模糊控制器参数自寻优设计说明书

1、摘要模糊控制其实质是对人的思维过程的一种模拟，但常规的模糊控制器的参数与控制规则无法随着被控对象的改变而变化，从而无法保证始终有较好的控制性能。本设计以先进控制实验室的PCS流量单元为实验设备，基于S7-300，OPC及MATLAB软件，通过校园局域网开发网络化的自寻优模糊控制系统。首先，以校园网为通信基础，S7-300 PLC作为OPC的服务器，上位PC机作为OPC的客户端，搭建网络控制平台，其次在MATLAB中搭建模糊控制模型及控制规则可调整的模糊控制器，确定以ITAE作为寻优的目标函数进行单纯形法的寻优控制，最后在搭建的NCS平台进行系统调试，分析系统动态性能和优化设计结果。结果表明可寻

2、优的模糊控制器系统能达到快速小超调且稳定的设计目标，相比常规的模糊控制器有更好的控制效果，适用于无需精确数学模型，时变，非线性等包含较多不确定性的控制系统。关键词：模糊控制；MATLAB控制系统；参数自寻优；优化设计；单纯形法AbstractFuzzy Control and its essence is an analog of the human thinking process, but the conventional parameters and control rules of fuzzy controller can not change with the change of t

3、he controlled object, which can not always guarantee better control performance. The design of advanced control laboratory for the experimental device PCS traffic unit, based on S7-300, OPC and MATLAB software, developed by the campus LAN network of self-optimizing fuzzy control system. First, the c

4、ampus network as communication infrastructure, S7-300 PLC as the OPC server, host PC as an OPC client, set up the network control platform, followed by the fuzzy controller fuzzy control model to build and control rules adjustable in MATLAB OK to ITAE as optimization objective function optimization

5、control of the simplex method, and finally build the NCS platform for system debugging, analysis of system dynamic performance and optimization results. The results show that optimization of the fuzzy controller can achieve rapid system small overshoot and stable design goals, compared to convention

6、al fuzzy controller has better control effect, applicable without accurate mathematical model, time-varying, nonlinear contains Multiple control system uncertainty.Key Words: Fuzzy Control; MATLAB Control System; Parameter Self-Optimizing；Optimized design；Simplex Method目录第一章 概述11.1毕业设计的技术背景和设计依据11.2

7、设计中使用的软件硬件介绍21.3设计的任务及内容4第二章 方案论证62.1PCS系统及流量控制单元62.2西门子S7-300 PLC的介绍82.3控制方案的确定9第三章 半实体平台的建立113.1配置PC机的硬件机架123.2在STEP 7中组态PC Station133.2.1网络组态163.2.2组态下载173.2.3软件组态193.3 SIMULINK中利用OPC工具箱搭建平台213.4 PLC模拟量输入输出数据处理263.5系统通信测试分析及虚拟网络延时与丢包的引入30第四章 常规模糊控制器的设计314.1模糊控制的数学基础314.1.1模糊子集与运算314.1.2模糊推理324.2模

8、糊控制算法原理简介344.3精确量的模糊化354.3.1模糊控制器的语言变量354.3.2量化因子与比例因子364.3.3语言变量值的选取374.4模糊控制算法的设计374.4.1常见的模糊控制规则374.4.2输出信息的模糊判决384.5基于MATLAB的模糊控制器的实现方法394.5.1建立常规模糊控制器与OPC模块的控制模型394.5.2建立GUI的模糊推理系统及控制规则404.5.3用MATLAB语言编程的方法实现模糊控制系统的设计434.6常规模糊控制器的效果分析44第五章 参数自寻优的模糊控制器的设计465.1优化方案的选择465.2性能指标的选择475.3参数寻优的实现485.3

9、.1模糊控制规则及参数的调整485.3.2寻优过程的目标函数选取505.3.3参数优化的模糊控制器的建立515.4实际系统的运行555.5控制效果分析58毕业设计总结59参考文献61外文资料及翻译63致谢75IV第一章 概述1.1毕业设计的技术背景和设计依据76随着科学技术的发展和自动化水平的不断提高，智能控制已经在工业控制领域得到广泛的应用，而模糊控制作为智能控制的一个重要分支，其实质是对人观察，思考，判断，决策的思维过程的一种模拟，因为模糊控制的良好性能，也在控制领域得到了普遍的应用。在传统的控制领域里，控制系统动态模式的精确与否是影响控制优劣的最主要关键，系统动态的信息越详细，则越能达到

