智能控制与PLC结合应用

第-章前言

1.1论文研究的目的和意义

可编程序逻辑控制器(Prograble Logic controller，PLC)具有可靠性高、

抗干扰能力强、功能丰富等强大技术优势，已经成为目前自动化领域的主流控制

系统。然而，从目前的应用情况来看，PLC还大都只是承担最基本的控制功能，

如顺序控制、数据采集和PID反馈控制。各个PLC厂家也在其产品中设计了PID

模块。虽然PID算法控制有很高的稳定性，但对于-些复杂控制系统，PID控制

很难满足控制要求，这也使PLC的发展面临着-种挑战。随着越来越多的PLC产

品与IEC1131-3标准兼容，PLC控制系统越来越开放，将先进控制算法嵌入PLC

常规控制系统成为可能。本课题从工业控制实际应用角度出发，对PLC的控制功

能进行深入的研究和探讨，以提高和扩展PLC控制器的应用水平和应用范围。本

课题:PLC先进控制策略的研究与应用，其目的是通过研究使-些先进控制算法

在PLC及组态系统上得以实现，并开发相应的应用程序，经过验证后最终应用到

工业过程控制中去。

在PLC组态系统中实现先进控制算法，包括预测控制算法和模糊逻辑控制算

法，形成具有人工智能的控制模块及网络系统，能大大提高系统的控制水平，改

善控制质量。从经济角度来看，目前PLC生产商的-些产品具备先进控制模块，

如模糊模块。但它们的价格十分昂贵，且封闭性较强，不适合我国中小型企业的

工业改造。因此开发较为通用的先进算法实现技术，对于我国中小型企业的工业

改造具有很大的意义，既可降低生产成本，又可提高经济效益。

模糊控制与预测控制是智能控制中技术较为成熟的分支，因此，研制和开发

出适合工业环境的实时先进控制开发工具，实现模糊控制、预测控制嵌入PLC，

与常规控制集成运行，让先进控制从教授、专家手中走出来，实现先进控制的工

程化、实用化、转化为社会生产力，对缩短控制系统开发周期，加快先进控制技

术的广泛应用，提高我国的工业自动化水平有着重大的意义。

1.2论文研究的主要内容及工作简述

目前，PLC的应用十分广泛，涉及到过程控制的方方面面。但在控制策略上，它

依然沿用传统的PID控制。许多PLC开发商把PID算法做成模块，固化在PLC中。

但从长远角度看，对于-些复杂的控制系统，PID很难满足控制要求，这就需要把

先进的控制算法嵌入到PLC的设计中。本课题以此为主要研究内容。

工业过程的复杂性以及对于控制日益提高的要求，各种先进控制算法越来越

多地深入到控制领域，但由于PLC的编程目前还限于低级语言(如梯形图)，所以，

给在PLC上实现先进控制算法带来了困难。SIEMENS在PLC的编程系统STEP7

中提供了比较丰富的功能模块，因此，本课题首先是通过对控制算法的研究与改

进和对STEP7功能的开发，使先进控制策略在S7-300PLC上得以较好的实现。本

论文重点研究基于PLC的模糊控制器的实现，这-领域目前研究的比较多，因此

在总结前人研究方法的基础上，设计出-个基于PLC的通用的模糊控制器，并使

其固化在STEP7软件中。此外，对于PLC预测控制虽已有-些研究，但都仅限于

理论方面，尚未给出PLC上实现的实例。本课题也想在此方面有所创新，开发出

基于PLC的预测控制实现技术。

本论文第-章简要介绍了课题的来源背景、主要内容、目的意义以及国外相

关工作的研究状况等。

第二章介绍了SIMATIC S7-300PLC的主要特点，系统组成及控制系统的配置

与实现，同时介绍了STEP7软件的功能及结构，组态环境，以及-些基本算法的

实现方法。

第三章重点阐述了模糊控制的基本理论、模糊控制算法、模糊控制器的结构

及设计方法。提出了基于PLC的模糊控制器的实现方法，即采用MATLAB离线

设计，PLC在线查询的方式。给出了STEP7实现模糊算法的流程图及部分程序。

最后建立-个过程仿真系统，对PLC模糊控制器进行仿真验证。

第四章介绍了预测控制的基本理论，重点阐述了广义预测控制算法，并结合

PLC的特点，提出了基于PLC的单值广义预测控制器的设计方法，给出了STEP7

实现单值广义预测算法的步骤与流程图。最后建立-个二阶大滞后的对象模型，

构成仿真控制系统，与PID控制进行比较分析，验证PLC预测控制器的有效性。

第五章是作者在研究生期间参加的某空调性能检测实验室基于PLC实现的计

算机控制系统，从系统控制方案的设计、系统配置和硬件构成、监控系统的设计

等几个方面分别进行了详细的论述。

第六章结论与体会，总结自己在课题研究和项目研究的过程中的-些体会和

心得，分析了工作中的不足，提出了以后工作的注意事项，改进方法。

1.3国内外文献综述

.

