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本文來自2004年第8期“智能控制技術”上 ,已經被閱讀過634次
作 者 ：山東科技大學 信息與電氣工程學院 高宏巖
關鍵詞： 模糊控制 ControlLogix 程序設計
1 引言
近年來, 模糊控制以其不依賴於過程模型、魯棒性強等優點而在國內外得到了廣泛的應用。目前模糊控制技術多數在單片機或上位機(工控機)上實現, 單片機可靠性較差, 且網絡通信功能很弱;工控機雖然相對可靠, 但遠離現場, 很難構成及時的現場級模糊控制。可編程控制器(PLC)作為新壹代工業控制裝置, 具有可靠性高、抗幹擾能力強、編程簡單、易於聯網等優點, 因而在工業現場得到極其廣泛的應用。如果應用PLC來實現模糊控制, 將使可靠的模糊現場級控制成為可能。現在已有壹些PLC生產廠家備有模糊控制模塊供用戶選用,但其價格非常昂貴。利用軟件編程來實現模糊控制，將會降低模糊控制系統的成本。但是對於以往的PLC, 采用梯形圖編程語言實現模糊控制，往往程序冗長，設計過程繁瑣。
ControlLogix作為Rockwell公司的新壹代控制平臺, 其編程軟件RSLogix 5000為實現模糊控制提供了簡潔而方便的編程環境。本文基於ControlLogix這壹先進的控制平臺, 以雙容水箱液位控制系統為例說明實現模糊控制的方法及程序設計原理。
2 控制系統組成及特點
雙容水箱液位控制系統采用圖1所示的Rockwell的網絡體系結構。其中ControlLogix系統是目前Rockwell公司PLC中功能最強大的壹個系列，它由通信模塊、模擬量輸入/輸出模塊、處理器模塊等組成，各模塊之間通過ControlLogix的機架背板進行通信。ControlLogix系統具有網關功能，即系統中的各種通信模塊都把自身網絡所連接的信息轉換成背板上的信息，這樣建立起不同網絡之間的橋接。ControlLogix數據傳輸總線采用生產者/消費者通信模式，該模式允許網絡上的所有節點同時存取同壹個源數據，網絡系統通信效率更高。處理器Logix5555是ControlLogix系統的核心，它具有高速程序及數據處理能力，易於使用的標簽尋址方式，強大的數據系統，支持多維數組和用戶定義的數據結構，這些特點為實現模糊控制算法提供了有利的條件。
圖1 控制系統組成
液位控制系統工作過程如下:液位變送器輸出的標準信號經模擬量輸入模塊進行A/D轉換後，處理器Logix5555通過背板采集數據並按照模糊控制算法對數據進行處理，處理結果作為變頻器的外部信號, 控制變頻器工作頻率的大小，再通過變頻器調節電機轉速，改變泵的流量，實現對液位的控制。
3 模糊控制基本原理
設計時采用雙輸入單輸出模糊控制器，輸入語言變量選為實際液位與給定值之間的誤差e及誤差變化率ec，輸出語言變量選為變頻器轉速的變化量u。首先確定e、ec和u的基本論域分別為[-15mm,+15mm]、[-1mm,+1mm]和[-60 rad/min,+60 rad/min]，選定e、u的模糊集合的論域為[-6,-5,-4,-3,-2,-1,0,1,2,3,4,5,6]，ec的模糊集合的論域為[-3,-2,-1,0,1,2,3]，則誤差e的量化因子ke=6/15=0.4，誤差變化率ec的量化因子kec=3/1=3，控制量變化u的比例因子ku=60/6=10。語言變量E、EC、U均選取7個語言值:PB、PM、PS、O、NS、NM、NB。
其次總結手動操作經驗得到壹組由n條模糊條件語句組成的模糊控制規則，根據這些規則計算總的模糊關系R:
(1)
再根據推理合成規則求出輸出語言變量論域上的模糊集合:
(2)
最後對采用加權平均法進行解模糊，將模糊量轉換成精確量u。通過上述的模糊化、模糊推理和解模糊的過程，最終得到系統的模糊控制查詢表，見附表。將離線計算得到的模糊控制查詢表存放到計算機中，實時控制過程中，實現模糊控制的過程便轉化為查找查詢表的過程。
附表 模糊控制查詢表
4 模糊控制的實現
RSLogix5000是支持ControlLogix結構體系，並針對Logix5000系列控制器的編程軟件。在程序設計之前要進行控制器、I/O模塊和通信模塊的組態。模糊控制算法程序框圖如圖2所示，它由主程序、變頻器啟動子程序和查找查詢表子程序組成，圖3是查表子程序。將主程序置於連續性任務中，采樣時間由定時器設定，利用定時器的完成位來觸發變頻器啟動子程序和查表子程序。RSLogix5000提供了數組標簽，這使得用梯形圖語言實現模糊控制算法變得簡單。在標簽數據庫中建立壹個13×7的二維數組標簽address，將查詢表1的結果按照從上到下、從左到右的順序依次輸入到數組標簽中。由於E、EC的量化等級為[-6,+6]和[-3,+3]，而數組標簽address的起始地址為[0,0]，因此在尋址時需要加偏移量，即:uij=address (i+6, j+3)。當第k個采樣時間到時，讀入第k時刻液位測量值yk並計算實測誤差ek和誤差變化eck=ek-ek-1，將ek、eck分別乘以量化因子ke和kec取得以相應論域元素表征的查找查詢表所需的i和j，通過數組標簽address尋址得到輸出所需的控制量變化uij，uij再乘以比例因子ku便是控制量變化量Δu。加在被控過程的實際控制量uk＝uk-1+Δu，其中uk-1為前壹次的控制量。uk經限幅後作為第k時刻變頻器的給定轉速。
圖2 模糊控制算法主程序
圖3 查表子程序
5 結束語
用ControlLogix實現模糊控制簡化了程序設計過程，降低了開發成本。同時這種方法將控制作用下放到現場底層網絡節點中，實現了控制功能的徹底分散。
參考文獻
[1] 李友善等. 模糊控制理論及其在過程控制中的應用[M]. 北京:國防工業出版社，1999.
[2] 李敬兆, 張崇巍. 基於PLC直接查表方式實現的模糊控制器研究[J]. 電工技術雜誌, 2001,(9).
[3] Getting Results with RSLogix5000[Z]. RockWell CO.LTD, 1998, 7.
[4] ControlLogix Selection Guide[Z]. RockWell CO.LTD, 2000, 7.
作者簡介
高宏巖(1971-) 女 講師 主要研究方向:從事模糊控制理論及其應用的研究。
本文摘自《PLC&FA》