10、精确控制的目的。然而，在大多数的工业过程控制中，被控对象通常具有严重的滞后、时变、非线性的特性，使得传统PID控制难以获得满意的动、静态效果。对于这样的复杂系统，往往难以正确的描述系统的动态，于是工程师便利用各种方法来简化系统动态，以达成控制的目的，但却不尽理想。换言之，传统的控制理论对于明确系统有强而有效的控制能力，但对于过于复杂或难以精确描述的系统，则显得无能为力了。因此便尝试着以模糊数学来处理这些控制问题。“模糊”是人类感知万物，获取知识，思维推理，决策实施的重要特征。“模糊”比“清晰”所拥有的信息容量更大，内涵更丰富，更符合客观世界。自从Lotfi A.Zadeh于1974年成功地将模

11、糊理论应用于控制领域后，模糊控制日益受到人们的青睐。近年来，模糊控制在工业过程和家用电器领域得到了广泛应用。但模糊控制器的参数(包括输入、输出变量的量化因子、比例因子，输入、输出变量各模糊集的隶属度函数、模糊控制规则等)至今仍缺乏有效的设计和调整方法，而只能依靠设计者的经验和反复调试，因而整个设计过程缺乏系统性，造成模糊控制器的设计无法保证有最优的控制性能。虽然常规模糊控制器设计简单，易于实现，有着广泛的应用。但也因模糊控制器的设计在很大程度上依赖于设计者的实践经验，带有相当的主观性。因此，对于一个特定的被控对象，需要借助某种手段对控制器进行优化才能取得较为满意的设计效果。而改善模糊控制性能的

12、最有效方法是优化模糊控制器的控制规则和有关参数。本设计提出了一种基于单纯形法的优化方法。该方法首先利用MATLAB中的模糊系统工具箱结合MATLAB函数构建控制规则可调整的模糊控制器，然后利用最优化工具箱优化模糊控制器的控制规则和参数，从而提高模糊控制器的控制性能。最后利用OPC通讯建立与德国FESTO公司研制生产的PCS实验装置的连接，进行系统调试，使流量单元在阶跃输入信号作用下得到快小超调的速稳定目标。结果表明控制规则及参数优化后系统有更好的动态性能和控制效果。本设计在德国FESTO公司研制生产的PCS实验装置上进行调试，该装置集成了目前工业控制中较为典型的四种控制系统：液位控制、流量控制

13、、压力控制、温度控制，分为四个独立站。数据采集方便，利于模糊控制器自寻优方法的实施。故本设计通过对PCS平台流量控制单元研发，进行基于PCS流量单元的自寻优模糊控制，通过校园局域网和相应的通信协议，实现PCS流量单元和MATLAB/Simulink的半实物网络化控制系统的连接，在开发的实验平台上对模糊控制器参数进行寻优。一论文的研究意义常规模糊控制器设计简单，易于实现，但是整个过程中的参数都是固定不变的，而且具体参数的选取依靠设计者的设计经验，没有特别理论化的选取方法，因而限制了其控制性能的进一步提高。而改善模糊控制性能的最有效方法是优化模糊控制器的控制规则和有关参数。本设计在完成了理论分析的

14、基础上，利用MATLAB的模糊逻辑工具箱和优化工具箱，构建模糊控制器，通过单纯形法对控制参数寻优，并且利用搭建半实体NCS实验平台进行系统调试，通过单纯形法的M文件的程序寻优，使得比例因子Ke,Kec,和量化因子Ku得到优化的值，当输入信号改变时，继续调用程序寻优，改变控制参数，从而达到了比常规模糊控制器更好的控制效果。二模糊控制研究的现状及发展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。常

15、规模糊控制的两个主要问题在于：改进稳态控制精度和提高智能水平与适应能力。在实际应用中，往往是将模糊控制或模糊推理的思想，与其它相对成熟的控制理论或方法结合起来，发挥各自的长处，从而获得理想的控制效果。由于模糊规则和语言很容易被人们广泛接受，加上模糊化技术在微处理器和计算机中能很方便的实现，所以这种结合展现出强大的生命力和良好的效果。对模糊控制的改进方法可大致的分为模糊复合控制，自适应和自学习模糊控制，以及模糊控制与智能化方法的结合等三个方面。1.2设计中使用的软件硬件介绍MATLAB是matrix&laboratory两个词的组合，意为矩阵工厂（矩阵实验室）。MATLAB工作界面是由美国mat

