模糊控制器參數(shù)自尋優(yōu)設計說明書

1、摘要模糊控制其實質(zhì)是對人的思維過程的一種模擬，但常規(guī)的模糊控制器的參數(shù)與控制規(guī)則無法隨著被控對象的改變而變化，從而無法保證始終有較好的控制性能。本設計以先進控制實驗室的PCS流量單元為實驗設備，基于S7-300，OPC及MATLAB軟件，通過校園局域網(wǎng)開發(fā)網(wǎng)絡化的自尋優(yōu)模糊控制系統(tǒng)。首先，以校園網(wǎng)為通信基礎，S7-300 PLC作為OPC的服務器，上位PC機作為OPC的客戶端，搭建網(wǎng)絡控制平臺，其次在MATLAB中搭建模糊控制模型及控制規(guī)則可調(diào)整的模糊控制器，確定以ITAE作為尋優(yōu)的目標函數(shù)進行單純形法的尋優(yōu)控制，最后在搭建的NCS平臺進行系統(tǒng)調(diào)試，分析系統(tǒng)動態(tài)性能和優(yōu)化設計結(jié)果。結(jié)果表明可尋

2、優(yōu)的模糊控制器系統(tǒng)能達到快速小超調(diào)且穩(wěn)定的設計目標，相比常規(guī)的模糊控制器有更好的控制效果，適用于無需精確數(shù)學模型，時變，非線性等包含較多不確定性的控制系統(tǒng)。關鍵詞：模糊控制；MATLAB控制系統(tǒng)；參數(shù)自尋優(yōu)；優(yōu)化設計；單純形法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目錄第一章 概述11.1畢業(yè)設計的技術背景和設計依據(jù)11.2

7、設計中使用的軟件硬件介紹21.3設計的任務及內(nèi)容4第二章 方案論證62.1PCS系統(tǒng)及流量控制單元62.2西門子S7-300 PLC的介紹82.3控制方案的確定9第三章 半實體平臺的建立113.1配置PC機的硬件機架123.2在STEP 7中組態(tài)PC Station133.2.1網(wǎng)絡組態(tài)163.2.2組態(tài)下載173.2.3軟件組態(tài)193.3 SIMULINK中利用OPC工具箱搭建平臺213.4 PLC模擬量輸入輸出數(shù)據(jù)處理263.5系統(tǒng)通信測試分析及虛擬網(wǎng)絡延時與丟包的引入30第四章 常規(guī)模糊控制器的設計314.1模糊控制的數(shù)學基礎314.1.1模糊子集與運算314.1.2模糊推理324.2模

8、糊控制算法原理簡介344.3精確量的模糊化354.3.1模糊控制器的語言變量354.3.2量化因子與比例因子364.3.3語言變量值的選取374.4模糊控制算法的設計374.4.1常見的模糊控制規(guī)則374.4.2輸出信息的模糊判決384.5基于MATLAB的模糊控制器的實現(xiàn)方法394.5.1建立常規(guī)模糊控制器與OPC模塊的控制模型394.5.2建立GUI的模糊推理系統(tǒng)及控制規(guī)則404.5.3用MATLAB語言編程的方法實現(xiàn)模糊控制系統(tǒng)的設計434.6常規(guī)模糊控制器的效果分析44第五章 參數(shù)自尋優(yōu)的模糊控制器的設計465.1優(yōu)化方案的選擇465.2性能指標的選擇475.3參數(shù)尋優(yōu)的實現(xiàn)485.3

9、.1模糊控制規(guī)則及參數(shù)的調(diào)整485.3.2尋優(yōu)過程的目標函數(shù)選取505.3.3參數(shù)優(yōu)化的模糊控制器的建立515.4實際系統(tǒng)的運行555.5控制效果分析58畢業(yè)設計總結(jié)59參考文獻61外文資料及翻譯63致謝75IV第一章 概述1.1畢業(yè)設計的技術背景和設計依據(jù)76隨著科學技術的發(fā)展和自動化水平的不斷提高，智能控制已經(jīng)在工業(yè)控制領域得到廣泛的應用，而模糊控制作為智能控制的一個重要分支，其實質(zhì)是對人觀察，思考，判斷，決策的思維過程的一種模擬，因為模糊控制的良好性能，也在控制領域得到了普遍的應用。在傳統(tǒng)的控制領域里，控制系統(tǒng)動態(tài)模式的精確與否是影響控制優(yōu)劣的最主要關鍵，系統(tǒng)動態(tài)的信息越詳細，則越能達到

10、精確控制的目的。然而，在大多數(shù)的工業(yè)過程控制中，被控對象通常具有嚴重的滯后、時變、非線性的特性，使得傳統(tǒng)PID控制難以獲得滿意的動、靜態(tài)效果。對于這樣的復雜系統(tǒng)，往往難以正確的描述系統(tǒng)的動態(tài)，于是工程師便利用各種方法來簡化系統(tǒng)動態(tài)，以達成控制的目的，但卻不盡理想。換言之，傳統(tǒng)的控制理論對于明確系統(tǒng)有強而有效的控制能力，但對于過于復雜或難以精確描述的系統(tǒng)，則顯得無能為力了。因此便嘗試著以模糊數(shù)學來處理這些控制問題?！澳：笔侨祟惛兄f物，獲取知識，思維推理，決策實施的重要特征?！澳：北取扒逦彼鶕碛械男畔⑷萘扛?，內(nèi)涵更豐富，更符合客觀世界。自從Lotfi A.Zadeh于1974年成功地將模

