基于PLC的汽车环境模拟试验控制系统的设计与实现_严玉龙

1、基于PLC的汽车环境模拟试验控制系统的设计与实现_严玉龙论文小结论文小结本文的主要内容n本文以汽车环境模拟实验项目为背景，借助于西门子自动化平台并结合全集成自动化（本文以汽车环境模拟实验项目为背景，借助于西门子自动化平台并结合全集成自动化（TIATIA）技术，设）技术，设计了一套基于计了一套基于PLCPLC的具有计算机多级网络控制结构的汽车环境模拟实验控制系统。的具有计算机多级网络控制结构的汽车环境模拟实验控制系统。n论文根据用户对不同子系统的功能需求，设计了系统整体控制方案；其次，完成了现场控制层主控制论文根据用户对不同子系统的功能需求，设计了系统整体控制方案；其次，完成了现场控制层主控制器

2、器PLCPLC控制系统的硬件与软件的色剂；然后，由于被控对象具有分现行、滞后性以及模型不确定性等特点，控制系统的硬件与软件的色剂；然后，由于被控对象具有分现行、滞后性以及模型不确定性等特点，将模糊控制与自适应模糊将模糊控制与自适应模糊PIDPID控制的算法引入控制系统，很好的提高了系统的控制性能；最后采用控制的算法引入控制系统，很好的提高了系统的控制性能；最后采用Win CCWin CC组态软件设计并建立了车间监控层的远程监控系统，采用组态软件设计并建立了车间监控层的远程监控系统，采用Win CC FlexibleWin CC Flexible设计并建立了现场监控系统，设计并建立了现场监控系统

3、，实现用户对现场的监控。实现用户对现场的监控。n本系统运用了工业自动化技术（本系统运用了工业自动化技术（PLCPLC）与模糊控制、自适应模糊）与模糊控制、自适应模糊PIDPID控制控制算法相融合，不仅实现了控制控制算法相融合，不仅实现了整个汽车环境模拟实验系统的高度自动化，而且有效的提高了系统的控制性能。（控制简单可靠）整个汽车环境模拟实验系统的高度自动化，而且有效的提高了系统的控制性能。（控制简单可靠）n本文采用的借助于西门子的自动化平全集成自动化技术本文采用的借助于西门子的自动化平全集成自动化技术(TIA)(TIA)主要包括主要包括S7-300PLCS7-300PLC控制器、工业以太网、控

4、制器、工业以太网、工控机（远程监控系统和现场监控系统）、变频器以及工控机（远程监控系统和现场监控系统）、变频器以及OPCOPC等技术。【查阅加理解：以太网是一种传输速等技术。【查阅加理解：以太网是一种传输速度很快的局域网，是一套同轴电缆，能够连接整套系统中的工业机器人；工控机度很快的局域网，是一套同轴电缆，能够连接整套系统中的工业机器人；工控机IPCIPC（Win CCWin CC，Win CC Win CC FlexibleFlexible） 是工业现场控制或者远程控制的计算机，抗干扰能力很强；是工业现场控制或者远程控制的计算机，抗干扰能力很强；OPCOPC技术是指被控及其与计算机之技术是指

5、被控及其与计算机之间的访问接口，一般有两种访问接口，一个是自动化接口，另一个是自定义接口。需要变频器的原因是机间的访问接口，一般有两种访问接口，一个是自动化接口，另一个是自定义接口。需要变频器的原因是机械运动的频率和控制的频率差别很大，控制频率远远高于机械运动频率械运动的频率和控制的频率差别很大，控制频率远远高于机械运动频率 】个人理解以及问题n【理解：多级网络系统控制是对所有机器人控制的整体布局以及运行顺序的控制，需要逻辑控制及【理解：多级网络系统控制是对所有机器人控制的整体布局以及运行顺序的控制，需要逻辑控制及PLCPLC控制来完成（控制来完成（PLCPLC同样控制机器关节是否运作），而且

6、同样控制机器关节是否运作），而且PLCPLC通过通过CP343CP343模块连接到工业以太网，以太网在连模块连接到工业以太网，以太网在连接机器人。模糊控制，自适应模糊接机器人。模糊控制，自适应模糊PIDPID控制是对一些单体的控制或者是对机器人运动关节的精准度的控制，控制是对一些单体的控制或者是对机器人运动关节的精准度的控制，这个控制主要是控制机器人运动关节处的电机的运动，控制对象为电机的转速和电机转速的变化率，转速这个控制主要是控制机器人运动关节处的电机的运动，控制对象为电机的转速和电机转速的变化率，转速与机器人手臂运动速度成正比，转速变化率与手臂的运动加速度成正比（这个可以用来预判机器人的

