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在先进控制工程和信息科学的软PLC运行系统的研究
摘要：基于PC自动控制系统是低成本、开放好、易于使用等等,所以它变成了自动化技术的一个新方向。制定国际标准EIC61131-3不仅使工业控制的编程语言领域规范化，也为PLC技术的发展提供了条件。本文介绍了软PLC的原理,论述了PLC软件模型和基于EIC61131-3标准上的实现，详细描述了软PLC运行系统和程序的实现原理，设计了基于工业PC的软PLC运行系统软件，构建了基于工业PC的软逻辑控制系统。最后，对软可编程控制器的实时性和可靠性进行了验证。结果表明，该系统具有良好的可靠性和控制效果。
- 介绍
软PLC技术是一种新型的基于PC控制技术。与传统的PLC相比,具有开放的体系结构,强大的网络通信能力和提高数据处理能力,能满足现代工业自动化的要求，是目前工业自动化领域的一个热点。
所谓的软PLC,使用PC机作为硬件支持平台,使用软件来实现传统PLC的基本功能。PLC控制功能封装在软件,在PC上运行的环境。
该控制系统提供了一个具有相同功能的可编程控制器控制系统，但有上位机的优点。根据PLC的传统结构,软PLC的实现分为两个部分,开发系统和运行系统。软PLC运行系统是软PLC的核心，执行程序和流程的输入和输出。
本文介绍了传统PLC的特点和发展趋势,并描述了软PLC的架构、软件模型。此外,软PLC运行系统的指令集的设计根据国际标准IEC61131-3和参考西门子S7-200的指令集。然后，介绍了软可编程控制器的体系结构，并对整个系统进行了测试。测试功能表明，系统功能达到了预期的要求，运行良好。
- 软PLC的几种实现方案
目前,有三种方案软PLC控制系统。一个是传统的PLC控制系统。该方案具有硬件PLC为硬件平台，定制PLC运行系统的硬件，然后固化PLC。该控制程序的缺点是，该系统是针对特定的可编程控制器制造，系统维护和升级是困难的，而且不是开放的运行系统。第二种控制方案是基于嵌入式控制器。嵌入式控制器
是一个超小的计算机系统,它的软件平台是嵌入式操作系统。该控制方案更适合于一个小的实时控制器。最后一个是一个基于工业计算机(IPC)的控制方案。在这种控制方案，系统的软件平台上可以使用Windows NT和其他实时操作系统，硬件接口使用一个通用I/O卡和I/O端子板（或现场总线卡，和远程I/O模块）。基于工业PC控制系统的软PLC可以充分利用上位机丰富的软件和硬件资源，易于构建总线控制系统和网络控制系统。本文将研究基于工业PC操作系统的软PLC。
- 基于IEC61131-3标准的软PLC的实现方法
IEC61131-3标准是第一个国际标准提供标准化编程语言软件设计的工业自动化和控制系统。IEC61131-3标准是基于IEC工作组的工作吸收和引用全球制造商的PLC编程语言,形成一个新的国际编程语言。基于IEC61131-3标准的软件模型，如下图所示。
PLC软件模型和不同硬件的搭配,可以建立多种实际控制系统。在应用软件设计中，基于IEC61131-3标准遵循软件模块化的原则，将一个复杂的项目分成几个独立的模块，每个模块将常用的程序分成若干功能单元，哪是程序，功能块和功能，封装了这些单位构成了编程的基础。
- 软PLC虚拟机系统的实现
软PLC系统是整个软可编程系统的核心，它负责整个系统的管理，对程序进行解析，并与编程系统交换数据。软PLC运行系统的建设分为三个部分,即:通信模块,运行核心模块和I / O驱动程序模块。运行系统的核心是软PLC运行的虚拟机。它解释，组织和执行应用程序编程。本文主要介绍软PLC虚拟机运行系统的实现。
4.1 虚拟机的工作原理与结构
虚拟机的本质是类似于计算机的CPU的硬件，核心功能是反复获得价值，解释代码和执行过程，只对软PLC，这些功能是由软件完成。这些功能的实现划分为两个方面:一种是基于寄存器的，这种方法的优点是速度快，透明，易于调试；另一种是基于堆栈,这适用于维持小程序,占用一些内存,并迅速调用函数。由于调用函数栈的快捷方式，这个方案是采用本文设计的虚拟机。