11、糊理論應用于控制領域后，模糊控制日益受到人們的青睞。近年來，模糊控制在工業(yè)過程和家用電器領域得到了廣泛應用。但模糊控制器的參數(shù)(包括輸入、輸出變量的量化因子、比例因子，輸入、輸出變量各模糊集的隸屬度函數(shù)、模糊控制規(guī)則等)至今仍缺乏有效的設計和調(diào)整方法，而只能依靠設計者的經(jīng)驗和反復調(diào)試，因而整個設計過程缺乏系統(tǒng)性，造成模糊控制器的設計無法保證有最優(yōu)的控制性能。雖然常規(guī)模糊控制器設計簡單，易于實現(xiàn)，有著廣泛的應用。但也因模糊控制器的設計在很大程度上依賴于設計者的實踐經(jīng)驗，帶有相當?shù)闹饔^性。因此，對于一個特定的被控對象，需要借助某種手段對控制器進行優(yōu)化才能取得較為滿意的設計效果。而改善模糊控制性能的

12、最有效方法是優(yōu)化模糊控制器的控制規(guī)則和有關參數(shù)。本設計提出了一種基于單純形法的優(yōu)化方法。該方法首先利用MATLAB中的模糊系統(tǒng)工具箱結(jié)合MATLAB函數(shù)構(gòu)建控制規(guī)則可調(diào)整的模糊控制器，然后利用最優(yōu)化工具箱優(yōu)化模糊控制器的控制規(guī)則和參數(shù)，從而提高模糊控制器的控制性能。最后利用OPC通訊建立與德國FESTO公司研制生產(chǎn)的PCS實驗裝置的連接，進行系統(tǒng)調(diào)試，使流量單元在階躍輸入信號作用下得到快小超調(diào)的速穩(wěn)定目標。結(jié)果表明控制規(guī)則及參數(shù)優(yōu)化后系統(tǒng)有更好的動態(tài)性能和控制效果。本設計在德國FESTO公司研制生產(chǎn)的PCS實驗裝置上進行調(diào)試，該裝置集成了目前工業(yè)控制中較為典型的四種控制系統(tǒng)：液位控制、流量控制

13、、壓力控制、溫度控制，分為四個獨立站。數(shù)據(jù)采集方便，利于模糊控制器自尋優(yōu)方法的實施。故本設計通過對PCS平臺流量控制單元研發(fā)，進行基于PCS流量單元的自尋優(yōu)模糊控制，通過校園局域網(wǎng)和相應的通信協(xié)議，實現(xiàn)PCS流量單元和MATLAB/Simulink的半實物網(wǎng)絡化控制系統(tǒng)的連接，在開發(fā)的實驗平臺上對模糊控制器參數(shù)進行尋優(yōu)。一論文的研究意義常規(guī)模糊控制器設計簡單，易于實現(xiàn)，但是整個過程中的參數(shù)都是固定不變的，而且具體參數(shù)的選取依靠設計者的設計經(jīng)驗，沒有特別理論化的選取方法，因而限制了其控制性能的進一步提高。而改善模糊控制性能的最有效方法是優(yōu)化模糊控制器的控制規(guī)則和有關參數(shù)。本設計在完成了理論分析的

14、基礎上，利用MATLAB的模糊邏輯工具箱和優(yōu)化工具箱，構(gòu)建模糊控制器，通過單純形法對控制參數(shù)尋優(yōu)，并且利用搭建半實體NCS實驗平臺進行系統(tǒng)調(diào)試，通過單純形法的M文件的程序?qū)?yōu)，使得比例因子Ke,Kec,和量化因子Ku得到優(yōu)化的值，當輸入信號改變時，繼續(xù)調(diào)用程序?qū)?yōu)，改變控制參數(shù)，從而達到了比常規(guī)模糊控制器更好的控制效果。二模糊控制研究的現(xiàn)狀及發(fā)展模糊控制作為智能領域中最具有實際意義的一種控制方法，已經(jīng)在工業(yè)控制領域，家用電器自動化領域和其他很多行業(yè)中解決了傳統(tǒng)控制方法無法或者是難以解決的問題，取得了令人矚目的成效。已經(jīng)引起了越來越多的控制理論的研究人員和相關領域的廣大工程技術人員的極大興趣。常

15、規(guī)模糊控制的兩個主要問題在于：改進穩(wěn)態(tài)控制精度和提高智能水平與適應能力。在實際應用中，往往是將模糊控制或模糊推理的思想，與其它相對成熟的控制理論或方法結(jié)合起來，發(fā)揮各自的長處，從而獲得理想的控制效果。由于模糊規(guī)則和語言很容易被人們廣泛接受，加上模糊化技術在微處理器和計算機中能很方便的實現(xiàn)，所以這種結(jié)合展現(xiàn)出強大的生命力和良好的效果。對模糊控制的改進方法可大致的分為模糊復合控制，自適應和自學習模糊控制，以及模糊控制與智能化方法的結(jié)合等三個方面。1.2設計中使用的軟件硬件介紹MATLAB是matrix&laboratory兩個詞的組合，意為矩陣工廠（矩陣實驗室）。MATLAB工作界面是由美

16、國mathworks公司發(fā)布的主要面對科學計算、可視化以及交互式程序設計的高科技計算環(huán)境。它將數(shù)值分析、矩陣計算、科學數(shù)據(jù)可視化以及非線性動態(tài)系統(tǒng)的建模和仿真等諸多強大功能集成在一個易于使用的視窗環(huán)境中，為科學研究、工程設計以及必須進行有效數(shù)值計算的眾多科學領域提供了一種全面的解決方案，并在很大程度上擺脫了傳統(tǒng)非交互式程序設計語言（如C、Fortran）的編輯模式，代表了當今國際科學計算軟件的先進水平。MATLAB由一系列工具組成。這些工具方便用戶使用MATLAB的函數(shù)和文件，其中許多工具采用的是圖形用戶界面。包括MATLAB桌面和命令窗口、歷史命令窗口、編輯器和調(diào)試器、路徑搜索和用于用戶瀏覽

