出许可范围 应取较小的 k d 为防止出现较大超调 产生积分饱和 应对积分加以限制 取k i 为零 2 当l e i 和i e c i 处于中等大时 为使系统具有较小的超调 k i 应取小一些 k p 和k d 要大小适中 以保证系统响应速度 3 当fe f 较小 即接近设定值时 为使系统有良好的稳态性能 应增加k p 和k i 的取值 同时为避免系统在设定值附近出现振荡 并考虑系统的抗干扰性能 当k i 较大时 k d 可取小一些 当i 贸l 较小时 k d 可以取大一些 根据以上的控制原则 推理出4 9 条规则 制定控制规则表如表4 1 4 2 4 3 所示 同时 此规则表也是基于实践和现场操作人员的经验 导出的 具有很强的 分布式水利灌溉自动控制系统的研究与设计 实用性和借鉴意义 表4 1 k p 模糊控制规则表 薄c 义 n bn mn s z op sp m p b n bp bp bp mp mp sz oz o n mp bp bp mp sp sz on s n sp mp mp mp sz on s n s z op mp mp s z o n sn mn m p s p sp sz on sn sn mn m p mp sz on sn m n mn mn b p bz oz on m n m n mn b n b 表4 2 k l 模糊控制规则表 螓c 泌 n bn mn sz op sp mp b n bn bn bn m n mn sz oz o n m n bn bn mn sn sz o z o n sn bn mn sn sz op s p s z on m n mn s z op sp mp m p sn mn sz op sp sp m p b p mz 0z op sp sp mp bp b p bz 0z op sp mp mp bp b 表4 3 k d 模糊控制规则表 澳c 文 n bn mn s z op sp mp b n bp sn sn bn bn bn m p s n mp sn sn bn m n mn sz o n sz on sn m n mn sn s z o z oz on sn sn sn sn sz o p sz oz oz oz oz oz o z o p mp bp sp sp sp sp sp b p bp bp mp mp mp sp s p b 3 2 硕士学位论文 3 模糊推理 模糊控制规则实质上是一组多重条件语句 因果关系的集合描述 由模糊集 合理论可知 这种因果关系可以表示为从误差论域e 和误差变化率论域e c 到控 制量论域 k p k i k d 的一个模糊关系矩阵 三个量的计算步骤一样 以 k p 为例说明其计算过程 每一条控制规则语句都对应一个模糊关系矩阵墨 咒 互 玛 华蹦 i j 2 l 2 7 m 2 l 2 4 9 4 8 当所有的瓦都求出来后 则可以建立总的模糊关系矩阵r 4 9 r u r 4 9 i i l 在得到了基于手动控制策略总结出来的模糊关系矩阵r 以后 当e 和e c 取 其规范化论域内的某一值时 将它们视为模糊单点 2 引 根据推理合成规则 即可 求得相应的输出语言变量论域上的模糊集合 峨 暇 晖 灭 i j l 2 7 4 1 0 这样可得到一个输出模糊集合 它反映控制语言变量的不同取值的一种组合 4 模糊控制决策 如果要控制被控对象 只能有一个控制量 这就需要对输出的模糊子集判决 出一个精确的控制量 即设计一个由模糊集合到普通集合的映射 本系统可以采 用最大隶属度法 最大隶属度函数法是在输出模糊集合中选取隶属度最大的论域 元素的判决结果 如果在多个论域元素上同时出现最大隶属度 则取它们的平均 值作为判决结果 判决结果要经过取整 得到对应的量化等级值 根据量化等级 与精确值的对应关系计算出控制量 经过反复调试 人工修正后生成的 k p 查询 表如表4 4 所示 表4 4 k p 模糊控制查询表 麒c i 泌 6 5 4 3 2 10 l2 34 5 6 6766677 74 4200o 56666666442o00 