虚拟机的功能模块包括：指令读取子模块、指令分析子模块、逻辑指令子模块、功能操作指令子模块等。
4.2 制定目标代码
目标代码是在虚拟机中运行的代码。软PLC研究,目标是一种二进制代码,编译在软PLC系统开发、执行和完成控制功能的软PLC运行的虚拟机系统。
结合IEC61131-3标准,一个PLC项目的结构层次可分为:配置、资源、任务、运行程序等。在本文中实现的软PLC中，一个配置对应一个PLC系统,每个配置都可以有多个资源,任务的概念在资源中被描述。整个系统是多线程的程序，同时执行多个控制任务。
目标代码的格式是：开发系统中产生的文件是一种形式文件，它可以描述系统中各种类型的配置，编译器也可以生成运行虚拟机的控制算法。
4.3 虚拟机指令系统
本文中所开发的虚拟指令,包括19个基本指令,4功能指令和3程序控制指令。基本指令包括：LD, AND, OR, OUT, LDN, ANDN, ORN, LDI, ORI, ANDI, OUTI, LDNI, ORNI, NOT, SET, CLEAR, ALD, OLD；功能说明： TON, TONR, TOF, COUNT；控制指令包括：SUBCALL, RETURN, END.
4.4 虚拟机的软件设计
虚拟机是一种想象力的计算机,通过软件技术在实际的处理器中实现。虚拟机的主要功能是由于其特性可以运行描述语言的某些规则。虚拟机的一个重要特点是在将虚拟机移植到其他操作系统平台上，它增加了一个硬件和软件之间的硬件抽象层次，它的应用程序不需要改变。
根据软件组件的设计思想,整个PLC系统可分为几个独立的功能软件模块,在模块之间定义了规范的接口,每个软件模块的组成如下图所示。
普通的PC机作为整个控制系统的硬件平台，软件平台是WindowsXP rtx8.0，通用I/O卡作为输入输出模块，其他卡也可以用于处理模拟或数字信号，本系统使用的卡是研华PCI-1710卡。
下面简要描述虚拟机的主要功能。首先是vm_init()函数用来初始化系统，它的主要功能是用来初始化注册的虚拟机,构建人工地址空间,中间代码解读这个人造地址空间,并设置初始值堆栈指针,程序指针,空定时器和计数器等。第二个是VM_Check()函数用于验证目标代码,它的主要功能是用来验证目标代码读入内存的正确性。最后一个是VM_Main()，是VM_Main()的主要功能,它的功能是用来执行目标代码。虚拟机从中间代码文件格式的第一指令执行指令，直到处理完指令，然后,虚拟机完成一个程序执行阶段的扫描循环。
- 软PLC系统的测试运行
为全面客观地评价软PLC的性能,需要对整个系统进行全面的测试。虚拟机的测试是主要的测试，它包括虚拟机的实时性、准确性和可靠性。
为了验证虚拟机的实时性，我们测试了2000种逻辑指令使用示波器和时间由系统提供的功能，根据指示灯和电平改变示波器测试该程序的执行时间的闪烁时间。经测试，用来执行2000逻辑指令时间是500微秒，而普通PLC的扫描时间为几十毫秒。所以虚拟机实现了实时的设计目标。为了验证虚拟机的可靠性，我们在运行该系统时，系统工作在很长一段时间内，系统工作可靠，可达到工业现场的可靠性要求。
应用专家模糊PID方法加热炉的温度控制
摘要：为了解决加热炉的非线性、大滞后、时变等问题，采用模糊PID控制与专家决策相结合的控制温度，设计了一种专家型模糊PID控制器。在这个控制器,调整PID参数的模糊推理算法,因此具有自适应能力。专家决策可以降低温度设定值附近的冲击。当误差高于设定值时，使用模糊PID控制温度。否则,专家决策被选中。仿真和实验结果表明，基于专家模糊PID控制器的温度控制系统比传统的PID具有响应速度快、超调量小、鲁棒性强的优点。
- 介绍
由于加热炉具有非线性、时变、大滞后等缺点，其控制效果往往不能令人满意。因此,寻求一个有效和准确的方法来控制加热炉的温度是非常重要的。近年来,随着连续模糊理论和神经网络理论的发展,对加热炉的智能控制已成为一个热门话题和一个重要的研究领域。
