智能控制 - 副本.docVIP

基于组态王和MATLAB的模糊PID控制的应用1.1 内容摘要： 为了充分利用组态王良好的可视化界面功能与MATLAB强大的数值分析和控制系统仿真功能的各自优势来实现更好的工业控制，本文利用了一种编写MATLAB的S函数来实现组态王与MATLAB的动态数据交换(DDE)的方法，运用组态软件生成复杂友好的交互式人机界面(HMI)，MATLAB的模糊控制工具箱完成模糊PID控制算法的运算，这样充分发挥二者优势，使得用户能够方便快捷地开发出复杂算法的控制系统，并将Mailab所附带的工具箱Fuzzy助gicTooIBox和Simulink有机地结合起来进行系统仿真，结果证明该方法具有良好的控制效果，效率高，通用性强，更换仿真模型中的控制算法模块就可实现各种复杂的工业控制过程，这大大增强了组态王的实时监控功能。1.2 内容简介： 近年来，随着计算机技术及应用的飞速发展，各个领域对自动控制系统控制精度、响应速度、系统稳定性与适应能力的要求越来越高，所研究的系统也日益复杂多变。然而在工业生产和其他领域中，由于被控对象常具有非线性、不确定性及参数时变等复杂因素，难以建立被控对象的简单精确的模型，因而给控制系统的设计带来了极大的困难。模糊控制在一定程度上模仿了人的控制，它不需要有准确的控制对象模型，这种控制方法既可用于简单的控制对象也可用于复杂的对象。因此，模糊控制系统在工业控制中获得了广泛的应用。组态软件作为一个开放型的通用工业监控系统，支持工控行业中大部分国内常见的测量控制设备，并遵循工控行业的标准采用开放接口提供第三方软件的连接(DnE/oPe/Ae皿vEE等)4，用户无须熟悉复杂的通信协议源代码、无须编写大量的图形生成、数据统计处理程序代码就可以方便快捷地进行画面开发、简单的程序编写、函数调用、设备连接。但其缺点是计算能力不强，难以实现复杂的控制算法。而MATLAB(Matri、Laboratory)应用软件拥有丰富的多学科工具箱、强大的工程计算和图像图形处理功能。因此，本文在监控系统软件的开发中应用组态软件和MATLAB相结合。以组态软件作为系统主控，进行动态工艺图显示、PLC参数设置、实时数据采集等操作;以MATLAB作为后台应用程序实现控制系统分析、控制系统设计、曲线绘制等功能，这样使得编程更加灵活高效，能达到更好的控制效果。2.1 控制系统原理结构框图：2.2 模糊控制的算法实现：a=newfis(fuzzf);f1=1;a=addvar(a,input,e,-3*f1,3*f1);a=addmf(a,input,1,NB,zmf,-3*f1,-1*f1);a=addmf(a,input,1,NM,trifm,-3*f1,-2*f1,0);a=addmf(a,input,1,NS,trimf,-3*f1,-1*f1,1*f1);a=addmf(a,input,1,Z,trimf,-2*f1,0,2*f1);a=addmf(a,input,1,PS,trimf,-1*f1,1*f1,3*f1);a=addmf(a,input,1,PM,trimf,0,2*f1,3*f1);a=addmf(a,input,1,PB,smf,1*f1,3*f1);a=addrule(a,rulelist);a=setfis(a,DefuzzMethod,centroid);writefis(a,fuzzpid);a=readfis(fuzzpid);k_pid=evalfis(e_1,ec_1,a);Kp(k)=Kp0+k_pid(1);Ki(k)=Ki0+kpid(2);Kd(k)=Kd0+k_pid(3);2.3 matlab仿真： 图2 t-kp曲线 图3 t-ki曲线 图4 t-kd曲线图 图5 r-y曲线图图6-常规PID控制r-y图2.3 在simulink中建立如图3的系统模型: 下图是对传递函数为的工业对象进行仿真。采样时间是lm，采用模糊PID控制进行阶跃响应，在第300个采样时间是控制器输出加1.0的干扰。 图7-系统仿真模型 其中的模糊控制器的建立方法为:在模糊控制器的编辑画面，一个输人项作为偏差E，一个输人项作为偏差的变化率CE，并对两个输人项的隶属函数进行编辑。在模糊规则控制器中编辑模糊控制规则。不同的模糊控制器一般有不同的模糊控制规则。在此系统中的模糊控制规则表如表1。 表一 根据这个规则表按ifE=EiandCE=CEithenU=Ui，i=1，2，n的形式在模糊规则编辑器中编写控制规则。然后将文件存盘，文件名设为foz1.fis。在命令窗口中输人命令场阳trix二。a面s(“fuzl”)，然后在系统模型中的模糊控制功能模块中输人模糊推论矩阵的名称甸叨atrix，即完成了系统的simulink模型的建立。整个DDE通信部分的软件设计可以使用MATI曰AB语言编写灵活的S函数来实现，以M文件形式存在.sinlulink提供的一个M文件形式的S函数模板，包括定义一些必要函数的语句和一些注释，这样，程序编写简单，修改起来也容易，有利于又水算法的分析和改进。具体流程如图8所示。 图8 控制流程图 从以上仿真曲线可以看出，用模糊PID控制器可比常规PID的控制的超调量小，在很短时间内就能使系统没有超调。模糊PID具有鲁棒性，自适应性，超调小等优点。比普通PID具有很大的优势。在模糊逻辑工具箱中还能方便地修改输人输出的论域、模糊子集、隶属度函数、模糊控制规则、模糊决策方法及解模糊方案，然后仿真找到较佳的控制方案。3 结论： 采用传统的编程语言设计控制系统，需要设计人员深人了解系统的硬件接口，设计及优化算法等，对开发人员的要求较高。而本文利用组态软件完成对现场的数据采集、监控画面绘制、数据库等功能，利用MATLAB工具箱提供的一些模糊控制函数，对控制系统实行模糊PID控制，通过编写MATLAB的S函数的方法实现MATLAB与组态软件的DDE通信，取得了较好的控制效果。该方法具有程序的可移植性，而且实现也比较简单。通过更换仿真模型中的控制算法模块，就可实现各种复杂的工业控制过程，通用性较强。由于数据需要在两个软件之间进行传输，数据的可靠性和处理速度上会存在不足，但对于大部分过程参数而言，该系统均能满足要求。主要参考文献：1刘叔华盖晓华等.Mailal刃.0控制系统应用与实例.北京:机械工业出版社，2005.92刘金现.知左PID控制MATI汰B仿真.北京:电子工业出版社月仄辫.9【3董新利，王景景.在控制系统中实现组态王与MATLAB的DDE通讯.微计算机信息J，200521一8一14北京亚控自动化软件科技有限公司.组态王6.0使用手册【M.北京，2(X)2，23 结论： 采用传统的编程语言设计控制系统，需要设计人员深人了解系统的硬件接口，设计及优化算法等，对开发人员的要求较高。而本文利用组态软件完成对现场的数据采集、监控画面绘制、数据库等功能，利用MATLAB工具箱提供的一些模糊控制函数，对控制系统实行模糊PID控制，通过编写MATLAB的S函数的方法实现MATLAB与组态软件的DDE通信，取得了较好的控制效果。该方法具有程序的可移植性，而且实现也比较简单。通过更换仿真模型中的控制算法模块，就可实现各种复杂的工业控制过程，通用性较强。由于数据需要在两个软件之间进行传输，数据的可靠性和处理速度上会存在不足，但对于大部分过程参数