通用模糊控制器在PLC上的實(shí)現(xiàn)

通用模糊控制器在PLC上的實(shí)現(xiàn)

齊蓉林輝李玉忍謝利理（西北工業(yè)大學(xué)，陜西西安710072）（發(fā)帖人:）一、引言現(xiàn)代控制系統(tǒng)中的模糊控制能方便地解決工業(yè)領(lǐng)域中常見的非線性、時(shí)變、大滯后、強(qiáng)耦合、變結(jié)構(gòu)、結(jié)束條件苛刻等復(fù)雜問題。可編程控制器以其高可靠性、編程方便、耐惡劣環(huán)境、功能強(qiáng)大等特性很好地解決了工業(yè)控制領(lǐng)域普遍關(guān)心的可靠、安全、靈活、方便、經(jīng)濟(jì)等問題，這兩者的結(jié)合，可在實(shí)際工程中廣泛應(yīng)用。該文研究了通用模糊控制器在PLC上實(shí)現(xiàn)的幾種算法，用離線計(jì)算、在線查表插值的方法實(shí)現(xiàn)模糊控制。為了滿足不同執(zhí)行機(jī)構(gòu)對(duì)控制量形式的要求，采用增量式/位置式模糊控制輸出的算法，在增量式模糊控制輸出時(shí)，可實(shí)現(xiàn)手動(dòng)與自動(dòng)之間的無擾動(dòng)切換。為了消除由于頻繁動(dòng)作引起的振蕩，采用了帶死區(qū)的模糊控制算法。此外，一般的在線查表模糊控制器中存在著模糊量化取整環(huán)節(jié)，即當(dāng)誤差E與誤差變化率EC不等于模糊語言值（例如NB，NM,NS,ZO,PS，PM或PB）時(shí)，E和EC取整，這時(shí)從查詢表中查到的控制量U只能近似地反映模糊控制規(guī)則，因此產(chǎn)生誤差。由于量化誤差的存在，不僅使模糊控制器的輸出U不能準(zhǔn)確地反映其控制規(guī)則，而且會(huì)造成調(diào)節(jié)死區(qū)，在穩(wěn)態(tài)階段，使系統(tǒng)產(chǎn)生穩(wěn)態(tài)誤差，甚至?xí)a(chǎn)生顫振現(xiàn)象。文中提出的二元三點(diǎn)插值法可從根本上消除量化誤差和調(diào)節(jié)死區(qū)，克服由于量化誤差而引起的穩(wěn)態(tài)誤差和穩(wěn)態(tài)顫振現(xiàn)象。圖1—1給出了通用模糊控制器的基本組成結(jié)構(gòu)。二、通用模糊控制器在PLC上的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)圖2—1增量式輸出模糊控制系統(tǒng)框圖歩琲晅動(dòng)機(jī)岫賦成輸出摸稱控制系統(tǒng)麗模制歩琲晅動(dòng)機(jī)岫賦成輸出摸稱控制系統(tǒng)麗模制f冒］叫 式ft法J機(jī)構(gòu)對(duì)畫確定各模糊變量的隸屬函數(shù)類型；精確輸入、輸出變量的模糊化；制定模糊控制規(guī)則；確定模糊推理算法；模糊輸出變量的去模糊化；按所需的格式保存計(jì)算結(jié)果生成查詢表。實(shí)際應(yīng)用中廣泛采用的二維模糊控制器多選用受控變量和輸入給定的偏差E和偏差變化率EC作為輸入變量，因?yàn)樗涯軌虮容^嚴(yán)格的反映受控過程中輸入變量的動(dòng)態(tài)特性，可滿足大部分工程需要，同時(shí)也比三維模糊控制器計(jì)算簡單，模糊控制規(guī)則容易理解。對(duì)于多變量模糊