7、下一与机器人手臂运动速度成正比，转速变化率与手臂的运动加速度成正比（这个可以用来预判机器人的下一段时间的运动状态）】段时间的运动状态）】n【理解：【理解：PIDPID，控制对连续的时间信号的控制，用，控制对连续的时间信号的控制，用PID PID 控制是为了保证机器手臂能够连续的运动，对于控制是为了保证机器手臂能够连续的运动，对于机器手臂以及机器人的关节是否运动，一般用逻辑控制（机器人或者机器手臂的运动与否可能靠中断来判机器手臂以及机器人的关节是否运动，一般用逻辑控制（机器人或者机器手臂的运动与否可能靠中断来判定定,PID,PID控制快速简单可靠，但是容易出现超调现象为了解决这个问题而将模糊控制

8、和模糊控制快速简单可靠，但是容易出现超调现象为了解决这个问题而将模糊控制和模糊PIDPID控制引入控控制引入控制之中）；有时候外部环境变化比较大而且超出了制之中）；有时候外部环境变化比较大而且超出了PIDPID的调节范围则用自适应控制或者模糊控制，的调节范围则用自适应控制或者模糊控制，PIDPID控制控制能够能够100%100%修复，但是自适应和模糊控制是不精确的控制，由于环境的变化，导致误差和误差变化率变化较修复，但是自适应和模糊控制是不精确的控制，由于环境的变化，导致误差和误差变化率变化较大，则需用自适应控制】大，则需用自适应控制】系统的介绍以及必要重要的知识点n可以在可以在PLCPLC中

9、将模糊控制与自适应模糊中将模糊控制与自适应模糊PIDPID控制算法合理的引入到控制系统。控制算法合理的引入到控制系统。PLCPLC控制器完成的工作包括：控制器完成的工作包括：输入采集、程序处理以及数据输出控制相应的设备动作。输入采集、程序处理以及数据输出控制相应的设备动作。PLCPLC与与IPCIPC之间采用工业以太网连接通信。之间采用工业以太网连接通信。n现场控制及系统控制由两套现场控制及系统控制由两套S7-300S7-300的的PLCPLC控制器以及两台控制器以及两台MP377MP377触屏组成。（系统的核心部分）触屏组成。（系统的核心部分）n西门子的西门子的PLCPLC系列系列S7-20

10、0S7-200主要适用于小型自动化控制系统，主要适用于小型自动化控制系统，S7-300S7-300系列主要适用于中小型自动化控制系统系列主要适用于中小型自动化控制系统或对数据处理能力有特殊要求的系统，或对数据处理能力有特殊要求的系统，S7-400S7-400系列适用于大中型自动控制系统。（系列适用于大中型自动控制系统。（PLCPLC采用的是循环扫描采用的是循环扫描到工作方式，控制器首先顺序扫描每个输入点的状态，气候按用户程序进行程序处理，最后顺序想哥哥输到工作方式，控制器首先顺序扫描每个输入点的状态，气候按用户程序进行程序处理，最后顺序想哥哥输出点发出相应的控制信号。以西门子出点发出相应的控制

11、信号。以西门子S7-300S7-300为例，工作过程：输入处理、内部处理、程序处理、通信处理为例，工作过程：输入处理、内部处理、程序处理、通信处理以及输出处理。操作模式包括：以及输出处理。操作模式包括：STOPSTOP、RUSRUS、TARTUPTARTUP三种主要模式。在三种主要模式。在STOPSTOP模式下，仅仅执行内部处理以模式下，仅仅执行内部处理以及通信处理阶段，在及通信处理阶段，在RUNRUN模式下，执行所有阶段，以西门子编程软件为例，模式下，执行所有阶段，以西门子编程软件为例，PLCPLC不断循环调用组织块不断循环调用组织块OB1OB1，在在OB1OB1中调用子程序，包括用户编写的

12、中调用子程序，包括用户编写的FB/FCFB/FC以及系统的以及系统的SFB/SFC,SFB/SFC,若系统中包含中断功能，控制器将在中断若系统中包含中断功能，控制器将在中断到来时执行中断程序，结束后再返回主程序继续执行）到来时执行中断程序，结束后再返回主程序继续执行）n（模糊控制的的模糊量化表可以用（模糊控制的的模糊量化表可以用PLCPLC中的中的LADLAD图完成。）图完成。）PID控制算法nPIDPID控制的算法控制的算法n比例参数加快系统的相应速度，改善系统调节精度，比例参数越大响应速度越快、调节精度越高，但是比例参数加快系统的相应速度，改善系统调节精度，比例参数越大响应速度越快、调节精