17、幫助、工作空間、文件的瀏覽器。隨著MATLAB的商業(yè)化以及軟件本身的不斷升級MATLAB的用戶界面也越來越精致，更加接近Windows的標準界面，人機交互性更強，操作更簡單。而且新版本的MATLAB提供了完整的聯(lián)機查詢、幫助系統(tǒng)，極大的方便了用戶的使用。簡單的編程環(huán)境提供了比較完備的調(diào)試系統(tǒng)，程序不必經(jīng)過編譯就可以直接運行，而且能夠及時地報告出現(xiàn)的錯誤及進行出錯原因分析。 但MATLAB只支持部分板卡，而且與多數(shù)PLC無法進行直接通訊，這些不足限制了MATLAB在工業(yè)控制領域中的應用。OPC全稱是OBJECT LINGKING AND EMBEDING（OLE） for Process Con

18、trol，它的出現(xiàn)為基于Windows的應用程序和現(xiàn)場過程控制應用建立了橋梁。在過去，為了存取現(xiàn)場設備的數(shù)據(jù)信息，每一個應用軟件開發(fā)商都需要編寫專用的接口函數(shù)。由于現(xiàn)場設備的種類繁多，且產(chǎn)品的不斷升級，往往給用戶和軟件開發(fā)商帶來了巨大的工作負擔。通常這樣也不能滿足工作的實際需要，系統(tǒng)集成商和開發(fā)商急切需要一種具有高效性、可靠性、開放性、可互操作性的即插即用的設備驅(qū)動程序。在這種情況下，OPC標準應運而生。OPC標準以微軟公司的OLE技術為基礎，它的制定是通過提供一套標準的OLE/COM接口完成的，在OPC技術中使用的是OLE 2技術，OLE標準允許多臺微機之間交換文檔、圖形等對象。通過DCOM

19、技術和OPC標準，完全可以創(chuàng)建一個開放的、可互操作的控制系統(tǒng)軟件。OPC采用客戶/服務器模式，把開發(fā)訪問接口的任務放在硬件生產(chǎn)廠家或第三方廠家，以OPC服務器的形式提供給用戶，解決了軟、硬件廠商的矛盾，完成了系統(tǒng)的集成，提高了系統(tǒng)的開放性和可互操作性。 OPC是數(shù)據(jù)交換的主流技術,通過OPC技術可以將MATLAB和PLC很好地結(jié)合起來，利用PLC在工業(yè)控制領域的通用性和MATLAB在數(shù)值計算、控制策略上的優(yōu)越性的統(tǒng)一，無疑會給復雜高級控制算法在工業(yè)控制中的實際應用提供一條新的有效途徑。同時，在提高控制精度，滿足用戶工藝要求的基礎上，大大降低了生產(chǎn)成本。本設計中，使用PLC與上位機的通信，PLC

20、目前的主要品牌有美國AB，西門子，三菱，歐姆龍，施耐德等。本次設計采用西門子S7-300 PLC進行實驗設備的控制。PLC實質(zhì)是一種專用于工業(yè)控制的計算機，其硬件結(jié)構(gòu)基本上與微型計算機相同，它的工作原理是：當PLC投入運行后，其工作過程一般分為三個階段，即輸入采樣、用戶程序執(zhí)行和輸出刷新三個階段。完成上述三個階段稱作一個掃描周期。在整個運行期間，PLC的CPU以一定的掃描速度重復執(zhí)行上述三個階段。 一輸入采樣階段：在輸入采樣階段，PLC以掃描方式依次地讀入所有輸入狀態(tài)和數(shù)據(jù)，并將它們存入I/O映象區(qū)中的相應的單元內(nèi)。輸入采樣結(jié)束后，轉(zhuǎn)入用戶程序執(zhí)行和輸出刷新階段。在這兩個階段中，即使輸入狀態(tài)和

21、數(shù)據(jù)發(fā)生變化，I/O映象區(qū)中的相應單元的狀態(tài)和數(shù)據(jù)也不會改變。因此，如果輸入是脈沖信號，則該脈沖信號的寬度必須大于一個掃描周期，才能保證在任何情況下，該輸入能被準確讀入。 二用戶程序執(zhí)行階段：在用戶程序執(zhí)行階段，PLC總是按由上而下的順序依次地掃描用戶程序(梯形圖)。在掃描每一條梯形圖時，又總是先掃描梯形圖左邊的由各觸點構(gòu)成的控制線路，并按先左后右、先上后下的順序?qū)τ捎|點構(gòu)成的控制線路進行邏輯運算，然后根據(jù)邏輯運算的結(jié)果，刷新該邏輯線圈在系統(tǒng)RAM存儲區(qū)中對應位的狀態(tài)；或者刷新該輸出線圈在I/O映象區(qū)中對應位的狀態(tài)；或者確定是否要執(zhí)行該梯形圖所規(guī)定的特殊功能指令。即在用戶程序執(zhí)行過程中，只有輸