控制器可利用模糊控制器本身的解耦特點(diǎn)，通過模糊關(guān)系方程分解，在控制器結(jié)構(gòu)上實(shí)現(xiàn)解耦，即將一個(gè)多輸入多輸出MI—M0)的模糊控制器，分解成若干個(gè)多輸入單輸出(MI—SO)的模糊控制器，這樣就可采用單變量模糊控制器的設(shè)計(jì)方法。該文研究了二維通用模糊控制器的設(shè)計(jì)。為了便于由用戶在線控制時(shí)決定是增量式輸出還是位置式輸出，輸出變量取調(diào)節(jié)量的變化U,這也有利于通過對(duì)調(diào)節(jié)量變化U的調(diào)整，使系統(tǒng)偏差減少。由于模糊控制器的控制品質(zhì)受控制器輸出方式的影響，對(duì)不同的受控對(duì)象提供位置式輸出和增量式輸出這兩種選擇方式。位置式輸出算法的缺點(diǎn)是輸出的u(k)對(duì)應(yīng)的是執(zhí)行機(jī)構(gòu)的實(shí)際位置，如果計(jì)算機(jī)出現(xiàn)故障，會(huì)引起由于u(k)的大幅度變化而導(dǎo)致執(zhí)行機(jī)構(gòu)位置的大幅度變化。如果采用增量式算法時(shí)，計(jì)算機(jī)輸出的是控制增量Au(k)對(duì)應(yīng)的本次執(zhí)行機(jī)構(gòu)位置(例如閥門開度)的增量，圖2—1為增量式輸kJ：=工M(p：出模糊控制系統(tǒng)框圖，閥門實(shí)際位置的控制量即控制量增量的積累 是利用算式u(k)=u(k-1)+Au(k)通過執(zhí)行軟件來完成。模糊控制算法的實(shí)現(xiàn)是通過模糊推理所得，但該結(jié)果是一個(gè)模糊矢量，不能直接用于控制被控對(duì)象，必須轉(zhuǎn)換為一個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)可以接受的精確量。將所有可能輸入狀態(tài)的非模糊輸出以同樣方法計(jì)算后形成如表2—1所示的查詢表，該表以數(shù)據(jù)模塊形式存入計(jì)算機(jī)程序中，當(dāng)一組輸入給定時(shí)，可由該表查出相應(yīng)的輸出值。該方法將復(fù)雜的模糊計(jì)算融進(jìn)查詢表中，在實(shí)際使用時(shí)節(jié)省計(jì)算時(shí)間，并使控制變得簡單明了。表2-】裹格形式的直詢舉Eec2EC, …%%%2、在線部分設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)離線運(yùn)算得到的模糊控制器的總控制表經(jīng)過系統(tǒng)在線反復(fù)調(diào)試、修改，最后以數(shù)據(jù)模塊形式存入PLC系統(tǒng)內(nèi)存中，由一個(gè)查詢?cè)摫淼淖映绦蚬芾?。查詢子程序的流程如圖2—2所示，圖中fielde、fieldec及fieldu分別表示誤差E、誤差變化率EC和控制量U的論域范圍。由流程圖可知，控制器的調(diào)節(jié)方式有手動(dòng)和自動(dòng)兩種，輸出方式有增量式和位置式輸出兩種。如果輸出方式選擇為增量式輸出，則可以實(shí)現(xiàn)手動(dòng)調(diào)節(jié)方式到自動(dòng)調(diào)節(jié)方式的無沖擊切換。Au(k>u(kJ5R彈實(shí)爵H昭町Au(k>u(kJ5R彈實(shí)爵H昭町収毗值1山人采會(huì)實(shí)舒nr〔k)収毗值1山人采會(huì)實(shí)舒nr〔k)計(jì)■和初二“和-“卅?(fe}=r^Lr)-wUt-|)(1)二元三點(diǎn)插值給定矩型域上nxm個(gè)結(jié)點(diǎn)(xi,yj)的函數(shù)值z(mì)ij=(xi,yj),其中1=0,1,…，n—1；j=0,1,…，m—1,在兩個(gè)方向上的坐標(biāo)分別為x0<x1<...<xn—1,y0<y1<...<ym—1,利用二元三點(diǎn)插值公式可計(jì)算出指定插值(u,v)處的函數(shù)近似值w=z(u,v)。表2—1用函數(shù)形式表示為Uij=f(Ei,Ecj),其中I=1,2,…，k1；j=1,2,…，k2。設(shè)某個(gè)采樣周期的輸入為E、EC,則需求出U=f(E,EC)的值。采用二元三點(diǎn)插值法運(yùn)算相當(dāng)于E與EC在其論域內(nèi)的分檔數(shù)趨于無窮大，這樣不僅能夠滿足表2—1所給出的查詢表制定的控制規(guī)則，而且還在控制規(guī)則表內(nèi)的相鄰分檔之間以線性插值方式補(bǔ)充了無窮多個(gè)新的、經(jīng)過細(xì)分的控制規(guī)則,更加充實(shí)完善了原來的控制規(guī)則,并從根本上消除了量化誤差和調(diào)節(jié)死區(qū),克服了由于量化誤差而引起的穩(wěn)態(tài)誤差和穩(wěn)態(tài)顫振現(xiàn)象,顯著改善了系統(tǒng)的性能,尤其是穩(wěn)態(tài)性能。2)帶死區(qū)的模糊控制算法為了避免控制動(dòng)作過于頻繁,消除由于頻繁動(dòng)作引起的震蕩,帶死區(qū)的控制算法是一個(gè)好的解決辦法。|0 當(dāng)1打*)1百1唧時(shí)3珂由査詢表■捕倩得到 當(dāng)I貞欄I&I術(shù)I時(shí)上式中，死區(qū)eo是一個(gè)可調(diào)節(jié)的參數(shù)，其具體數(shù)值可根據(jù)實(shí)際控制對(duì)象由實(shí)驗(yàn)確定。若eo值太小，使控制動(dòng)作過于頻繁，達(dá)不到穩(wěn)定被控對(duì)象的目的；若e0值太大，則系統(tǒng)將產(chǎn)生較大的滯后。帶死區(qū)的模糊控制器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2—3所示，此控制系統(tǒng)實(shí)際上是一個(gè)非線性系統(tǒng)。即當(dāng)丨e(k)|<Ie0丨時(shí)，模糊控制器輸出為

零；當(dāng)丨e(k)|>|e0丨時(shí)，模糊控制器有適當(dāng)?shù)妮敵?。utO閤utO閤2—3帯死區(qū)的模糊控制踞系統(tǒng)銷構(gòu)三、應(yīng)用實(shí)例電機(jī)調(diào)速控制系統(tǒng)見圖3—1,模糊控制器的輸入變量為實(shí)際轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)速給定值之間的差值e及其變化率ec,輸出變量為電機(jī)的電壓變化量u。圖3—2為電機(jī)調(diào)試輸出結(jié)果，其橫坐標(biāo)為時(shí)間軸，縱坐標(biāo)為轉(zhuǎn)速。當(dāng)設(shè)定轉(zhuǎn)速為2000r/s時(shí)，電機(jī)能很快穩(wěn)定運(yùn)行于2OOOr/s；當(dāng)設(shè)定轉(zhuǎn)速下降到1OOOr/s時(shí)，轉(zhuǎn)速又很快下降到1OOOr/s穩(wěn)定運(yùn)行。-HMOTOR^e7d|j—?敵據(jù)樓塊-HMOTOR^e7d|j—?敵據(jù)樓塊FEJ7ZYCRTAtCLjIValM圖3—1電機(jī)開連控制蔡統(tǒng)結(jié)構(gòu)耶意團(tuán)5C汕油戚’四、小結(jié)通