16、hworks公司发布的主要面对科学计算、可视化以及交互式程序设计的高科技计算环境。它将数值分析、矩阵计算、科学数据可视化以及非线性动态系统的建模和仿真等诸多强大功能集成在一个易于使用的视窗环境中，为科学研究、工程设计以及必须进行有效数值计算的众多科学领域提供了一种全面的解决方案，并在很大程度上摆脱了传统非交互式程序设计语言（如C、Fortran）的编辑模式，代表了当今国际科学计算软件的先进水平。MATLAB由一系列工具组成。这些工具方便用户使用MATLAB的函数和文件，其中许多工具采用的是图形用户界面。包括MATLAB桌面和命令窗口、历史命令窗口、编辑器和调试器、路径搜索和用于用户浏览帮助、工

17、作空间、文件的浏览器。随着MATLAB的商业化以及软件本身的不断升级MATLAB的用户界面也越来越精致，更加接近Windows的标准界面，人机交互性更强，操作更简单。而且新版本的MATLAB提供了完整的联机查询、帮助系统，极大的方便了用户的使用。简单的编程环境提供了比较完备的调试系统，程序不必经过编译就可以直接运行，而且能够及时地报告出现的错误及进行出错原因分析。 但MATLAB只支持部分板卡，而且与多数PLC无法进行直接通讯，这些不足限制了MATLAB在工业控制领域中的应用。OPC全称是OBJECT LINGKING AND EMBEDING（OLE） for Process Control

18、，它的出现为基于Windows的应用程序和现场过程控制应用建立了桥梁。在过去，为了存取现场设备的数据信息，每一个应用软件开发商都需要编写专用的接口函数。由于现场设备的种类繁多，且产品的不断升级，往往给用户和软件开发商带来了巨大的工作负担。通常这样也不能满足工作的实际需要，系统集成商和开发商急切需要一种具有高效性、可靠性、开放性、可互操作性的即插即用的设备驱动程序。在这种情况下，OPC标准应运而生。OPC标准以微软公司的OLE技术为基础，它的制定是通过提供一套标准的OLE/COM接口完成的，在OPC技术中使用的是OLE 2技术，OLE标准允许多台微机之间交换文档、图形等对象。通过DCOM技术和O

19、PC标准，完全可以创建一个开放的、可互操作的控制系统软件。OPC采用客户/服务器模式，把开发访问接口的任务放在硬件生产厂家或第三方厂家，以OPC服务器的形式提供给用户，解决了软、硬件厂商的矛盾，完成了系统的集成，提高了系统的开放性和可互操作性。 OPC是数据交换的主流技术,通过OPC技术可以将MATLAB和PLC很好地结合起来，利用PLC在工业控制领域的通用性和MATLAB在数值计算、控制策略上的优越性的统一，无疑会给复杂高级控制算法在工业控制中的实际应用提供一条新的有效途径。同时，在提高控制精度，满足用户工艺要求的基础上，大大降低了生产成本。本设计中，使用PLC与上位机的通信，PLC目前的主

20、要品牌有美国AB，西门子，三菱，欧姆龙，施耐德等。本次设计采用西门子S7-300 PLC进行实验设备的控制。PLC实质是一种专用于工业控制的计算机，其硬件结构基本上与微型计算机相同，它的工作原理是：当PLC投入运行后，其工作过程一般分为三个阶段，即输入采样、用户程序执行和输出刷新三个阶段。完成上述三个阶段称作一个扫描周期。在整个运行期间，PLC的CPU以一定的扫描速度重复执行上述三个阶段。 一输入采样阶段：在输入采样阶段，PLC以扫描方式依次地读入所有输入状态和数据，并将它们存入I/O映象区中的相应的单元内。输入采样结束后，转入用户程序执行和输出刷新阶段。在这两个阶段中，即使输入状态和数据发生

21、变化，I/O映象区中的相应单元的状态和数据也不会改变。因此，如果输入是脉冲信号，则该脉冲信号的宽度必须大于一个扫描周期，才能保证在任何情况下，该输入能被准确读入。 二用户程序执行阶段：在用户程序执行阶段，PLC总是按由上而下的顺序依次地扫描用户程序(梯形图)。在扫描每一条梯形图时，又总是先扫描梯形图左边的由各触点构成的控制线路，并按先左后右、先上后下的顺序对由触点构成的控制线路进行逻辑运算，然后根据逻辑运算的结果，刷新该逻辑线圈在系统RAM存储区中对应位的状态；或者刷新该输出线圈在I/O映象区中对应位的状态；或者确定是否要执行该梯形图所规定的特殊功能指令。即在用户程序执行过程中，只有输入点在I