22、入點在I/O映象區(qū)內(nèi)的狀態(tài)和數(shù)據(jù)不會發(fā)生變化，而其他輸出點和軟設備在I/O映象區(qū)或系統(tǒng)RAM存儲區(qū)內(nèi)的狀態(tài)和數(shù)據(jù)都有可能發(fā)生變化，而且排在上面的梯形圖，其程序執(zhí)行結(jié)果會對排在下面的凡是用到這些線圈或數(shù)據(jù)的梯形圖起作用；相反，排在下面的梯形圖，其被刷新的邏輯線圈的狀態(tài)或數(shù)據(jù)只能到下一個掃描周期才能對排在其上面的程序起作用。在程序執(zhí)行的過程中如果使用立即I/O指令則可以直接存取I/O點。即使用I/O指令的話，輸入過程影像寄存器的值不會被更新，程序直接從I/O模塊取值，輸出過程影像寄存器會被立即更新，這跟立即輸入有些區(qū)別。 三輸出刷新階段：當掃描用戶程序結(jié)束后，PLC就進入輸出刷新階段。在此期間，C

23、PU按照I/O映象區(qū)內(nèi)對應的狀態(tài)和數(shù)據(jù)刷新所有的輸出鎖存電路，再經(jīng)輸出電路驅(qū)動相應的外設。這時，才是PLC的真正輸出。1.3設計的任務及內(nèi)容一畢業(yè)設計的任務1、查閱相關科技文獻，掌握控制、檢測、通訊等技術要求；2、基于流量控制單元的控制平臺方案論證；3、分析模糊控制算法性能；4、基于目標函數(shù)對模糊控制器參數(shù)進行尋優(yōu)；5、利用OPC進行通訊完成對流量控制單元的實時控制；6、進行系統(tǒng)調(diào)試；7、撰寫畢業(yè)設計說明書；8、完成指定內(nèi)容的外文資料翻譯。二畢業(yè)設計的主要內(nèi)容及技術指標1、畢業(yè)設計的主要內(nèi)容：1）設計說明書正文主要內(nèi)容要求 PCS流量單元控制硬件；總體方案論證分析模糊控制算法性能；模糊控制器參

24、數(shù)自尋優(yōu)；MATLAB、OPC之間的通訊步驟。全文要求邏輯嚴密、條理清晰，文字流暢，理論聯(lián)系實際，符合科技寫作規(guī)范。2）設計說明書裝訂及外文閱讀翻譯要求畢業(yè)設計說明書由以下各部分組成，共100頁左右，其順序為：封面、前言、目錄、中文摘要（約200字）和關鍵詞（3-5個）、英文摘要（約200字）和關鍵詞（3-5個）、正文、外文原文（2-3萬字符）和譯文、參考文獻、設計總結(jié)、致謝、封底等。2、設計實現(xiàn)的主要功能及技術指標1）通過校園局域網(wǎng)和相應的通信協(xié)議，實現(xiàn)PCS流量單元和MATLAB/Simulink的半實物網(wǎng)絡化控制系統(tǒng)的連接，為后續(xù)研究建立相應的平臺。2）在開發(fā)的實驗平臺上對模糊控制器參數(shù)

25、進行尋優(yōu)。 第二章 方案論證2.1PCS系統(tǒng)及流量控制單元PCS的一般工藝流程如圖2.1所示：控制器執(zhí)行器機被控對象 傳感器期望值期望值 輸出 輸出值 圖2.1 PCS工藝流程本設計中使用的PCS流量控制單元，是由德國FESTO公司研制生產(chǎn)的PCS實驗裝置，集成了目前工業(yè)控制中較為典型的四種控制系統(tǒng)：液位控制、流量控制、壓力控制、溫度控制，分為四個獨立站。本設計使用的是流量單元的流量站。整個實驗裝置如圖2.2所示。圖2.2 實驗裝置圖 圖2.3 流量控制單元流量控制單元，可以用上位機實現(xiàn)對流量的控制，也可以有流量站本身實現(xiàn)控制控制單元的主要組成部分是，直流電機和流量傳感器。具體實現(xiàn)過程是：用站

26、或者上位機設定期望流量值，由傳感器B203測定當前流量值，作出比較；然后由控制器依據(jù)控制策略控制，最終實現(xiàn)對流量的控制。其中直流電機和流量傳感器的主要參數(shù)為：傳感器B203：輸入信號：05V；測量范圍：0.515 l/min；接線于模擬輸入模塊AI 1，傳感器的信號線（褐色線）接入AI 1的電壓輸入端口（5號端口），傳感器的接地線接于接地端口（7號端口）。直流電機P201：工作電壓：24V；控制電壓：010V；接線于模擬輸出模塊AO 1，電機的控制端口接于AO 1的電壓輸出端口（18號端口），接地端接于AO 1的接地端口（20號端口）。流量傳感器B203，如圖2.4所示： 圖2.4 流量單元控

27、制原理圖2.2西門子S7-300 PLC的介紹西門子S7-300作為下位機，對現(xiàn)場設備的數(shù)據(jù)進行采集，流量傳感器（B203）測得當前的流量值是05V的電壓信號，此信號作為對PLC的一個模擬量的輸入，在PLC中進行數(shù)模轉(zhuǎn)換后，輸出一個模擬量為010V的電壓信號來控制直流電機（P201）的轉(zhuǎn)速，從而改變泵的抽水速度，通過上位機的控制，達到需要的流量值。德國西門子公司的S7-300 PLC是模擬式中型PLC，電源，CPU和其他模塊都是獨立的。與S7-200 PLC比較，S7-300 PLC采用模塊化結(jié)構(gòu)，具備高速（0.6-0.1）的指令運算速度；用浮點數(shù)運算比較有效地實現(xiàn)了更復雜的算術運算；一個帶標

