馬陽，雷彥華，包妍

(沈陽工程學(xué)院自動(dòng)化學(xué)院，遼寧沈陽110136)

組態(tài)王功能強(qiáng)大、運(yùn)行穩(wěn)定且使用方便，能提供良好的人機(jī)界面和通訊功能，但其編程環(huán)境較弱，很難實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的控制算法.而Matlab是一種計(jì)算功能強(qiáng)大的科學(xué)計(jì)算語言，能設(shè)計(jì)先進(jìn)、復(fù)雜的控制算法.本方案利用組態(tài)王強(qiáng)大的數(shù)據(jù)采集功能和良好的人機(jī)界面，開發(fā)服務(wù)器端畫面，并結(jié)合Matlab環(huán)境編程的便利性，采用可靠的OPC接口建立組態(tài)王和Matlab之間的數(shù)據(jù)通訊，在客戶端環(huán)境中編寫控制算法，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)水箱液位的智能控制［1］.此方案應(yīng)用到GK04型過程控制實(shí)驗(yàn)裝置中，為高校教學(xué)提供了新的高級(jí)算法仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái).

1 液位監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

“JSB-GK04”型高級(jí)過程控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)裝置是基于工業(yè)過程的物理模擬對(duì)象系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括溫度、液位、壓力等熱工參數(shù)，上位機(jī)由組態(tài)王開發(fā)了良好的人機(jī)界面和通訊功能，可實(shí)現(xiàn)單回路控制，串級(jí)控制等多種控制形式.基于OPC技術(shù)的智能液位仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)是在原有實(shí)驗(yàn)裝置之上進(jìn)行的二次開發(fā)，利用OPC技術(shù)建立組態(tài)王與Matlab的數(shù)據(jù)通訊，實(shí)現(xiàn)對(duì)過程控制裝置的模糊智能控制.其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示.

系統(tǒng)以組態(tài)王為主控平臺(tái)，以GK04型過程控制實(shí)驗(yàn)裝置為對(duì)象，實(shí)現(xiàn)水箱液位的動(dòng)態(tài)顯示、下位機(jī)PLC的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集和參數(shù)設(shè)置.上位機(jī)與PLC通過PPI方式進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊，組態(tài)王與Matlab之間利用OPC技術(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通訊，由Matlab來完成水箱液位模糊控制算法的計(jì)算任務(wù)［2］.

圖1 智能液位監(jiān)控系統(tǒng)

2 組態(tài)王與Matlab的通訊

Matlab 7.0以上版本中一般都集成了OPC工具箱，通過這個(gè)OPC客戶端數(shù)據(jù)訪問軟件，可以實(shí)現(xiàn)服務(wù)器與客戶端之間的互相訪問.通過該OPC工具箱可與任何一個(gè)OPC數(shù)據(jù)服務(wù)器實(shí)現(xiàn)對(duì)所連接OPC服務(wù)器數(shù)據(jù)的寫或讀［3］.打開OPC工具箱，在Matlab指令空間中輸入opctool可進(jìn)行OPC的配置，在本例中把西門子的OPC Server添加為客戶，將Matlab設(shè)為本地服務(wù)器，再將PLC的模擬量輸入輸出變量分別添加到MATLABOPC工作組中.

Matlab提供了OPC Toolbox作為控制人員進(jìn)行外部過程變量交互的工具箱，利用FuzzyToolbox實(shí)現(xiàn)模糊控制的仿真，兩者結(jié)合起來可實(shí)現(xiàn)對(duì)雙容水箱水位的實(shí)時(shí)模糊控制［4］，步驟為

1)配置OPC Configrealtime，選擇OPC服務(wù)器localhost/OPC.SimaticNET.1;

2)應(yīng)用OPC Read模塊，讀取SP值和PV值，采用Synchronous模式，采樣時(shí)間選擇1.0 s;

3)應(yīng)用OPCW rite模塊，輸出PID調(diào)節(jié)器Kp，Ki和Kd的修正值，采用Synchronous模式，采樣時(shí)間選擇1.0 s;

4)運(yùn)行Fuzzy命令，將上述模糊控制邏輯在FIS Edite工具中實(shí)現(xiàn)，并輸出模糊控制邏輯fuzzy PID至Matlab的Workspace;

5)在Matlab的Simulink中調(diào)用Fuzzy Logic Controller w ith Rule viewer，其fismatrix參數(shù)設(shè)為fuzzy PID，刷新周期為1.0 s.