22、/O映象区内的状态和数据不会发生变化，而其他输出点和软设备在I/O映象区或系统RAM存储区内的状态和数据都有可能发生变化，而且排在上面的梯形图，其程序执行结果会对排在下面的凡是用到这些线圈或数据的梯形图起作用；相反，排在下面的梯形图，其被刷新的逻辑线圈的状态或数据只能到下一个扫描周期才能对排在其上面的程序起作用。在程序执行的过程中如果使用立即I/O指令则可以直接存取I/O点。即使用I/O指令的话，输入过程影像寄存器的值不会被更新，程序直接从I/O模块取值，输出过程影像寄存器会被立即更新，这跟立即输入有些区别。 三输出刷新阶段：当扫描用户程序结束后，PLC就进入输出刷新阶段。在此期间，CPU按照

23、I/O映象区内对应的状态和数据刷新所有的输出锁存电路，再经输出电路驱动相应的外设。这时，才是PLC的真正输出。1.3设计的任务及内容一毕业设计的任务1、查阅相关科技文献，掌握控制、检测、通讯等技术要求；2、基于流量控制单元的控制平台方案论证；3、分析模糊控制算法性能；4、基于目标函数对模糊控制器参数进行寻优；5、利用OPC进行通讯完成对流量控制单元的实时控制；6、进行系统调试；7、撰写毕业设计说明书；8、完成指定内容的外文资料翻译。二毕业设计的主要内容及技术指标1、毕业设计的主要内容：1）设计说明书正文主要内容要求 PCS流量单元控制硬件；总体方案论证分析模糊控制算法性能；模糊控制器参数自寻优

24、；MATLAB、OPC之间的通讯步骤。全文要求逻辑严密、条理清晰，文字流畅，理论联系实际，符合科技写作规范。2）设计说明书装订及外文阅读翻译要求毕业设计说明书由以下各部分组成，共100页左右，其顺序为：封面、前言、目录、中文摘要（约200字）和关键词（3-5个）、英文摘要（约200字）和关键词（3-5个）、正文、外文原文（2-3万字符）和译文、参考文献、设计总结、致谢、封底等。2、设计实现的主要功能及技术指标1）通过校园局域网和相应的通信协议，实现PCS流量单元和MATLAB/Simulink的半实物网络化控制系统的连接，为后续研究建立相应的平台。2）在开发的实验平台上对模糊控制器参数进行寻优

25、。 第二章 方案论证2.1PCS系统及流量控制单元PCS的一般工艺流程如图2.1所示：控制器执行器机被控对象 传感器期望值期望值 输出 输出值 图2.1 PCS工艺流程本设计中使用的PCS流量控制单元，是由德国FESTO公司研制生产的PCS实验装置，集成了目前工业控制中较为典型的四种控制系统：液位控制、流量控制、压力控制、温度控制，分为四个独立站。本设计使用的是流量单元的流量站。整个实验装置如图2.2所示。图2.2 实验装置图 图2.3 流量控制单元流量控制单元，可以用上位机实现对流量的控制，也可以有流量站本身实现控制控制单元的主要组成部分是，直流电机和流量传感器。具体实现过程是：用站或者上位

26、机设定期望流量值，由传感器B203测定当前流量值，作出比较；然后由控制器依据控制策略控制，最终实现对流量的控制。其中直流电机和流量传感器的主要参数为：传感器B203：输入信号：05V；测量范围：0.515 l/min；接线于模拟输入模块AI 1，传感器的信号线（褐色线）接入AI 1的电压输入端口（5号端口），传感器的接地线接于接地端口（7号端口）。直流电机P201：工作电压：24V；控制电压：010V；接线于模拟输出模块AO 1，电机的控制端口接于AO 1的电压输出端口（18号端口），接地端接于AO 1的接地端口（20号端口）。流量传感器B203，如图2.4所示： 图2.4 流量单元控制原理图

27、2.2西门子S7-300 PLC的介绍西门子S7-300作为下位机，对现场设备的数据进行采集，流量传感器（B203）测得当前的流量值是05V的电压信号，此信号作为对PLC的一个模拟量的输入，在PLC中进行数模转换后，输出一个模拟量为010V的电压信号来控制直流电机（P201）的转速，从而改变泵的抽水速度，通过上位机的控制，达到需要的流量值。德国西门子公司的S7-300 PLC是模拟式中型PLC，电源，CPU和其他模块都是独立的。与S7-200 PLC比较，S7-300 PLC采用模块化结构，具备高速（0.6-0.1）的指令运算速度；用浮点数运算比较有效地实现了更复杂的算术运算；一个带标准用户接