1.3.1先进控制的发展及现状

在过程工业界，从40年代开始，采用PID控制规律的单输入单输出简单反馈控

制回路己成为过程控制的核心系统。目前，PID控制仍广泛应用，即便是在大量

采用DCS控制的最现代的工业生产过程中，这类回路仍占总回路80%-90%。这是

因为PID控制算法是对人的简单而有效操作的总结和模仿，足以维护-般过程的平

稳操作与运行，而且这类算法简单且应用历史悠久，工业界比较熟悉且容易接受。

然而，单回路PID控制并不能适用于所有的过程和不同的要求[4]。

50年代开始，逐渐发展了串级、比值、前馈、均匀和Smith预估控制等复杂控制系统，即当时的先进控制系统，在很大程度上满足了单变量控制系统的-些特殊的控制要求。

在工业生产过程中，仍有10%-20%的控制问题采用上述控制策略无法奏效，

所涉及的被控过程往往具有强藕合性、不确定性、非线性、信息不完全性和大纯

滞后等特性，并存在着苛刻的约束条件，更重要的是它们大多数是生产过程的核

心部分，直接关系到产品的质量、生产率和成本等有关指标。随着过程工业日益

走向大型化、连续化，对工业生产过程控制的品质提出了更高的要求，控制与经

济效益的矛盾日趋尖锐，迫切需要-类合适的先进控制策略。

自50年代末发展起来的以状态空间方法为主体的现代控制理论，为过程控制

带来了状态反馈、输出反馈、解疆控制、自适应控制等-系列多变量控制系统设

计方法[51。上述多变量控制策略有其自身的不足之处，工业过程的复杂性使得建立

其正确的数学模型比较困难。同时，计算机技术的持续发展使得计算机控制在工

业生产过程中得到了广泛的应用，强大的计算能力可以用来求解过去认为是无法

求解的问题，这-切都孕育着过程控制领域的新突破。

整个80年代，出现了许多约束模型预测控制的工程化软件包。通过在模型识

别、优化算法、控制结构分析、参数整定和有关稳定性和鲁棒性研究等-系列工

作，基于模型控制的理论体系已基本形成，并成为目前过程控制应用最成功，也

最有前途的先进控制策略[61I7]。近年来，人工智能技术有了长足的长进并在许多科

学与工程领域中取得了较广泛的应用。就过程控制而言，专家系统、神经网络、

模糊系统是最有潜力的三种工具。专家系统可望在过程故障诊断、监督控制、检

测仪表和控制回路有效性检验中获得成功应用。神经网络则可以为复杂的非线性

过程的建模提供有效的方法，进而可用于过程软测量和控制系统的设计上。模糊

系统不仅是行之有效的模糊控制理论基础，而且有望成为表达确定性和不确定性

两类混合并提炼这些经验使之成为知识进而改进以后的控制，也将是先进控制的

重要内容。

由于先进控制受控制算法的复杂性和计算机硬件两方面因素的影响，早期的

先进控制算法通常是在Pc机和UNIx机上实施的[81。随着Dcs功能的不断增强，

更多的先进控制策略可以与基本控制回路-起在DCS控制站上实现。国外发达国

家几乎所有企业都采用了DCS系统或其它智能化设备来实现对生产过程的控制，

并在此基础上通过实施先进控制与优化较大的提升了系统的性能。可以说，高性

能控制系统，尤其是DCS系统的普及为先进控制的应用提供了强有力的硬件和软

件平台。国外从70年代末就开始了先进控制技术商品化软件的开发及应用，并在

DCS的基础上实现先进控制和优化。如爱默生公司的DeltaV和Honeywell公司的

TDC3000，其先进控制软件RMPCT和RPID等在现场的实际应用都集中在自己的

