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一种用于伺服机构的模糊PLC控制系统

Iulia Dumitru*, Nicoleta Arghira*, Ioana Fagarasan*, Sergiu Iliescu*

自动控制和工业信息系，

罗马尼亚布加勒斯特大学“POLITEHNICA”自动控制和计算机系

(e-mail: {iulia, nicoleta, ioana, iliescu}@shiva.pub.ro)

摘要：本文提出了一种用于伺服机构的模糊PLC系统的实际实现案例研究。 所提出的方法实现了平滑的模糊控制，可以很容易地在PLC系统中实现。 伺服机构的速度受到控制。

关键词：模糊控制，可编程逻辑控制器（PLC），模糊PLC系统，过程控制，计算机控制系统。

1、介绍

近年来，我们协助工业和信息技术的快速变革。 如今，所有设备的控制正在通过使用电脑。大多数设备使用可编程逻辑控制器（PLC）与计算机连接并监视每个负载和电力消耗设备。PLC广泛应用于工业控制，因为它们易于安装，在应用中非常灵活。PLC通过其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，可编程逻辑控制器上运行的编程语言通常用于离散事件控制。 对于连续控制，更多地使用PID型控制器（Li和Tso）。 1974年，第一个模糊控制应用程序出现（Mamdani，1974）。 从那时起，模糊控制（FLC）已经被用作设计动态系统控制器的首选方法，即使可以使用传统的方法（Mamdani，1993）。

本文介绍了伺服机构的速度控制。 使用PLC上实现的模糊逻辑控制（FLC）来获得系统的良好性能。

2.、FUZZY控制器的背景

实践中有许多不同的过程，它们的属性是被控制的。 例如，我们希望电机的转速等于任何负载转矩的一定值，我们希望飞机不会掉落，我们希望随着空气污染的减少而增加发电厂的电力，我们希望 增加硬盘的容量，所以我们必须更准确地控制阅读机器。

该调节基于反馈控制，见图1.系统y（t）的输出由传感器测量。控制器基于测量输出y（t）及其计算输出计算系统u（t）的输入 参考yr（t），并通过致动器将该值应用于系统。

图1：反馈控制回路

信号：

y =系统输出（受控）

yr =参考

İ=测量误差

u =系统输入（命令）

m =执行信号

z =质量信号

v =扰动

对于控制设计，必须知道系统行为。因此，通常我们必须通过数学工具描述系统。 很多时候，我们首先进行物理分析并得到差分代数方程组。 第二步是确定系统输入和输出，从系统的数学方程式描述一个所谓的模型，如果需要的话，将其进行线性化。 然后，我们可以测量系统参数，并用数值记下整个模型（Jirka Roubal）。

当确定系统的型号时，可以设计一个控制器。 设计控制器有很多方法。 这取决于应该实现的性能（例如系统的稳定性和系统性能的质量，根据标准的系统的最佳行为等）

开发控制器的另一种方法是使用也称为模糊聚合的模糊集，而不是用于模糊理论的算术数。 这些是相应的运算符被定义的基于数学的对象。

为了控制过程，所需的数据由测量系统提供。 这些数据包括在这种情况下不感兴趣的测量单位，测量变量和可能的一些其他值。 测量单位是物理单位即米，而测量值是无量纲的测量结果。 为了调节所有可能数据的过分组，可以将其映射到实数组，例如可以使用相应的测量值数。 这些数字可以用数字直线表示，如图2（Amira）所示。

图2：将数据集X映射到实数

但是，不使用数学模型的过程也是不确定的根源。 例如，在设计模糊系统时的许多自由度可能是一个缺点。

以下概述提供了模糊控制的优点和缺点（Siemens，2003）：

●在计算机上简单实现口头表达的规则（如果...，然后...）来解决问题。

● 模糊系统的行为是人类可以理解的。

● 与常规方法相比，避免了数学描述的昂贵开发。

●可用于处理复杂且涉及的流程。

● 没有足够的系统知识的任务定义和对系统行为的一些或非常不精确的知识导致不良的，可能不可用的模糊解决方案。

● 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，因为有很多自由度。

下图（图3）说明了模糊控制器的组成部分及其功能原理。 模糊控制是基于一个规则库的集合，被称为规则库。

图3：模糊控制器的组成部分及其功能原理

功能原理分为以下几个步骤：

模糊化 - 将语言变量的语言值（隶属度的模糊集合）的满足程度分配给非模糊输入值。

推论 - 对于规则库的每个规则，THEN部分的履行程度由IF部分通过某种方式实现的程度形成。 这个过程也被称为暗示。 THEN部分的履行程度等同于规则的实现程度，也称为规则强度。 放在一起的所有这些单独的规则评估导致输出信号的一个隶属函数，也称为组合。 所得到的隶属函数描述了一个“模糊控制命令”。 当IF部分包含组合语句“IF .... AND ...”---（THEN ....）时，首先执行模糊逻辑AND运算，并在整体规则评估中使用满足程度 。 所有这些语句通常称为聚合。

去模糊化 - 从模糊控制命令（以所得成员函数的形式）计算控制变量的最具代表性的数字（非模糊）输出值。 基于

3、服务器

3.1、伺服机构的数学描述

该设备由伺服机构（图4）表示，其由通过机械离合器连接的两个相同的电动机组成。 第一台电机用于控制转速或轴角。 第二个，进一步称为发电机，用于模拟负载转矩。 它包含A / D1D / A转换器，数字输入/输出通道和增量编码器输入通道（Amira）。