28、準用戶接口的軟件工具方便給用戶給所有的模塊進行參數(shù)賦值；易于實現(xiàn)分布的配置以及性價比高、電磁兼容性強、抗震動沖擊性能好，針對低性能要求的模塊化中的效控制系統(tǒng)，可配置不同檔次的CPU，可選擇不同類型擴展模塊，可以擴展多達32個模塊，模塊內(nèi)集成背板總線，網(wǎng)絡連接-多點接口（MPI），-PROFIBUS或-工業(yè)以太網(wǎng)，通過編程器PG可以訪問所有的模塊，循環(huán)周期短、處理速度高，指令集功能強大。它的工作原理采用循環(huán)執(zhí)行用戶程序的方式。OBI是用于循環(huán)處理的組織塊，可以調(diào)用別的邏輯塊，或被中斷程序中斷。在啟動后，不斷的循環(huán)調(diào)用OBI，在OBI中可以調(diào)用其它邏輯塊（FB,SFB,FC或SFC）。循環(huán)處理過程

29、可以被某些事件中斷。本次設計中PLC模塊型號見表2.1。名稱模塊訂貨號固件 PLCCP 313C6ES7 313-5BE01-0AB0V2.0以太網(wǎng)通訊模塊CP343-1 Lean6GK7 343-1CX10-0X0EV2.0PROFIBUS通信模塊CP 345-56GK7 343-5FA01-0XE0V2.1 IE通用模塊IE模塊IE-CPV6.21表2.1 PLC模塊型號表2.3控制方案的確定被控對象為PCS實驗裝置的流量控制單元，在實際中這種被控對象的精確數(shù)學模型很難建立。即使在某一條件下我們建立出了它的數(shù)學模型，由于周圍環(huán)境的變化，這些條件也會發(fā)生變化，相應的數(shù)學模型也必然發(fā)生變化。這

30、樣由于環(huán)境的不斷變化，造成數(shù)學模型的不確定性。其次，即使我們可以忽略環(huán)境的變化，帶來的不確定性。通常的流量被控單元的結(jié)構(gòu)也不可能是簡簡單單的線性模型。而一旦引入非線性環(huán)節(jié)，被控對象的數(shù)學模型就更難建立，或者即使建出來了，也必然不是比較精確的模型。另外，流量單元存在一定的時滯環(huán)節(jié)，也必然會對數(shù)學模型的建立時的條件處理帶來困難。綜上所述，流量單元的比較精確的數(shù)學模型是很難得到的。即使我們經(jīng)過復雜的處理，得到了一定的模型。也必然與實際對象存在較大差距。所以，這樣得到的數(shù)學模型對于實際控制來說沒有任何實際意義。所以，我們想對一個存在很多不確定條件的模型，進行精確的控制器設計，以便達到很高的控制精度，基

31、本上是不可能的。因此，傳統(tǒng)的基于精確數(shù)學模型的控制算法的設計是無法很好的應用在流量控制單元的。在實際中我們最常用的是PID算法。這種算法不需要有精確的數(shù)學模型，而且原理簡單，適應性好，魯棒性強。當然這種算法的簡單性也就決定了它不可能有較好的控制精度。這種算法一般應用于控制精度要求不高的場合。而在本設計中我們想要有一種不要精確數(shù)學模型的算法，而且又有比較高的精度。其實，這種不要求精確數(shù)學模型，而又有較高的控制精度的算法，正是我們控制工程領域最近一直追求的目標。近幾年來，隨著人工智能控制算法的發(fā)展。我們在智能控制領域也取得比較大的進步。比如模糊控制算法，改進PID算法，專家系統(tǒng)等等。這些控制算法盡

32、管依據(jù)不盡想同。卻又一個共同的特點，那就是模仿人的大腦的控制原理。人的大腦是我們已知所有存在非線性度最高的。我們個人也可感知，雖然我們對這個世界的數(shù)學模型并不非常清楚，我們依然能夠?qū)ν饨绲淖兓鞒鲎詈玫姆磻?。而這就是模糊控制算法的依據(jù)。而今模糊控制技術，在日本、美國、德國等高技術發(fā)達國家正在熱火朝天地研究開發(fā)者，模糊控制技術能在信息時代得到如此快速的發(fā)展，是由于模糊控制理論模糊控制技術為信息革命提供了新的富有魅力的數(shù)學工具與手段，有許多長處。模糊控制理論是以模糊數(shù)學為基礎,用語言規(guī)則表示方法和先進的計算機技術,由模糊推理進行決策的一種高級控制策略。模糊控制作為以模糊集合論、模糊語言變量及模糊邏

33、輯推理為基礎的一種計算機數(shù)字控制，它已成為目前實現(xiàn)智能控制的一種重要而又有效的形式尤其是模糊控制和神經(jīng)網(wǎng)絡、遺傳算法及混沌理論等新學科的融合，正在顯示出其巨大的應用潛力。實質(zhì)上模糊控制是一種非線性控制，從屬于智能控制的范疇。模糊控制的一大特點是既具有系統(tǒng)化的理論，又有著大量實際應用背景。模糊控制的優(yōu)點：1.簡化系統(tǒng)設計的復雜性，特別適用于非線性、時變、模型不完全的系統(tǒng)。 2.利用控制法則來描述系統(tǒng)變量間的關系。 3.不用數(shù)值而用語言式的模糊變量來描述系統(tǒng)，模糊控制器不必對被控制對象建立完整的數(shù)學模式。 4.模糊控制器是一語言控制器，使得操作人員易于使用自然語言進行人機對話。 5.模糊控制器是一