28、口的软件工具方便给用户给所有的模块进行参数赋值；易于实现分布的配置以及性价比高、电磁兼容性强、抗震动冲击性能好，针对低性能要求的模块化中的效控制系统，可配置不同档次的CPU，可选择不同类型扩展模块，可以扩展多达32个模块，模块内集成背板总线，网络连接-多点接口（MPI），-PROFIBUS或-工业以太网，通过编程器PG可以访问所有的模块，循环周期短、处理速度高，指令集功能强大。它的工作原理采用循环执行用户程序的方式。OBI是用于循环处理的组织块，可以调用别的逻辑块，或被中断程序中断。在启动后，不断的循环调用OBI，在OBI中可以调用其它逻辑块（FB,SFB,FC或SFC）。循环处理过程可以被某

29、些事件中断。本次设计中PLC模块型号见表2.1。名称模块订货号固件 PLCCP 313C6ES7 313-5BE01-0AB0V2.0以太网通讯模块CP343-1 Lean6GK7 343-1CX10-0X0EV2.0PROFIBUS通信模块CP 345-56GK7 343-5FA01-0XE0V2.1 IE通用模块IE模块IE-CPV6.21表2.1 PLC模块型号表2.3控制方案的确定被控对象为PCS实验装置的流量控制单元，在实际中这种被控对象的精确数学模型很难建立。即使在某一条件下我们建立出了它的数学模型，由于周围环境的变化，这些条件也会发生变化，相应的数学模型也必然发生变化。这样由于环

30、境的不断变化，造成数学模型的不确定性。其次，即使我们可以忽略环境的变化，带来的不确定性。通常的流量被控单元的结构也不可能是简简单单的线性模型。而一旦引入非线性环节，被控对象的数学模型就更难建立，或者即使建出来了，也必然不是比较精确的模型。另外，流量单元存在一定的时滞环节，也必然会对数学模型的建立时的条件处理带来困难。综上所述，流量单元的比较精确的数学模型是很难得到的。即使我们经过复杂的处理，得到了一定的模型。也必然与实际对象存在较大差距。所以，这样得到的数学模型对于实际控制来说没有任何实际意义。所以，我们想对一个存在很多不确定条件的模型，进行精确的控制器设计，以便达到很高的控制精度，基本上是不

31、可能的。因此，传统的基于精确数学模型的控制算法的设计是无法很好的应用在流量控制单元的。在实际中我们最常用的是PID算法。这种算法不需要有精确的数学模型，而且原理简单，适应性好，鲁棒性强。当然这种算法的简单性也就决定了它不可能有较好的控制精度。这种算法一般应用于控制精度要求不高的场合。而在本设计中我们想要有一种不要精确数学模型的算法，而且又有比较高的精度。其实，这种不要求精确数学模型，而又有较高的控制精度的算法，正是我们控制工程领域最近一直追求的目标。近几年来，随着人工智能控制算法的发展。我们在智能控制领域也取得比较大的进步。比如模糊控制算法，改进PID算法，专家系统等等。这些控制算法尽管依据不

32、尽想同。却又一个共同的特点，那就是模仿人的大脑的控制原理。人的大脑是我们已知所有存在非线性度最高的。我们个人也可感知，虽然我们对这个世界的数学模型并不非常清楚，我们依然能够对外界的变化作出最好的反应。而这就是模糊控制算法的依据。而今模糊控制技术，在日本、美国、德国等高技术发达国家正在热火朝天地研究开发者，模糊控制技术能在信息时代得到如此快速的发展，是由于模糊控制理论模糊控制技术为信息革命提供了新的富有魅力的数学工具与手段，有许多长处。模糊控制理论是以模糊数学为基础,用语言规则表示方法和先进的计算机技术,由模糊推理进行决策的一种高级控制策略。模糊控制作为以模糊集合论、模糊语言变量及模糊逻辑推理为

33、基础的一种计算机数字控制，它已成为目前实现智能控制的一种重要而又有效的形式尤其是模糊控制和神经网络、遗传算法及混沌理论等新学科的融合，正在显示出其巨大的应用潜力。实质上模糊控制是一种非线性控制，从属于智能控制的范畴。模糊控制的一大特点是既具有系统化的理论，又有着大量实际应用背景。模糊控制的优点：1.简化系统设计的复杂性，特别适用于非线性、时变、模型不完全的系统。 2.利用控制法则来描述系统变量间的关系。 3.不用数值而用语言式的模糊变量来描述系统，模糊控制器不必对被控制对象建立完整的数学模式。 4.模糊控制器是一语言控制器，使得操作人员易于使用自然语言进行人机对话。 5.模糊控制器是一种容易控

