基于PLC的模糊控制设计

PLC，即可编程序控制器，可编程逻辑控制器实质是一种专用于工业控制的计算机，可编程逻辑控制器其硬件结构基本上与微型计算机相同。其结构包括：电源,中央处理单元（CPU） ，存储器 ,输入输出接口电路,功能模块，通信模块。最早出现于上世纪60年代,是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运作的电子装置［2］。它采用可以编制程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑、顺序运算，计时、计数和算术运算等操作指令，并能通过数字式或模拟式输入输出，控制各种类型的机械或生产过程。
4.数据处理
现代PLC具有数学运算（含矩阵运算、函数运算、逻辑运算）、数据传送、数据转换、排序、查表、位操作等功能，可以完成数据的采集、分析及处理。这些数据可以与存储在存储器中的参考值比较，完成一定的控制操作，也可以利用通信功能传送到别的智能装置，或将它们打印制表。数据处理一般用于大型控制系统，如无人控制的柔性制造系统；也可用于过程控制系统,如造纸、冶金、食品工业中的一些大型控制系统。
（2）PLC在闭环过程中应用日益广泛.
（3）不断加强通讯功能。
（4)新器件和模块不断推出。高档的PLC除了主要采用CPU以提高处理速度外，还带有处理器的EPROM或RAM的智能I/O模块、高速计数模块、远程I/O模块等专用化模块。
（5）编程工具丰富多样，功能不断提高，编程语言趋向标准化。有各种简单或复杂的编程器及编程软件，采用梯形图、功能图、语句表等编程语言,亦有高档的PLC指令系统。
（三）系统的设计、建造工作量小，维护方便，易于改造.
PLC用存储逻辑代替接线逻辑，大大减少了控制设别外部恩德接线，是控制系统设计及建造的周期大为缩短，同时维护也变得更为容易。更重要的是使用同一设备经过改变程序改变生产过程成为可能。这很适合多品种、小批量生产。
（四）体积小，重量轻,能耗低
以超小型PLC为例，三菱的fxos14（8个24vdc输入，6个继电器输出)，起尺寸仅为58mm*89mm,仅大于信用卡几毫米,而功能却有锁增强，使PLC的应用领域扩大到远距离工业控制的其他行业,如快餐厅、医院手术室、旋转门和车辆等，甚至引入家庭住宅、娱乐场所和商业部门。随着PLC性能价格比的不断提高，其应用范围不断扩大，大致可归纳为如下几类。
1概述
1.1研究背景及意义
随着时代的不断发展，PLC在现代工业的地位上越来越重要。在工业应用中其具备许多优点，如：编程方便，现场可修改程序;维修方便,采用模块化结构；可靠性高于继电器控制装置；体积小于继电器控制装置；数据可直接送入计算机;成本可与继电器控制装置竞争;可直接用115V交流输入;输出为115v，2A以上,能直接驱动;电磁阀、 接触器等；通用性强，要能扩展;用户程序存储器容量可扩展到4KB［1］.
（6）发展容错技术:采用热备用或并行工作、多数表决的工作方式。
（7）追求软硬件的标准化。
1。2。4可编程控制器的硬件组成
整体式和模块式两种可编程控制器具有不同的结构形式。
图1.1整体式PLC的结构组成
图1.2模块式PLC的结构组成
1.2.5模糊控制系统
模糊控制系统是一种基于规则的智能控制，它是以模糊集合论、模糊语言及模糊逻辑推理为基础的一种计算机智能控制[7］。从1956年美国学者L.A。Zadeh发表开创性论文，到1986年世界上第一块基于模糊逻辑的人工智能芯片在贝尔实验室研制成功再到日本第一台模糊控制洗衣机的投入适用［8］，已成为将人的控制经验以及推理过程纳入自动控制策略之中提供一条简捷的途径。随着科学技术的迅猛发展,各个领域对自动控制系统控制精确度、响应速度、系统稳定性与适应能力的要求越来越高。诸多如被控对象活或过程对象的非线性、时变性、多参数间的强烈耦合、较大的随机干扰、过程机理错综复杂、各种不确定性以及现场测量手段不完善等，难以建立被控对象的精确模型[8］。对于那些难以建立数学模型进行自动控制的复杂被控对象，有经验的操作人员进行手动控制，却可以收到令人满意的效果。
3。过程控制
过程控制是指对温度、压力、流量等模拟量的闭环控制。作为工业控制计算机，PLC能编制各种各样的控制算法程序，完成闭环控制。PID调节是一般闭环控制系统中用得较多的调节方法。大中型PLC都有PID模块，目前许多小型PLC也具有此功能模块。PID处理一般是运行专用的PID子程序.过程控制在冶金、化工、热处理、锅炉控制等场合有非常广泛的应用。