34、種容易控制、掌握的較理想的非線性控制器，并且抗干擾能力強，響應速度快，并對系統(tǒng)參數(shù)的變化有較強的魯棒性和較佳的容錯性。 6.從屬于智能控制的范疇。該系統(tǒng)尤其適于非線性，時變，滯后系統(tǒng)的控制。由于本設計中被控對象的所有不可精確的特性，所以模糊控制十分適用于本設計。故而我們對控制器采用模糊控制算法設計。整個完整的系統(tǒng)連接完畢后工作框圖如圖2.5所示：上位機MATLAB中的模糊控制器 OPC通信電機傳感器 PLC S7-300圖2.5 系統(tǒng)工作框圖第三章 半實體平臺的建立基于實驗室現(xiàn)有的德國FESTO公司研制的PCS實驗裝置中的流量控制單元，從通信協(xié)議、通信網(wǎng)絡、控制手段等角度來確定構(gòu)建半實體NCS

35、實驗平臺的控制方案。隨著計算機技術與信息技術的迅速發(fā)展，通過實時網(wǎng)絡信道構(gòu)架的閉環(huán)反饋控制系統(tǒng)已得到了廣泛應用。網(wǎng)絡化控制系統(tǒng)(Networked Control Systems,NCS)是一種通過實時通訊網(wǎng)絡構(gòu)成閉環(huán)的反饋控制系統(tǒng)，是控制、網(wǎng)絡和計算機多種技術融合交叉的產(chǎn)物。智能化傳感器、執(zhí)行機構(gòu)和驅(qū)動設備的誕生奠定了NCS的物質(zhì)基礎，高速以太網(wǎng)和現(xiàn)場總線等技術的不斷發(fā)展和成功應用解決了NCS的可靠性和開放性問題。NCS的優(yōu)勢在于可以實現(xiàn)資源共享和遠程分布控制，系統(tǒng)構(gòu)建模塊化、集成化、成本低，便于安裝、維護、擴展和故障診斷等。NCS 已被廣泛應用于航空航天、石油化工、制造業(yè)等復雜系統(tǒng)中。廣義

36、的NCS還包括通過企業(yè)信息網(wǎng)絡以及Internet 實現(xiàn)對工廠車間、生產(chǎn)線甚至現(xiàn)場設備的監(jiān)視與控制。NCS的研究主要分為兩大類：一類是實現(xiàn)對網(wǎng)絡的控制（control of network），另一類是通過網(wǎng)絡實施對系統(tǒng)的控制（control through network）。前者是對網(wǎng)絡路由、網(wǎng)絡流量等的調(diào)度與控制，以提高多媒體信息傳輸和遠程通信服務質(zhì)量為目標，是對網(wǎng)絡自身的控制。后者是指控制系統(tǒng)的各個節(jié)點之間的數(shù)據(jù)傳輸不是傳統(tǒng)的點對點方式，而是通過網(wǎng)絡來傳輸，是一種分布式的控制，是源于自動控制技術以滿足系統(tǒng)穩(wěn)定性及其它動態(tài)性能為目標的，研究主要圍繞系統(tǒng)的動態(tài)性能。由于通信機制和通信協(xié)議的原因

37、，以及網(wǎng)絡的帶寬有限且為系統(tǒng)中各節(jié)點所共享，當傳感器、控制器和執(zhí)行器通過網(wǎng)絡交換數(shù)據(jù)時，往往出現(xiàn)數(shù)據(jù)多路徑傳輸、多包傳輸、數(shù)據(jù)碰撞、網(wǎng)絡擁塞、網(wǎng)絡連接中斷等現(xiàn)象，這使得NCS不可避免的產(chǎn)生數(shù)據(jù)傳輸延時、數(shù)據(jù)包時序錯亂、數(shù)據(jù)包丟失等問題。不僅降低系統(tǒng)性能，甚至會使其失穩(wěn)。此外，在NCS中，時變傳輸周期、多采樣率、節(jié)點驅(qū)動方式、時鐘同步方式、信息調(diào)度算法、空采樣等，將使閉環(huán)系統(tǒng)的性能結(jié)構(gòu)發(fā)生改變。這些問題往往使得NCS喪失定常性、完整性、因果性、確定性。傳統(tǒng)的控制理論和控制方法已不能直接用于NCS的分析與設計，必須針對NCS的不同特性，重新評估和建立NCS的控制理論和控制方法。這對NCS分析與設計

38、提出了新的挑戰(zhàn)，因而開發(fā)NCS的研究平臺顯得尤其重要。半實體NCS平臺是以實際的物位裝置為受控對象，結(jié)合了實際和虛擬NCS實驗平臺二者的優(yōu)點，克服了仿真模型的虛擬欠缺。基于此本次畢業(yè)設計的半實體NCS平臺，以校園局域網(wǎng)為通信介質(zhì)，模擬遠程網(wǎng)絡控制系統(tǒng)；以實際的流量控制單元為被控對象，仿真條件更接近于實際工程背景；以OPC為通信協(xié)議，解決了硬件支持不力對MATLAB實際應用的限制，通過校園局域網(wǎng)和OPC通信協(xié)議，實現(xiàn)PCS流量單元和MATLAB/Simulink的半實物網(wǎng)絡化控制系統(tǒng)的連接，進行模糊控制器的尋優(yōu)控制。因此，本次設計基于實驗室現(xiàn)有的PCS平臺與相關硬件設備，實現(xiàn)對半實體NCS平臺的

39、開發(fā)與研究，實現(xiàn)半實體的網(wǎng)絡控制系統(tǒng)的平臺方案。3.1配置PC機的硬件機架（1）當在個人計算機成功安裝SIMATIC NET軟件后，在PC機桌面上可看到Station Configurator 的快捷圖標，同時在任務欄中也會有Station Configuration Editor 的圖標。通過點擊該圖標打開Station Configuration Editor配置窗口，如圖3.1所示。圖3.1 Station Configuration Editor配置窗口（2）在一號卡槽上點擊鼠標右鍵，出現(xiàn)Add按鈕，在添加組件窗口中選擇OPC Server點擊OK 即完成。（3）用同樣方法選擇三號插槽