34、制、掌握的较理想的非线性控制器，并且抗干扰能力强，响应速度快，并对系统参数的变化有较强的鲁棒性和较佳的容错性。 6.从属于智能控制的范畴。该系统尤其适于非线性，时变，滞后系统的控制。由于本设计中被控对象的所有不可精确的特性，所以模糊控制十分适用于本设计。故而我们对控制器采用模糊控制算法设计。整个完整的系统连接完毕后工作框图如图2.5所示：上位机MATLAB中的模糊控制器 OPC通信电机传感器 PLC S7-300图2.5 系统工作框图第三章 半实体平台的建立基于实验室现有的德国FESTO公司研制的PCS实验装置中的流量控制单元，从通信协议、通信网络、控制手段等角度来确定构建半实体NCS实验平台

35、的控制方案。随着计算机技术与信息技术的迅速发展，通过实时网络信道构架的闭环反馈控制系统已得到了广泛应用。网络化控制系统(Networked Control Systems,NCS)是一种通过实时通讯网络构成闭环的反馈控制系统，是控制、网络和计算机多种技术融合交叉的产物。智能化传感器、执行机构和驱动设备的诞生奠定了NCS的物质基础，高速以太网和现场总线等技术的不断发展和成功应用解决了NCS的可靠性和开放性问题。NCS的优势在于可以实现资源共享和远程分布控制，系统构建模块化、集成化、成本低，便于安装、维护、扩展和故障诊断等。NCS 已被广泛应用于航空航天、石油化工、制造业等复杂系统中。广义的NCS

36、还包括通过企业信息网络以及Internet 实现对工厂车间、生产线甚至现场设备的监视与控制。NCS的研究主要分为两大类：一类是实现对网络的控制（control of network），另一类是通过网络实施对系统的控制（control through network）。前者是对网络路由、网络流量等的调度与控制，以提高多媒体信息传输和远程通信服务质量为目标，是对网络自身的控制。后者是指控制系统的各个节点之间的数据传输不是传统的点对点方式，而是通过网络来传输，是一种分布式的控制，是源于自动控制技术以满足系统稳定性及其它动态性能为目标的，研究主要围绕系统的动态性能。由于通信机制和通信协议的原因，以及网

37、络的带宽有限且为系统中各节点所共享，当传感器、控制器和执行器通过网络交换数据时，往往出现数据多路径传输、多包传输、数据碰撞、网络拥塞、网络连接中断等现象，这使得NCS不可避免的产生数据传输延时、数据包时序错乱、数据包丢失等问题。不仅降低系统性能，甚至会使其失稳。此外，在NCS中，时变传输周期、多采样率、节点驱动方式、时钟同步方式、信息调度算法、空采样等，将使闭环系统的性能结构发生改变。这些问题往往使得NCS丧失定常性、完整性、因果性、确定性。传统的控制理论和控制方法已不能直接用于NCS的分析与设计，必须针对NCS的不同特性，重新评估和建立NCS的控制理论和控制方法。这对NCS分析与设计提出了新

38、的挑战，因而开发NCS的研究平台显得尤其重要。半实体NCS平台是以实际的物位装置为受控对象，结合了实际和虚拟NCS实验平台二者的优点，克服了仿真模型的虚拟欠缺。基于此本次毕业设计的半实体NCS平台，以校园局域网为通信介质，模拟远程网络控制系统；以实际的流量控制单元为被控对象，仿真条件更接近于实际工程背景；以OPC为通信协议，解决了硬件支持不力对MATLAB实际应用的限制，通过校园局域网和OPC通信协议，实现PCS流量单元和MATLAB/Simulink的半实物网络化控制系统的连接，进行模糊控制器的寻优控制。因此，本次设计基于实验室现有的PCS平台与相关硬件设备，实现对半实体NCS平台的开发与研

39、究，实现半实体的网络控制系统的平台方案。3.1配置PC机的硬件机架（1）当在个人计算机成功安装SIMATIC NET软件后，在PC机桌面上可看到Station Configurator 的快捷图标，同时在任务栏中也会有Station Configuration Editor 的图标。通过点击该图标打开Station Configuration Editor配置窗口，如图3.1所示。图3.1 Station Configuration Editor配置窗口（2）在一号卡槽上点击鼠标右键，出现Add按钮，在添加组件窗口中选择OPC Server点击OK 即完成。（3）用同样方法选择三号插槽添加IE