3 雙容水箱液位模糊控制實(shí)現(xiàn)

液位控制是工業(yè)控制中一個(gè)重要問題，雙容水箱液位對(duì)象具有大時(shí)滯、時(shí)變、非線性的特性，這使液位控制較為困難.目前，大多數(shù)的常規(guī)PID液位控制系統(tǒng)的控制性能并不理想.過程控制實(shí)驗(yàn)雙容水箱采用常規(guī)PID控制器的響應(yīng)速度快，但過渡時(shí)間較長，達(dá)到20 min左右，抗干擾能力較差.模糊控制對(duì)非線性或不確定性對(duì)象具有良好的控制效果，控制超調(diào)較小，調(diào)節(jié)速度較快抗干擾性以及魯棒性方面都較好.

3.1 模糊自適應(yīng)PID控制原理

如圖2所示，模糊自適應(yīng)PID控制器以誤差和誤差變化作為輸入，可以滿足不同時(shí)刻的和對(duì)PID參數(shù)自整定的要求.利用模糊控制規(guī)則在線對(duì)PID參數(shù)進(jìn)行修改，便構(gòu)成了模糊自適應(yīng)PID控制器［5］.

圖2 模糊自適應(yīng)PID控制器

將系統(tǒng)誤差e和誤差ec變化率變化范圍定義為模糊集上的論域.根據(jù)實(shí)際情況，語言變量論域與語言值集合設(shè)為:

e和ec的隸屬度函數(shù)如圖3所示.

圖3 e和ec的隸屬函數(shù)

輸出分別是kp、ki、kd，語言變量論域與語言值集合設(shè)為

根據(jù)實(shí)驗(yàn)雙容水箱對(duì)象的特性，一般可以應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)歸納法建立kp，ki，kd的模糊控制規(guī)則表，如表1所示.

表1 k p，k i，k d的模糊規(guī)則表

3.2 運(yùn)行效果分析

圖4為雙容水箱液位采用普通PID控制的運(yùn)行曲線，圖5為雙容水箱液位采用模糊控制的實(shí)際運(yùn)行曲線.通過對(duì)比兩條仿真曲線發(fā)現(xiàn)，常規(guī)PID系統(tǒng)響應(yīng)速度較快，過渡時(shí)間較長并有一定震蕩狀態(tài)出現(xiàn);模糊PID控制的響應(yīng)曲線在抑制超調(diào)、加快系統(tǒng)調(diào)節(jié)速度方面有較好的控制效果;模糊Smith控制效果最好，調(diào)節(jié)時(shí)間短且無超調(diào)及震蕩.

圖4 雙容水箱液位PID控制運(yùn)行曲線

圖5 雙容水箱液位模糊控制運(yùn)行曲線

4 結(jié)語

該設(shè)計(jì)是在原有過程控制實(shí)驗(yàn)裝置之上進(jìn)行的二次開發(fā)，增強(qiáng)了監(jiān)控系統(tǒng)的控制功能，實(shí)現(xiàn)了雙容水箱液位的模糊控制，提高了系統(tǒng)的調(diào)節(jié)性能.該系統(tǒng)界面友好，易于實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的控制算法，并采用OPC技術(shù)建立兩者間的數(shù)據(jù)交換，簡(jiǎn)單而且方便.系統(tǒng)有較強(qiáng)的通用性，用戶只需通過修改Matlab控制程序，就可利用監(jiān)控系統(tǒng)驗(yàn)證不同控制算法，研究不同控制對(duì)象，使現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)設(shè)備與實(shí)驗(yàn)算法平臺(tái)配套，利用現(xiàn)有設(shè)備資源，做到資源共享，節(jié)約了成本，也為過程控制實(shí)驗(yàn)高級(jí)算法的實(shí)現(xiàn)提供了新方案.

［1］ 胡開明，傅志堅(jiān)，葛遠(yuǎn)香.基于與組態(tài)技術(shù)的自動(dòng)控制實(shí)驗(yàn)教學(xué)仿真平臺(tái)開發(fā)［J］.實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2013，30(6):51－53.

［2］ 鄭華，呂偉珍.基于組態(tài)王和MATLAB的雙容水箱液位控制［J］.中國農(nóng)機(jī)化，2012，24(12):82－83.

［3］ 王樹東，畢作文，王紅波，等.OPC技術(shù)下PLC與MATLAB相結(jié)合的實(shí)時(shí)模糊控制系統(tǒng)［J］.電氣自動(dòng)化，2011，33(5):12－14.

［4］ 呂俊.基于OPC的PLC在線PID模糊自整定系統(tǒng)［J］.輕工機(jī)械，2013，31(2):36－39.

［5］ 劉金琨.先進(jìn)PID控制及其MATLAB仿真［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2003.