40、添加IE General，點擊完成。插入 IE General 后，即彈出其屬性對話框。點擊Network Properties，進行網(wǎng)卡參數(shù)配置，如圖3.2所示。（4)網(wǎng)卡的配置 點擊 Network Properties后,WINDOWS網(wǎng)絡配置窗口即打開，選擇本地連接屬性菜單設置網(wǎng)卡參數(shù)，如IP地址，子網(wǎng)掩碼等,使用的IP地址：172.18.224.241，默認網(wǎng)關：172.18.224.12，確認各步設置后，網(wǎng)卡配置完成。（5）分配PC Station名稱 點擊“Station Name”按鈕，指定PC 站的名稱，這里命名為lhq。點擊“OK”確認即完成了PC站的硬件組態(tài),如圖3.3所

41、示。圖3.2 網(wǎng)卡參數(shù)配置圖3.3 PC站的硬件組態(tài)3.2在STEP 7中組態(tài)PC Station（1）打開 SIMATIC Manager，通過FileNew 創(chuàng)建一個新項目，如“l(fā)ihanqing”。通過InsertStationSimatic PC Station 插入一個PC 站。特別注意的是，要將PC Station 默認名稱“SIMATIC PC Station(1)”改為與Station Configuration Editor 中所命名的Station Name 名稱相同， 所以這里改名為“l(fā)hq” ，如圖3.4所示。（2）建立硬件組態(tài)，因為我們使用的PLC的CPU 為313C

42、，所以我破門在硬件槽，第二個槽內(nèi)插入CPU 313C，在第四個槽內(nèi)插入CP 313-1 Lean進行通信，如圖3.5所示。圖3.4 STEP 7中創(chuàng)建新項目與建立Simatic PC Station圖3.5 建立硬件組態(tài)（3）接下來我們給CPU分配一個地址，作為通信連接的依據(jù)，雙擊第二個槽的CP343-1Lean彈出關于CPU 343-1 Lean的對話框，點擊Properties，進入通信設置對畫框，如圖5.3所示。我們設置CP343-1Lean的IP地址為172.18.226.241，查得上位機的子網(wǎng)掩碼為255.255.,0.0，并建立新的通信連為Ethernet（1），如圖3.6所示。

43、圖3.6 以太網(wǎng)卡參數(shù)設置（4）點擊2.3卡槽的AI5/A02進行PLC的輸入，輸出的信號屬相，及數(shù)值進行與本次設計的PCS實驗平臺相對應的設置，如圖3.7和圖3.8所示。圖3.7 PLC輸入變量屬性設置圖3.8 PLC輸出變量屬性設置3.2.1網(wǎng)絡組態(tài)（1）點擊“Configure Network”按鈕，進入Net Pro配置窗口。（2）在Net Pro網(wǎng)絡配置中，選擇OPC Server后在連接表的第一行鼠標右鍵插入一個新的連接。同理用鼠標選擇CPU 313后也建立一個新連接，如圖3.9所示。圖3.9 插入新連接（3）需注意的是在以太網(wǎng)通信模塊CP343-1 Lean 中，鼠標右鍵點擊模塊

44、屬性，彈出對話框，如圖3.10。圖3.10 以太網(wǎng)通信模塊屬性（4）配置IP地址和子網(wǎng)掩碼如下，IP地址為：172.18.226.95，子網(wǎng)掩碼為：255.255.0.0，此處IP地址為PLC CPU313的地址，須與硬件配置時一致，如圖3.11所示。圖3.11 配置IP地址和子網(wǎng)掩碼（5）確認所有配置后，已建好的S7連接就會顯示在連接列表中。點擊編譯存盤按鈕或選擇Network>Save and Compile，如得到No error的編譯結(jié)果，則正確組態(tài)完成。這里編譯結(jié)果信息非常重要，如果有警告信息（Warning）顯示在編譯結(jié)果對話框中，這僅僅是一條信息。但如果有錯誤信息（erro

45、r Message），說明組態(tài)不正確，是不能下載到PC Station 中的。3.2.2組態(tài)下載（1）完成PC站組態(tài)后，即可在NetPro 窗口點擊功能按鈕欄中下載按鈕將組態(tài)下載到PC 站中。需注意的是，下載過程中會刪除已有相關組件的數(shù)據(jù)，新的組態(tài)數(shù)據(jù)將被下載到PC 機。點擊OK 執(zhí)行下載。另外，在下載之前須在本機控制面板中的SetPG/PC Interface修改已使用的接口參數(shù)分配。改為PC internal（local）。如圖3.12所示。圖3.12 修改應用程序訪問點（2）鼠標單擊IE General，然后再單擊圖標進行下載。組態(tài)下載過程開始，在Module 欄中，必須有OPC服務器和

46、IE通用兩項。如圖3.13所示，點擊OK 即可。圖3.13 下載過程（3）下載完成后，須在Set PG/PC Interface修改已使用的接口參數(shù)分配改回自動狀態(tài)。（4）可以打開Station Configuration Editor窗口檢查組件狀態(tài)。OPC Server 插槽Conn 一欄一定要有連接圖標，此項說明連接激活，如圖3.14所示。圖3.14 PC Station 運行狀態(tài)3.2.3軟件組態(tài)硬件與網(wǎng)絡配置好之后，下一步的任務是在OPC Scout中建立變量與調(diào)試以及系統(tǒng)平臺的搭建過程。（1）打開OPC Scout,（Start>SIMATIC>SIMATICNet&g