40、 General，点击完成。插入 IE General 后，即弹出其属性对话框。点击Network Properties，进行网卡参数配置，如图3.2所示。（4)网卡的配置 点击 Network Properties后,WINDOWS网络配置窗口即打开，选择本地连接属性菜单设置网卡参数，如IP地址，子网掩码等,使用的IP地址：172.18.224.241，默认网关：172.18.224.12，确认各步设置后，网卡配置完成。（5）分配PC Station名称 点击“Station Name”按钮，指定PC 站的名称，这里命名为lhq。点击“OK”确认即完成了PC站的硬件组态,如图3.3所示。图3

41、.2 网卡参数配置图3.3 PC站的硬件组态3.2在STEP 7中组态PC Station（1）打开 SIMATIC Manager，通过FileNew 创建一个新项目，如“lihanqing”。通过InsertStationSimatic PC Station 插入一个PC 站。特别注意的是，要将PC Station 默认名称“SIMATIC PC Station(1)”改为与Station Configuration Editor 中所命名的Station Name 名称相同， 所以这里改名为“lhq” ，如图3.4所示。（2）建立硬件组态，因为我们使用的PLC的CPU 为313C，所以我

42、破门在硬件槽，第二个槽内插入CPU 313C，在第四个槽内插入CP 313-1 Lean进行通信，如图3.5所示。图3.4 STEP 7中创建新项目与建立Simatic PC Station图3.5 建立硬件组态（3）接下来我们给CPU分配一个地址，作为通信连接的依据，双击第二个槽的CP343-1Lean弹出关于CPU 343-1 Lean的对话框，点击Properties，进入通信设置对画框，如图5.3所示。我们设置CP343-1Lean的IP地址为172.18.226.241，查得上位机的子网掩码为255.255.,0.0，并建立新的通信连为Ethernet（1），如图3.6所示。图3.6

43、 以太网卡参数设置（4）点击2.3卡槽的AI5/A02进行PLC的输入，输出的信号属相，及数值进行与本次设计的PCS实验平台相对应的设置，如图3.7和图3.8所示。图3.7 PLC输入变量属性设置图3.8 PLC输出变量属性设置3.2.1网络组态（1）点击“Configure Network”按钮，进入Net Pro配置窗口。（2）在Net Pro网络配置中，选择OPC Server后在连接表的第一行鼠标右键插入一个新的连接。同理用鼠标选择CPU 313后也建立一个新连接，如图3.9所示。图3.9 插入新连接（3）需注意的是在以太网通信模块CP343-1 Lean 中，鼠标右键点击模块属性，弹

44、出对话框，如图3.10。图3.10 以太网通信模块属性（4）配置IP地址和子网掩码如下，IP地址为：172.18.226.95，子网掩码为：255.255.0.0，此处IP地址为PLC CPU313的地址，须与硬件配置时一致，如图3.11所示。图3.11 配置IP地址和子网掩码（5）确认所有配置后，已建好的S7连接就会显示在连接列表中。点击编译存盘按钮或选择NetworkSave and Compile，如得到No error的编译结果，则正确组态完成。这里编译结果信息非常重要，如果有警告信息（Warning）显示在编译结果对话框中，这仅仅是一条信息。但如果有错误信息（error Messag

45、e），说明组态不正确，是不能下载到PC Station 中的。3.2.2组态下载（1）完成PC站组态后，即可在NetPro 窗口点击功能按钮栏中下载按钮将组态下载到PC 站中。需注意的是，下载过程中会删除已有相关组件的数据，新的组态数据将被下载到PC 机。点击OK 执行下载。另外，在下载之前须在本机控制面板中的SetPG/PC Interface修改已使用的接口参数分配。改为PC internal（local）。如图3.12所示。图3.12 修改应用程序访问点（2）鼠标单击IE General，然后再单击图标进行下载。组态下载过程开始，在Module 栏中，必须有OPC服务器和IE通用两项。如

46、图3.13所示，点击OK 即可。图3.13 下载过程（3）下载完成后，须在Set PG/PC Interface修改已使用的接口参数分配改回自动状态。（4）可以打开Station Configuration Editor窗口检查组件状态。OPC Server 插槽Conn 一栏一定要有连接图标，此项说明连接激活，如图3.14所示。图3.14 PC Station 运行状态3.2.3软件组态硬件与网络配置好之后，下一步的任务是在OPC Scout中建立变量与调试以及系统平台的搭建过程。（1）打开OPC Scout,（StartSIMATICSIMATICNetOPC Scout），如图3.15所

47、示，双击“OPC SimaticNet”在随之弹出的“ADD Group”对话框中输入组名，本例命名为“lihanqing”,点击OK 确认。图3.15 在OPC Scout中添加一个组“lihanqing”（2）双击已添加的连接组（OPC_ETHERNET），即弹出“OPC Navigator”对话框，此窗口中显示在Configuration Console 所激活的连接协议。双击“S7”，在PC Station组态NetPro中所建的连接名会被显示。双击此连接，即可出现有可能被访问的对象树（objects tree），在PLC CPU 中已存在的DB 块也会出现。如图3.16所示。 图3.