操纵信号是转速发生器信号和电机伺服放大器的控制信号。

图4伺服机构（Petr Chalupa）。

设备总图如图5所示。

图5.伺服机构概况（路易斯·德米格尔）。

永久激励的直流电动机的等效电路如图6所示。从该电路获得等式（1），其中

● ：电枢电压。

● E：电动势。

● ：电枢电流。

● ：电枢电阻。

● ：电枢电感。

● Omega;：电枢频率

（1）

电动势E与电动机的转速成比例; 如等式（2）所示，其中C是电机常数，F是恒定磁通量。 磁性激发Phi;通过等式（3）与omega;（rad / s）有关：

（2）

（3）

图6.直流电机的等效电路。

由电动机产生的转矩M与电枢电流IA成比例，如等式（4）所示：

（4）

3.2、参数识别和模糊控制器的计算

实现该过程的模糊控制器具有如图7所示的结构。

图7：模糊控制器的结构图

为模糊变量选择以下名称：

x：加速度

y：速度误差

z：控制信号

模糊控制器内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。 我们的模糊控制器使用“区域中心”（coa）进行模糊识别。 单个模糊集始终具有与Max-Prodmethod独立于其权重的相同中心区域。 因此，只有一个模糊集的模糊输出变量的值总是等于该模糊集的常数中心区域的值。 所以输出值是：

Out=coa（set）=const （5）

相比之下，如果模糊输出变量具有两组，则其值只能在两组的两个中心的区域之间，这取决于每组的权重。 在极端情况下，变量的两个模糊集合中的一个的权重为零，这导致输出变量的值等于另一个模糊集合的区域的中心。 所以输出值是：

Out=[coa(set1),coa(set2)] （6）

对于plusmn;3000rpm的转速范围，可以达到6000rpm的最大控制误差信号。 因此，y的定义范围是：

y[-6000, 6000] （7）

然而，如果考虑到所需的速度控制性能，建议大大限制上述的间隔。 在模糊变量的定义范围的极限处的模糊集合的值继续到无穷大。 如果例如上述的间隔限制在范围r1000，输入值为 6000，则输入变量的行为就好像输入值为 1000。

x的定义范围受抽样期间的最大y偏差的限制。 为了计算该值，假设最大控制信号10V。

（8）

表示系统的机械时间常数。 结果是：

（9）

（10）

因此x的定义范围是：

x[-28560, 28560] （11）

控制器的控制信号限制在-10V至 10V的范围内。 跟随模糊控制器内核的积分器不能以更大的值运行。 输出变量的定义范围直接影响环路放大，从而在一定程度上确定闭环的动态。 如果在5 ms的n个采样周期内通过20V的控制信号范围，则模糊控制器内核的最大输出值由下式确定：

（12）

n = 20， = 200V，z的定义范围为：zϵ [-200， 200]

由于目前模糊控制器的行为不明，每个变量的定义范围分为“正”，“零”和“负”三个部分。 名称为“null”的集合将定义在零点之上，并且扩展到整个定义范围的1/3。

4、模糊-PLC控制系统

设计系统的总体视图如图8所示。图8显示了伺服机构，具有数字/模拟量I / O的PLC系统，伺服机构与PLC之间的连接模块，用于描述传感器状态的仿真板 以及PLC和PC的开关，安装了用于PLC编程的软件和模糊控制器的实现。

图8：设计系统

4.1、模拟板

模拟板以24 V的稳定的直流电压运行，例如 与PLC系统的电源单元一起提供。 插座用于将仿真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。 这些开关和传感器中的每一个都可以作为断开触点（Dumitru）。

4.2、 PLC系统

可编程逻辑控制器是通过模块化输入和输出（I / O）模块执行控制功能的模块化，工业硬化计算机。 PLC的模块化允许用户将通用I / O模块与合适的控制器组合，形成专门针对他最简单理解的需求的控制系统（Yasar Birbir）。 通过设想控制器的操作重复执行三个步骤：

● 读取输入模块的输入。

● 解决预编程的控制逻辑。

● 根据控制逻辑解决方案生成输出到输出模块。 该过程的输入设备和输出设备连接到PLC，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进行控制，并输出电机变化的负载恒定速度运行。 此外，PLC会根据控制程序不断监控输入并激活输出。

我们应用中使用的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第7步。可用于S7-300的编程语言是梯形逻辑，语句表和功能块图：

● 语句列表（或STL）是一种与机器代码类似的文本表示。 如果一个程序写在“语句列表”中，则各个指令对应于CPU执行程序的步骤。

● 梯形图逻辑图（或LAD）是一种主要用于开发工业控制应用中可编程逻辑控制器（PLC）软件的编程语言。 LAD通过电路支持的图形表示程序。基于中继的逻辑硬件图。 梯子允许您跟踪电源轨道通过各种触点，复杂元件和输出线圈（Ivanescu）之间的电力流量。

● 功能块图（FBD）是一个图形表示，并使用布尔代数中熟悉的逻辑框来表示逻辑。

S7-300是用于系统解决方案的模块化控制系统，主要强调生产工程。 组合范围广泛，适合于满足所有需求和灵活应用。 S7-300包含以下类型的模块（Siemens，2004）：

● 中央处理单元（CPU）

● 电源模块（PS）

● 接口模块（IM）<!--

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