47、t;OPC Scout），如圖3.15所示，雙擊“OPC SimaticNet”在隨之彈出的“ADD Group”對話框中輸入組名，本例命名為“l(fā)ihanqing”,點擊OK 確認。圖3.15 在OPC Scout中添加一個組“l(fā)ihanqing”（2）雙擊已添加的連接組（OPC_ETHERNET），即彈出“OPC Navigator”對話框，此窗口中顯示在Configuration Console 所激活的連接協(xié)議。雙擊“S7”，在PC Station組態(tài)NetPro中所建的連接名會被顯示。雙擊此連接，即可出現(xiàn)有可能被訪問的對象樹（objects tree），在PLC CPU 中已存在的DB

48、 塊也會出現(xiàn)。如圖3.16所示。 圖3.16 Objects in the OPC Navigator對話框（3）雙擊所需訪問的PLC數(shù)據(jù)區(qū)都可建立標簽變量。這里以objects 區(qū)為例。雙擊M如果所顯示的M 塊有紅叉標記，這并無問題。只要再次雙擊“NewDefinition”，“Define New Item”對話框即被打開?？稍诖硕x標簽變量與數(shù)據(jù)類型。注：Datatype、Address、No.Value 參數(shù)必須定義，No.Value 是指數(shù)據(jù)長度。定義完成后，點擊OK 確認，如圖3.17所示。 圖3.17 定義條目及標簽變量地址為80，長度為一個字（注：將IW1的05V的輸入信號進行

49、數(shù)值轉(zhuǎn)換后存入內(nèi)存實數(shù)變量80的地址中。（4）在“Define New Item”中點擊確認后，新定義的條目即顯示在OPC Navigator 的中間窗口。點擊“”就可將此條目移到OPC-Navigator 的右側(cè)窗口，再點擊OK 按鈕就可將此條目連接到OPC Server，如圖3.18所示。 圖3.18 建立定義條目與OPC Server 連接（5）通過上一步的確認后，所定義的條目（Item）即嵌入到OPC Scout 中。如果“Quality”顯示“good”，則OPC Server 與PLC 的S7 連接已經(jīng)建立，也就意味著可以對標簽變量進行讀寫操作，如圖3.19所示。圖3.19 OPC

50、 Scout 與OPC Server 的連接（6）用同樣的辦法建立PLC輸出變量QW1，取值范圍（0-27648）。此信號為控制水泵直流電機轉(zhuǎn)速的PLC模擬量電壓輸出變量。這里不再重復。雙擊條目的“Value”欄，即可在“Write Value(s) to the Item(s)”窗口中對有關條目進行寫操作。但在流量控制單元中，水箱高度值為實際值，不可改變。我們只可改變QW1的Value來改變電機轉(zhuǎn)速。3.3 SIMULINK中利用OPC工具箱搭建平臺（1）打開matlab軟件，點擊圖標，進入MATLAB的Simulink工具箱如圖3.20所示。圖3.20 OPC工具箱（2）點擊OPC Too

51、lbox，在上圖右方會出現(xiàn)所有的OPC模塊。鼠標右鍵點擊OPC Configuration添加到新工程中，如圖3.21所示。 圖3.21 添加OPC 組態(tài)模塊（3）添加成功后，雙擊如圖3.21所示的OPC Configuration模塊設置模塊屬性，點擊Configure OPC Clients圖標，配置和定義OPC 客戶端，如圖3.22所示。圖3.22 配置和定義OPC 客戶端（4）在OPC客戶端管理窗口中，點擊Add 添加OPC 客戶端，此時出現(xiàn)OPC服務器屬性窗口，如圖3.23，點擊Select。圖3.23 選擇服務器（5）在多個OPC客戶端中，選擇OPC.SimaticNET，點擊OK

52、 即可，如圖3.24所示。 圖3.24 選擇OPC.SimaticNET（6）在OPC服務器屬性窗口中，西門子網(wǎng)絡的OPC 客戶端已經(jīng)添加成功，點擊OK 即可。如圖3.24所示。 圖3.24 OPC 客戶端添加成功如圖，西門子網(wǎng)絡的OPC 客戶端已經(jīng)添加成功，服務器為本機。（7）在OPC Toolbox 中選擇此模塊添加到當前工程中。雙擊OPC Read模塊，進入屬性設置。點擊Configure OPC Clients。進入設置界面，點擊Add添加OPC 客戶端。如圖3.25所示。（8）在OPC Server Properties 窗口中，點擊Select ，然后選擇OPC.SimaticNE

53、T,點擊OK即可，添加成功，如圖3.26所示。（9）點擊Add Items，添加將要讀入的變量，如圖3.27所示。圖3.25 添加OPC 客戶端圖3.26 添加成功圖3.27 添加變量（10）其中采樣時間可以自己進行設置，但不要小于OPC Scout 中的數(shù)據(jù)更新時間，否則沒有任何實際意義。采樣時間過大可能帶來延時或丟包。此時會出現(xiàn)Select Items 窗口，選擇S7 連接，添加變量MREAL80。點擊“>>”圖標，變量會添加到右側(cè)窗口中。點擊OK 即可。如圖3.28所示。添加成功后會顯示如圖3.29所示窗口。此時，OPC Read 模塊會出現(xiàn)如圖3.29所示變化，表示成功連接到變量。其中，V 為OPC Read 模塊的輸出值，Q為數(shù)據(jù)質(zhì)量，T為時間戳矢量。圖3.28 添加變量MRE