48、16 Objects in the OPC Navigator对话框（3）双击所需访问的PLC数据区都可建立标签变量。这里以objects 区为例。双击M如果所显示的M 块有红叉标记，这并无问题。只要再次双击“NewDefinition”，“Define New Item”对话框即被打开。可在此定义标签变量与数据类型。注：Datatype、Address、No.Value 参数必须定义，No.Value 是指数据长度。定义完成后，点击OK 确认，如图3.17所示。 图3.17 定义条目及标签变量地址为80，长度为一个字（注：将IW1的05V的输入信号进行数值转换后存入内存实数变量80的地址中。

49、（4）在“Define New Item”中点击确认后，新定义的条目即显示在OPC Navigator 的中间窗口。点击“”就可将此条目移到OPC-Navigator 的右侧窗口，再点击OK 按钮就可将此条目连接到OPC Server，如图3.18所示。 图3.18 建立定义条目与OPC Server 连接（5）通过上一步的确认后，所定义的条目（Item）即嵌入到OPC Scout 中。如果“Quality”显示“good”，则OPC Server 与PLC 的S7 连接已经建立，也就意味着可以对标签变量进行读写操作，如图3.19所示。图3.19 OPC Scout 与OPC Server 的

50、连接（6）用同样的办法建立PLC输出变量QW1，取值范围（0-27648）。此信号为控制水泵直流电机转速的PLC模拟量电压输出变量。这里不再重复。双击条目的“Value”栏，即可在“Write Value(s) to the Item(s)”窗口中对有关条目进行写操作。但在流量控制单元中，水箱高度值为实际值，不可改变。我们只可改变QW1的Value来改变电机转速。3.3 SIMULINK中利用OPC工具箱搭建平台（1）打开matlab软件，点击图标，进入MATLAB的Simulink工具箱如图3.20所示。图3.20 OPC工具箱（2）点击OPC Toolbox，在上图右方会出现所有的OPC模

51、块。鼠标右键点击OPC Configuration添加到新工程中，如图3.21所示。 图3.21 添加OPC 组态模块（3）添加成功后，双击如图3.21所示的OPC Configuration模块设置模块属性，点击Configure OPC Clients图标，配置和定义OPC 客户端，如图3.22所示。图3.22 配置和定义OPC 客户端（4）在OPC客户端管理窗口中，点击Add 添加OPC 客户端，此时出现OPC服务器属性窗口，如图3.23，点击Select。图3.23 选择服务器（5）在多个OPC客户端中，选择OPC.SimaticNET，点击OK 即可，如图3.24所示。 图3.24

52、选择OPC.SimaticNET（6）在OPC服务器属性窗口中，西门子网络的OPC 客户端已经添加成功，点击OK 即可。如图3.24所示。 图3.24 OPC 客户端添加成功如图，西门子网络的OPC 客户端已经添加成功，服务器为本机。（7）在OPC Toolbox 中选择此模块添加到当前工程中。双击OPC Read模块，进入属性设置。点击Configure OPC Clients。进入设置界面，点击Add添加OPC 客户端。如图3.25所示。（8）在OPC Server Properties 窗口中，点击Select ，然后选择OPC.SimaticNET,点击OK即可，添加成功，如图3.26

53、所示。（9）点击Add Items，添加将要读入的变量，如图3.27所示。图3.25 添加OPC 客户端图3.26 添加成功图3.27 添加变量（10）其中采样时间可以自己进行设置，但不要小于OPC Scout 中的数据更新时间，否则没有任何实际意义。采样时间过大可能带来延时或丢包。此时会出现Select Items 窗口，选择S7 连接，添加变量MREAL80。点击“”图标，变量会添加到右侧窗口中。点击OK 即可。如图3.28所示。添加成功后会显示如图3.29所示窗口。此时，OPC Read 模块会出现如图3.29所示变化，表示成功连接到变量。其中，V 为OPC Read 模块的输出值，Q为数据质量，T为时间戳矢量。图3.28 添加变量