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一种用于伺服机构的模糊PLC控制系统
罗马尼亚布加勒斯特“POLITEHNICA”大学自动控制和计算机系自动控制和工业信息学司(电子邮件:{Iulia, Nicoleta, Ioana, Iliescu}@shiva.pub.ro)
文摘:以某伺服机构模糊plc系统为例进行了实例研究。该方法实现了平滑模糊控制，在PLC系统中易于实现。伺服机构的速度是受控制的。
关键词:模糊控制，可编程控制器(PLC)，模糊PLC系统，过程控制，计算机控制系统。
1. 介绍
近年来，我们在产业和信息技术的快速变革中提供了帮助。现在，所有设备的控制都是通过计算机来完成的。大多数设备使用可编程逻辑
控制器(plc)与计算机连接，并监控每个负载和用电设备。plc由于安装方便、应用灵活，在工业控制中得到了广泛的应用。PLC通过输入和输出与外部世界进行交互。
在工业自动化应用中，梯形逻辑是一种运行在可编程逻辑控制器上的编程语言，通常用于离散事件控制。对于连续控制，通常采用pid型控制器(Li和Tso)。1974年，第一个模糊控制应用出现(Mamdani, 1974)。从那时起，模糊逻辑控制(FLC)被认为是设计动态系统控制器的首选方法，即使在可以使用传统方法的地方也是如此(Mamdani, 1993)。
本文介绍了伺服机构的速度控制。为了获得良好的系统性能，在PLC上实现了模糊逻辑控制(FLC)。
2. 模糊控制器的背景
实践中有许多不同的过程，它们的性质是需要控制的。例如,我们想要的电动机的转速等于某个值为任何负载转矩,我们希望飞机不会掉下来,我们想增加电厂的电力减少空气污染,我们要增加硬光盘的容量所以我们要更准确地控制阅读机械等。
调节基于反馈控制，如图1所示。系统y(t)的输出由传感器测量。控制器根据矩阵计算系统u(t)的输入测量输出y(t)及其参考yr(t)，并应用于此执行器对系统的值。
图1:反馈控制回路
信号:y =系统输出(控制) Yr=参考ε=测量错误u =系统输入(命令)
m =执行信号 z =质量信号 v =干扰
对于控制设计，必须知道系统行为。为此，通常我们必须用数学工具来描述系统。通常，我们做物理分析，首先得到一个微分和代数方程组。第二步是确定系统的输入和输出，从系统的数学方程中描述一个所谓的模型，如果需要，将其线性化。然后，我们可以测量系统参数，并写下完整的数值模型(Jirka Roubal)。
确定系统模型后，可以设计控制器。设计控制器有很多方法。它取决于应该达到的性能(例如系统的稳定性和系统行为的质量，根据标准的系统最佳行为，等等)。
另一种开发控制器的方法是使用模糊集(也称为模糊集)代替数字进行模糊理论的运算。这些是基于数学的对象，为其定义了相应的运算符。
为了控制一个过程，需要的数据由测量系统提供。这些数据包括测量单位、测量变量，以及在本例中可能不感兴趣的其他一些值。测量单位为物理单位，即米，测量值为无量纲测量结果。为了规范所有可能数据的无序组，可以将它们映射到实数组，例如，可以使用测量值的对应数量。这些数字可以用直线表示，如图2 (Amira)所示。
图2:数据集X到实数的映射
然而，不使用数学模型的过程也是一个不确定性的来源。例如，设计模糊系统的许多自由度可能是一个缺点。
以下概述了模糊控制的优缺点(Siemens,2003):
简单地执行口头表达的规则(如果hellip;在电脑上解决一个问题。
模糊系统的行为是人类可以理解的。
与传统方法相比，避免了开发数学描述的高成本。
可用于处理复杂复杂的工艺。
对系统了解不够，对系统行为了解很少或非常不精确的任务定义会导致糟糕的、可能无法使用的模糊解决方案。
如果系统行为发生变化，通常没有适应性和学习能力。
系统的设计需要经验，因为它有很多自由度。
下图(图3)说明了模糊控制器的组成及其功能原理。模糊控制是基于一组规则，称为规则库。
图3:模糊控制器的组成及功能原理