47676777442oo0 3766666632 0 1 11 24445444100 l l l3 2 l 分布式水利灌溉自动控制系统的研究与设计 044 4 51 1o l 1 1 4 4 4 1222200 1 4 4 3 4 4 4 2l2l2 o 3 4 4 4 3 4 4 4 300o0 3 3 6 6 6 6 6 6 7 400o 2 4 4 7 7 7 6 7 6 7 50o0 2 4 4 6 6 6 6 6 6 6 60o 0 2 4 4 7 7 7 6 6 6 7 同样 对于参数 k i k d 的计算也运用上述方法 生成各自的模糊查询表 在本系统中将控制表离线算出 然后存到p l c 的数据存储区 实时控制时得到e 和e c 分别乘以量化因子l k 得到e 和e c 的论域值e 和e c 然后查表求出 k p k i k d 的论域值 再分别乘以比例因子k k p k k i k k d 得到k p k i k d 的修正量 即可按式 4 1 1 计算出实际k p k i k d 值 这种方法的优点 是响应速度较快 资源开销少 耳 t e 霹 p 局 k e k 如 k e 西 d 其中足 足 尺 为p i d 参数的初始值 p i d 控制器参数初始值有多种整定 方法 常规的有临界比例度法 经验法 衰减振荡法 基于给定相位裕度 p m 整定法等 本文采用临界比例度法进行整定 该方法是基于纯比例控制系统临界 振荡试验所得数据 利用一些经验公式求取p i d 控制器参数 可在不知道对象数 学模型情况下确定参数值 主要过程为 将x 茁d 设为零 x p 取较小的值 逐 渐增大x p 直到系统出现等幅振荡 记录此时的临界振荡增益k p r 和临界振荡周 期瓦 按以下公式计算p i d 参数初始值 群 o 6 k 蜀 1 2 k 砭 如2 0 0 7 5 k 乏 4 1 2 利用以上方法得到系统的p i d 参数初值为 如 7 5 砭 3 6 则砗 4 5 局2 2 5 2 2 0 2 5 p i d 控制器采用增量式 其输出的控制增量 l 按式 4 5 求出 对应的 是本次闸门开度的增量 对应闸门实际位置的控制量 可用算式 甜 砧 七 甜 七一1 得至0 水位模糊自整定p i d 工作流程图如图4 1 6 所示 硕士学位论文 开始 l i k k 模糊化 l 参数初始化 查修正表专 k p k i k d i 读取当前水位采样值l l 0 计算当前k p k i 岛i k 彳 k c k 上 k e k e k 1 p 控制器输出计算 尚 e k 1 e k 图4 1 6 水位模糊自整定p i d 工作流程图 3 5 分布式水利灌溉自动控制系统的研究与设计 第5 章监控中心管理软件 5 1 软件开发工具 传统的管理软件开发思路 一般是开发者选择一种自己熟悉的程序设计语言 进行程序设计实现所需功能 随着科学技术的发展 管理软件处理的信息量越来 越大 从而使软件的编程量很大 在这种情况下 使传统的软件开发方式就会产 生开发成本高 开发周期长 软件通用性差 维护困难等弊端 3 7 4 9 1 组态软件将工业控制管理常用功能组合在一起形成一个新的软件平台 用户 只需在这个软件平台下进行二次开发系统所需的软件即可 其优点有 1 提高系 统的成功率和可靠性 2 缩短项目开发周期 3 减少开发费用 5 1 1 组态软件概述 组态 c o n f i g u r a t i o n 为模块化任意组合 通用组态软件的主要特点有 1 延续性和可扩充性 用通用组态软件开发的应用程序 当现场 包括硬 件设备或系统结构 或用户需求发生改变时 不需作很多修改就可以方便地完成软 件的更新和升级 2 封装性 易学易用 通用组态软件所能完成的功能都用一种方便用户使 用的方法包装起来 使用户能够在较短的时间内很好地完成一个复杂工程所要求 的所有功能 3 通用性 每个用户根据工程实际情况 利用通用组态软件提供的底层设 备 p l c 智能仪表 智能模块 板卡 变频器等 的i o 驱动 开放式的数据库 和画面制作工具 就能完成一