模糊PID控制技术由于其简单、灵活、实用、稳定、高精度、高鲁棒性等特点已广泛应用于许多领域，尤其是在加热炉的温度控制。然而,模糊控制器的控制规则和隶属度函数是人为设定，因此很难满足时变和滞后的动态要求。因此，为了满足实时控制的要求，引入了专家系统。经验知识被存储在计算机中，并根据实践形成的知识库，以提高控制效果。专家控制器能使系统在较短的时间进入稳定状态。
本文结合专家控制的组合模糊PID控制系统，设计了一种温度控制系统，并对专家控制、模糊PID控制和专家模糊PID控制器进行了详细的描述。
- 加热炉温度控制系统的结构
在加热炉内的温度由热电偶测量时，它应与设定的温度进行比较。结果,将得到误差e和误差变化率ec，并且他们是输入参数。根据模式选择开关的设定值，选择模糊PID控制或专家控制。当误差e高于设定值，将使用模糊PID控制。相反，当误差较低，将选择专家控制。
因此，这是根据实时误差e和误差变化率ec，可以灵活地调节控制温度的方法。它不仅具有专家控制的快速调节的优点，而且是具有较高的精度和良好的稳定性的模糊PID控制。
- 设计专家模糊PID控制器
模糊PID控制是由传统PID发展而成的。基于模糊控制理论,可以建立三个PID参数KP、KI、KD和误差e和误差变化率ec的模糊关系。为了使被控对象具有良好的动、静态性能，根据不同的e和ec，参数KP，KI，KD可以进行在线自我调整，以满足不同的控制要求。
在一般情况下，模糊控制不具备知识库，而且不具有自适应能力，而且灵活性和交互性也都不是很好。相反,专家系统往往不能直接用于控制对象或生产过程。因此，将模糊控制与专家控制相结合，发挥到各自的优势。
专家控制器主要起到测量温度达到试验精度范围时保持温度不变的功能。因此，它可以使炉内温度保持稳定，避免在误差范围内的温度冲击，迅速满足测试要求。专家控制器主要是由专家决定的形式的程序语句 “if-then”。
专家模糊PID控制器主要由模糊化、模糊推理、模糊化和专家决策，而设计过程可以描述如下。
3.1模糊化
一般而言，经典的PID控制器可以给出：
k=0,1,hellip;,n （1）
在对PID参数进行模糊控制的同时，将经典的PID控制器变为模糊PID控制器,并将其公式化为：
（2）
其中，、、是初始PID参数，、、是调整PID参数。
如果模糊集域误差e和误差变化率ec，PID参数、、被定义为 {-6, -5, -4, -3, -2, -l, 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6}，模糊集是 {NB, NM, NS, ZO, PS, PM, PB}。隶属函数可以被定义为线性或非线性函数。在这项研究中，这个函数是高斯分布，即：
（3）
在bgt;0,并且a可以是 6, 4, 2, 0, -0, -2, -4, -6 模糊集的响应为PB, PM, PS, ZO, NS, NM, NB。
3.2 模糊规则
隶属函数的定义后，可以根据专家经验建立适当的模糊规则、、。他们在表1、表2和表3中所示。
3.3 模糊推理和去模糊化
根据模糊表，我们可以得到49times;3模糊规则，它们可以被描述如下。
如果，并且，那么
、、分别对应模糊集域误差e和误差变化率ec和PID参数、、。
所以,R的隶属函数是，并且给出了PID的参数以下表达式
（4）
因此，的输出如下。
（5）
同理，、的输出也能得到。
3.4 专家决策
当测得的温度接近设定值，并达到精度要求时，通过模式选择开关，选择专家控制。在这一时刻，控制器的输出保持不变，即，。那么，加热炉的温度将稳定。当稳定温度超出了误差范围时，该开关将转向模糊控制。
4 实验与结果分析
加热炉的温度控制可以用一个纯时间延迟加一个惯性输入来表示。实验表明，该模型可以写成以下公式。
（6）
条件下的单位
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