功能原理分为以下步骤:
模糊化——语言变量的语言值(模糊集的隶属度)的实现程度分配给非模糊输入值。
推论——对于规则库中的每一个规则，那么部分的实现程度是由IF部分通过某种方法的实现程度形成的。这个过程也叫蕴涵。当时部分的完成程度等于规则的完成程度，也称为规则强度。所有这些单独的规则计算加在一起就形成了输出信号的一个隶属函数，也称为组合。得到的成员函数
描述了一个“模糊控制命令”。当IF部分包含一个复合语句“IFhellip;和hellip;hellip;”——(然后hellip;)，首先执行模糊逻辑和运算，并在整体规则评估中使用满足度。所有这些语句通常统称为聚合。
去模糊化——从模糊控制命令中为控制变量计算最具代表性的数值(非模糊)输出值(以生成的隶属函数的形式)。
3.伺服机构
3.1伺服机构的数学描述
工厂由一个伺服机构(图4)表示，它由两个相同的电机组成，由一个机械离合器连接。第一电机用于控制转速或轴角。第二个，进一步称为发电机，用于模拟负载扭矩。它包含了A / D- D / A转换器,数字输入/输出通道和增量编码器输入通道(爱)。
操纵信号为电机伺服放大器的测速信号和控制信号。
图4所示。伺服机构(Petr Chalupa)。
设备总图如图5所示。
图5所示。伺服机构的一般图(路易斯J.德米格尔)。
永磁直流电动机的等效电路如图6所示。式(1)由该电路得到，其中
UA:电枢电压。E:电动势。IA:电枢电流。
RA:电驱电阻。LA：电驱电感。Omega;：电驱频率。
U-E=RI L*(d/dt)*I (1)
电动势E与电机转速成正比;由式(2)可知，其中C为电机常数，F为恒磁通。磁激励与(rad/s)的关系由式(3)可知:
E =C phi;omega; (2)
omega;=2Pi;Omega;/60 (3)
图6所示。直流电机等效电路。
电机产生的转矩M与电枢电流IA成正比，如式(4)所示:
M = KI (4)
3.2参数辨识及模糊控制器的计算
为该过程实现的模糊控制器具有如图7所示的结构。
图7:模糊控制器的结构
模糊变量的名称选择如下:
x:加速度y: 速率误差z: 控制信号
模糊控制器核的实际传递函数为z = f(x,y)，其中由模糊集、模糊变量和模糊规则定义的函数f是任意的。我们的模糊控制器采用“面积中心”(coa)方法进行去模糊处理。单个模糊集的面积中心总是相同的，而不依赖于它的加权。因此，只有一个模糊集的模糊输出变量的值总是等于这个模糊集的面积中心常数的值，所以输出值为:
out = coa(set) = const。 (5)
相比之下,如果模糊输出变量有两套,其价值只能两个中心区域之间的两组根据每组的权重。在极端的情况下的两个模糊集的加权变量为零,导致输出变量的值等于其他模糊集的中心区域,所以输出值是:
out [coa(set1)， coa(set2)] (6)
转速范围为3000转/分，最大控制误差信号为6000转/分。因此，y的定义范围为:
Yisin;[-6000, 6000] (7)
但是，如果考虑到速度控制的期望性能，建议对上述intervall进行显著限制。模糊集在模糊变量定义范围的极限处的值继续为无穷大。例如，如果上面提到的intervall被限制在范围1000并且输入值是 6000，那么输入变量的行为就像输入值是 1000一样。
x的定义范围受采样周期内最大y偏差的限制。为了计算这个值，假设最大控制信号为10V。
TM =JR/KCPhi;=70ms (8)
表示系统的机械时间常数。其结果是:
X=Delta;Y/ Delta;t=142.8/0.005=28560 (10)
因此x的定义范围是:Xisin;[-28560, 28560] (11)
控制器的控制信号被限制在-10V到 10V的范围内。跟随模糊控制器内核的积分器不能操作较大的值。输出变量的定义范围直接影响环路放大，从而在一定程度上决定了闭环的动态特性。当控制信号范围为20V时，在n个采样周期为5ms时，模糊控制器核的最大输出值由:
n* 5* 10-3 * zmax= 20V/(5*n*10-3) (12)
n=20，则zmax=200V，则z的定义范围为:
Zisin;[-200, 200] (13)
由于此时模糊控制器的行为未知，因此将每个变量的定义范围分为“正”、“空”和“负”三个区间。名称为“null”的集合将在零点以上定义，并扩展到整个定义范围的1/3以上。
4. 模糊- PLC控制系统
所设计系统的总体视图如图8所示。图8显示了伺服机构、PLC系统和数字/模拟I / O,伺服机构和PLC之间的连接模块,模拟板用来描述状态的传感器和开关的PLC和PC与PLC的安装软件的编程和实现的模糊控制器。
图8:设计的系统
4.1仿真板
仿真板以稳定的24v直流电压运行，例如由PLC系统的供电单元供电。该插座用于将模拟板上的传感器和开关连接到PLC系统。系统模拟器上的安全插座根据分配连接到传感器和开关上。这些开关和传感器中的每一个都可以在物理上充当闭合或断开触点(Dumitru)。
4.2 PLC系统
可编程逻辑控制器是模块化的、经过工业加固的计算机，通过模块化输入和输出(I/O)模块执行控制功能。PLC的模块化允许用户将通用的I/O模块与合适的控制器组合起来，形成一个专门针对其最简单理解的需求的控制系统(Yasar Birbir)。控制器的操作，设想重复执行三个步骤:
从输入模块读取输入。
解决预编程控制逻辑。
根据控制逻辑解决方案生成输出模块的输出。将工艺的输入设备和输出设备连接到PLC上，控制程序进入PLC存储器。在我们的应用中，PLC系统通过模拟和数字输入控制输出电机的变负载恒速运行。PLC根据控制程序对输入进行连续监控，并对输出进行激活。我们应用的PLC，是SIMATIC S7-300系列工业PLC。用于配置和编程Simatic可编程逻辑控制器的标准软件是step7。S7-300可以使用的编程语言有梯形逻辑、语句列表、函数框图:
bull;语句列表(STL)是一个文本表示,类似于机器代码。如果程序以语句列表的形式编写，则各个指令对应于CPU执行程序的步骤。
bull;梯形逻辑图(或小伙子)是一种编程语言主要用于开发软件可编程逻辑控制器(plc)在工业控制应用中使用。小伙子代表了一个图形程序图支持基于继电器逻辑电路”图的硬件。云梯允许您跟踪电力流之间的权力，因为它通过各种接触，复杂的元素，和输出线圈(伊凡内斯库)。
bull;功能框图(增)是一个图形表示和使用布尔代数的逻辑框熟悉代表逻辑。
S7-300是一个模块化控制系统，主要用于生产工程的系统解决方案。广泛的程序集非常适合处理所有需要的需求和灵活的应用程序。S7-300包含以下类型的模块(Siemens, 2004):
bull;中央处理单元(CPU)bull;电源模块(PS)
bull;接口模块(IM)
bull;通信处理器(CP);(用于连接PROFIBUS)
bull;数字和模拟模块现在叫“信号模块”(SM)
在实际应用中，S7-300模块被插入到基本板上的异形轨道上，通过后面板总线相互紧固和连接，使系统兼容。系统通过特定的连接器适配器快速、安全地与模块上的输入和输出电连接。由于它的建设，该系统对未来的发展是开放的(Dumitru)。
4.3模糊- PLC系统的实现
采用SIMATIC step7 V6.2软件对PLC系统进行编程。在这里，使用编程块创建了获得系统所需控制的所需软件。很明显，编程块中使用的描述也使用了考虑到硬件描述而得到的地址。
采用模糊控制c V5.0软件实现了系统的FLC应用。首先，利用模糊控制c V5.0软件将输入输出隶属函数和规则图信息转移到计算机环境中，准备好进行控制。此外，这些将在专家知识的控制下模糊控制c 由一个软件包组成，该软件包能够实现高质量的、全自动的过程控制系统。
执行处理如下:真理的瞬时输
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