模糊控制系统一般可分为5个组成部分：(1)模糊控制器：模糊控制系统的核心部分,采用模糊数学知识表示和进行规则推理的语言型控制器，实际上是一台PC机或单片机及其相应软件［9］。(2）输入/输出接口:模糊控制器通过输入接口从被控对象获得数字信号量,并将模糊控制器决策的数字信号经输出接口转变为模拟信号去控制被控对象。(3)执行机构:主要包括电动和气动调节装置，如伺服电动机、气动调节阀等［10］。(4）被控对象:它可以是一种设备或装置以及它们的群体，也可以是一个生产的、自然的、社会的、生物的或其它各种状态转移过程[11］.这些被控对象可以是确定的或模糊的、单变量或多变量、有滞后或无滞后、也可以是线性或非线性、定常或时变，以及具有干扰和耦合等多种情况.对于那些难以建立精.确数学模型的复杂对象，更适宜采用模糊控制.（5）变送器:由传感器和信号调理电路组成,传感器是将被控对象或过程的被控制量转换为电信号的装置，其精度直接影响整个模糊控制系统的精度[12］。
5。通信及联网
PLC通信含PLC间的通信及PLC与其它智能设备间的通信.随着计算机控制的发展，工厂自动化网络发展得很快，各PLC厂商都十分重视PLC的通信功能，纷纷推出各自的网络系统。新近生产的PLC都具有通信接口，通信非常方便[4]。
1.2。3 PLC技术发展动向
(1）产品规模向大、小两方面发展。大:I/O点数达14336点、32位微处理器、多CPU并行工作、大容量存储器、扫描速度高速化。小：由整体结构向小型模块化结构发展，增强了配置的灵活性,降低了成本。
目前工业自动化水平已成为衡量各行业现代化水平的一个重要标志。同时，控制理论的发展也经历了古典控制理论、现代控制理论和智能控制理论三个阶段。随着人们物质生活水平的提高以及市场竞争的日益激烈，产品的质量和功能也向更高的档次发展，制造产品的工艺过程变得越来越复杂,为满足优质、高产、低消耗,以及安全生产、保护环境等要求，做为工业自动化重要分支的过程控制的任务也愈来愈繁重。几十年来，工业过程控制取得了惊人的发展，无论是在大规模的结构复杂的工业生产过程中，还是在传统工业过程改造中，过程控制技术对于提高产品质量以及节省能源等均起着十分重要的作用。目前,过程控制正朝高级阶段发展，不论是从过程控制的历史和现状看，还是从过程控制发展的必要性、可能性来看,过程控制是朝综合化、智能化方向发展，即计算机集成制造系统(CIMS）:以智能控制理论为基础,以计算机及网络为主要手段，对企业的经营、计划、调度、管理和控制全面综合，实现从原料进库到产品出厂的自动化、整个生产系统信息管理的最优化[4].
把误差和误差变化率的精确值进行模糊化变成模糊量e和ec从而得到误差e和误差变化率ec的模糊语言集合然后由e和ec模糊语言的子集和模糊控制规则r根据合成推理规则进行模糊决策这样就可以得到模糊控制向量u最后再把模糊转换为精确量u再经da转换为模拟量去控制执行机构动作291确定输入输出变量和模糊分割选择误差e和液位变化率ec作为模糊控制器的输入量控制量u作为输出变量它们的论域分别为ecu表示如下
1.2国内外发展与现状
1.2。1PLC的发展与现状
PLC诞生于美国1969年，其后，日、德、法相继研制出。20世纪70年代初出现了微处理器。人们很快将其引入可编程逻辑控制器，使可编程逻辑控制器增加了运算、数据传送及处理等功能，完成了真正具有计算机特征的工业控制装置[5]。此时的可编程逻辑控制器为微机技术和继电器常规控制概念相结合的产物。20世纪70年代中末期，可编程逻辑控制器进入实用化发展阶段，计算机技术已全面引入可编程控制器中,使其功能发生了飞跃[6]。更高的运算速度、超小型体积、更可靠的工业抗干扰设计、模拟量运算、PID功能及极高的性价比奠定了它在现代工业中的地位。20世纪80年代初，可编程逻辑控制器在先进工业国家中已获得广泛应用。世界上生产可编程控制器的国家日益增多，产量日益上升。这标志着可编程控制器已步入成熟阶段。20世纪80年代至90年代中期，是可编程逻辑控制器发展最快的时期，年增长率一直保持为30～40％。在这时期，PLC在处理模拟量能力、数字运算能力、人机接口能力和网络能力得到大幅度提高，可编程逻辑控制器逐渐进入过程控制领域,在某些应用上取代了在过程控制领域处于统治地位的DCS系统。20世纪末期至今，可编程逻辑控制器的发展特点是更加适应于现代工业的需要.这个时期发展了大型机和超小型机、诞生了各种各样的特殊功能单元、生产了各种人机界面单元、通信单元,使应用可编程逻辑控制器的工业控制设备的配套更加容易.