Dcs系统上I9]。传统的PLC由于不支持浮点运算以及先进控制所必须的精确的时

间，因此，除了模糊逻辑控制外，其他的先进控制并没有在PLC平台上实现。然

而，在过程工业中大多系统使用先进灵活的PLC控制系统，因此1996年Bames

提出了-种基于Pc-PLC通讯的混合方式，通过控制网络实现计算机与PLC的

通讯，从而实现先进控制。

1.3.2在工业控制领域的应用

可编程逻辑控制器(PLC)是-种数字运算操作的电子系统，专为工业环境下

应用而设计。它采用可编程序的存储器，用夹在其内部存储执行逻辑运算、顺序

控制、定时、记数和算术运算等操作指令，并通过数字式、模拟式的输入和输出，

控制各种类型的机械或生产过程。自从1969年第-台PLC在美国问世以来，各

工业发达国家相继推出自己的PLC产品，发展十分迅猛，其应用几乎遍及工业自

动化的各个领域。PLC在工业控制领域的应用可分为以下几种类型I川:

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控制系统。实现逻

辑控制、顺序控制，可用于单机控制、多机群控、自动化生产线的控制。

2. 位置控制

大多数PLC制造商，目前都提供拖动步进电机或伺服电机的单轴或多轴位置控

制模块。这-功能广泛用于各种机械，如金属切削机床、金属成型机床、装配机

械、机器人和电梯等。如PLC和计算机数控(CNC)装置组合-体，可以实现离散、

分级的数值控制，组成数控机床控制系统。

3.闭环过程控制

过程控制是指对温度、压力、流量等连续变化的模拟量的闭环控制。现代大

型PLC都配有PID子程序或PID模块，可实现单回路、多回路的自动调节控制。

4.用于组成多级控制系统，实现工厂自动化网络

5.计算机的下位前端级控制

高功能PLC用作程序控制的同时，还能够进行数值运算和简单的数据处理，

具有传感器和驱动器的接口。

在多年的生产实践中，逐渐形成了PLC、DCS与IPC三足鼎立之势，如表1-1，

还有其它的单回路智能式调节器等在市场上占有-定的百分比。

表1-1

市场占有率

PLC

DCS

IPC

1993年

39亿美元(46%)

26. 4亿美元(31%)

10.2亿美元(12%)

2000年

{76亿美元(50%)

41亿美元(27%)

21. 3亿美元(14%)

在八十年代至九十年代中期，是PLC发展最快的时期，年增长率-直保持为

30-40%。由于PLC人机联系处理模拟能力和网络方面功能的进步，挤占了-部分

DCS的市场(过程控制)并逐渐垄断了污水处理等行业，但是由于工业PC(IPC)

的出现，特别是近年来现场总线技术的发展，IPC和FCS也挤占了-部分PLC市

场，所以近年来PLC增长速度总的说是渐缓。目前全世界有200多厂家生产300

多品种PLC产品，主要应用在汽车(23%)、粮食加工(16.4%)、化学/制药(14.6%)、

金属/矿山(11，5%)、纸浆碴纸(n.3%)等行业。在PLC应用方面，我国是很

活跃的，近年来每年约新投入10万台套PLC产品，年销售额30亿人民币，应用

的行业也很广。但是与其它国家相比，在机械加工及生产线方面的应用，还需要

加大投入。我国市场上流行的有如下几家PLC产品:施耐德公司，包括早期天津

仪表厂引进莫迪康公司的产品，目前有Quantum、Prelnium、Momentum等产品;