13、度越高，但是容易产生超调，反之将会降低系统的调节精度，减缓相应速度；积分参数，消除系统的稳态误差，参数越容易产生超调，反之将会降低系统的调节精度，减缓相应速度；积分参数，消除系统的稳态误差，参数越大则静态误差消除越快，但是过大则在相应过程初期会出现积分饱和现象，引起响应过程的较大超调。反大则静态误差消除越快，但是过大则在相应过程初期会出现积分饱和现象，引起响应过程的较大超调。反之难以消除静态误差，影响了控制的精度；微分参数，改善系统的动态特性，提前预测偏差的变化之难以消除静态误差，影响了控制的精度；微分参数，改善系统的动态特性，提前预测偏差的变化模糊控制的原理：n采样获取目标值的实际值的偏差和

14、偏差的变化率，将和作为模糊控制器的输入量，经过模糊化处理得到采样获取目标值的实际值的偏差和偏差的变化率，将和作为模糊控制器的输入量，经过模糊化处理得到模糊的输入量模糊的输入量E E、ECEC。然后由。然后由E E、ECEC以及模糊规则进行模糊决策，从而得到模糊的控制量以及模糊规则进行模糊决策，从而得到模糊的控制量U U，最后将模糊控，最后将模糊控制量制量U U清晰化为精确的量控制执行机构动作。这里和自适应不同的是自适应有模糊推理表而得到新的清晰化为精确的量控制执行机构动作。这里和自适应不同的是自适应有模糊推理表而得到新的PIDPID控控制参数。制参数。n（1 1）模糊化：）模糊化：n其的作用是

15、将输入值按线性标定的方式转换到对应的论域，利用模糊变量来描述物理量的过程。及将系其的作用是将输入值按线性标定的方式转换到对应的论域，利用模糊变量来描述物理量的过程。及将系统采集的和转换成模糊量，偏差的模糊语言变量为统采集的和转换成模糊量，偏差的模糊语言变量为E E，偏差变化率的模糊语言变量为，偏差变化率的模糊语言变量为ECEC。n（2 2）知识库：）知识库：n规则库和数据库构成，规则库一般主要采用经验归纳，数据库则由控制规则相关的参数组成，包括比例规则库和数据库构成，规则库一般主要采用经验归纳，数据库则由控制规则相关的参数组成，包括比例因子、量化因子、各变量的隶属度函数以及模糊论域划分因子、量

16、化因子、各变量的隶属度函数以及模糊论域划分模糊控制的决策部分n（3 3）模糊决策：）模糊决策：n模糊控制的规则为模糊控制的规则为R(i)R(i)： E EC U ; E EC U ;【疑问：这个编程是在【疑问：这个编程是在PLCPLC的环境中编程的吗？想法：如果用的环境中编程的吗？想法：如果用MATLABMATLAB中建立这样的模糊决策，则为，首先建立一个存储中建立这样的模糊决策，则为，首先建立一个存储E E值得矩阵值得矩阵A A和存储和存储ECEC值的矩阵值的矩阵B B，然后用语句去，然后用语句去确定确定E E，ECEC在在A,BA,B中的位置中的位置 , ,然后根据这个位置，可以找到在输出

17、表中找到相应的输出然后根据这个位置，可以找到在输出表中找到相应的输出U U（不知道是否合（不知道是否合理）】理）】eDecD对推理表编写的MATLAB语言程序以及个人见解没控制清晰化的过程所遇到的问题以及个人见解n（4 4）清晰化：）清晰化：n方法有最大隶属度法；加权平均法；中位数法。方法有最大隶属度法；加权平均法；中位数法。n加权平均法（重心法）的算法没看懂。加权平均法（重心法）的算法没看懂。n模糊推理表：如果用模糊推理表：如果用MATLABMATLAB编写，方案编写，方案1 1：可以用：可以用cell cell 语句将模糊推理表语句将模糊推理表A A分为多个矩阵单元格。每个格分为多个矩阵单元格。每个格子都为子都为a b ca b c矩阵，其中矩阵，其中a b ca b c分别为、的推理值，然后清晰化就得到了想要的比例分别为、的推理值，然后清晰化就得到了想要的比例 积分积分 微分参数微分参数值。值。MATLABMATLAB程序语句与模糊控制的类似，唯一不同的