1.2。2PLC的特点
PLC具有面向工业控制的鲜明特点。
（一）可靠性高,抗干扰能力强
可靠性高是电气控制设备的关键性能。PLC由于采用现代大规模集成电路技术，采用严格的生产工艺制造，内部电路采取了先进的抗干扰技术，具有很高的可靠性。从PLC机外电路来说，使用PLC构成控制系统,和同等规模的继电接触器系统相比，电气接线及开关接点已减少到数百甚至数千分之一，故障也就大大降低。此外，PLC带有硬件故障自我检测功能 ，出现故障时可及时发出警报信息.在应用软件中,应用者还可以编入外围器件的故障自诊断程序。
(二）配套齐全,功能完善,适用性强
PLC发展到今天,已经形成了大、中、小各种规模的系列化产品.可以用于各种规模的工业控制场合.除了逻辑处理功能外，现代PLC大多具有完善的数据运算能力,可用于各种数字控制领域。近年来PLC功能单元大量涌现，使PLC渗透到了位置控制、温度控制、CNC等各种工业控制中。加上PLC通信能力的增强及人机交互技术的发展，使用PLC组成的各种控制系统变得非常容易。
2。运动控制
PLC可以用于圆周运动或直线运动的控制。从控制机构配置来说，早期直接用于开关量I/O模块连接位置传感器和执行机构,现在一般使用专用的运动控制模块。如可驱动步进电机或伺服电机的单轴或多轴位置控制模块.世界上各主要PLC厂家的产品几乎都有运动控制功能，广泛用于各种机械、机床、机器人、电梯等场合。
1.开关量的逻辑控制
这是PLC最基本、最广泛的应用领域,它取代传统的继电器电路,实现逻辑控制、顺序控制，既可用于单台设备的控制,也可用于多机群控及自动化流水线。
模拟量控制在工业生产过程当中，有许多连续变化的量，如温度、压力、流量、液位和速度等都是模拟量。为了使可编程控制器处理模拟量，必须实现模拟量（Analog）和数字量（Digital)之间的A/D转换及D/A转换.PLC厂家都生产配套的A/D和D/A转换模块，使可编程控制器用于模拟量控制。
具备着这些独特优点,PLC在工业中广泛适用。例如对水箱液位控制。水箱液位是流程工业中极为常见的参数，水箱液位控制技术是工业生产领域中常用的技术.在工业生产过程中，液位变量是最常见、最广泛的过程参数之一。在石油工业、化工生产、电力工程、机械制造和食品加工等诸多领域中，人们都需要对各类流体的液位高度进行监测和控制。液位是过程控制中重要的控制形式之一,它对生产的影响不容忽视。为了保证安全生产以及产品的质量和数量，对液位进行及时有效的控制是非常必要的。各种控制方式在液位控制系统中也层出不穷，如较常用的浮子算机控制已成为工业生产自动化的一个重要方面。由于其具有工况复杂、参数多变、运行惯性大、控制滞后等特点，它对控制器要求较高[3］。水箱液位控制是是液位控制中的一个主要问题，它在工业过程中普遍存在，具有代表性，而且非常典型、实用。
可编程控制器简称PLC（Programmable logic Controller），是以计算机技术为基础的新型工业控制装置。1987年国际电工委员会（International Electrical Committee）颁布的PLC标准草案中对PLC做了如下定义：“PLC是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。它采用可编程的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计算和算术运算等操作指令,并能通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械和生产过程".PLC及有关的外围设备的设计都应易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩展其功能。