罗克韦尔公司(包括AB公司)PLC产品，目前有SLC、MicroLogix、ControlLogix

等产品;西门子公司的产品，目前有SIMATIC57-400/300/200系列产品;GE公司

的产品;日本欧姆龙、三菱、富士、松下等公司产品。

随着技术的发展和市场需求的增加，PLC的结构和功能不断改进，生产厂家不

断推出功能更强的新产品。现代PLC的发展的主要趋势是向大型网络化、高可靠性、

好的兼容性、多功能方面发展。-个或若干PLC与Pc机联出系统，Pc机起到原

编程器及人机界面操作站的作用，这20世纪90年代的新潮流，这样为系统集成带

来了商机，同时编程软件和人机界面软件(监控软件或称组态软件)及软件接口

(或称驱动软件)也得到了发展。近年来，PLC厂家在原来CPU模板上提供物理层

RS232/422/485接口的基础，逐渐增加了各种通讯接口，而且提供完整的通讯网络。

由于近来数据通讯技术发展很快，用户对开放性要求很强烈，现场总线技术及以

太网技术也同步发展，所以PLC构成的PCS系统比DCS的开放性所处的现状更好-

些。目前罗克韦尔AB公司已形成了多层结构体系，即Ethe:Net、ColltrolNet、Deviee

Net及Asi等现场总线。西门子公司在Profibus-DP通讯网络及Profibus-FMS网络以

外，提出了S7Routing网络，即Profibus-DP和Industrial--Entemet两层结构。网络向

上连是互联网问题，向下连是现场总线问题，另外现有网络能否用以太网”e网到底”

方式、网络采用客户器/服务器方式、浏览器/服务器方式、生产者/消费者方式、接

口软件采用OPC方式等问题都有待进-步落实。PLC与智能MCC马达控制中心、

与数控机床配套的NO/CNC数控设备，以及与其它运行控制系统、电控设备、变频

器和软起动器等连成系统;PLC要与DCS分工合作，充当DCS的远程I/O站等;PLC

要与IPC分工合作，除用IPC作人机界面外，作软件PLC的I/O部件也是可行的;此

外还有PLC与紧急停车安全系统(ESD，Emergeney Shut Down Systems)的关系、

与立体仓库、机器人、CAD/CAM等等都要处理好关系。总之，PLC要兼容各种新

技术，使PLC成为真正意义上的“电脑”。

PLC的应用领域是宽阔的，还有许多领域急待开拓，如用于海关过境车辆认证、

自动售药(若干中药店)在我国已有实例。另外，在离散事件系统中，如公路网

交通流(车辆计数、乘客计数及停留时间计量)、物流系统、柔行制造系统(敏捷

制造系统)及-切非标准服务系统中，均可以采用PLC，进而建模和采取对策并优

化。

1.3.3 PLC基本控制方法

PLC从其出现到现在己有30年的历史，以微处理器为基础，综合了计算机技

术，自动控制技术和通信技术发展起来的-种通用的工业自动控制装置。PLC最

初只用于开关量的简单控制，发展到后来的连续系统的PID反馈控制。由于PLC

的强大的功能，它被广泛的应用于工业控制系统中。随着工业技术的不断发展，

工业控制系统也呈现出大规模更复杂特点和功能，基于PLC的控制方案必须依据

系统的规模和特点不断的完善与更新，才能适应工业的发展，满足用户的需求。

基于PLC的控制系统大致可以分为以下几种:

1.PLC单机/扩展控制系统

对于小规模控制系统，被控对象少，输入输出点数较少，控制要求也比较简

单，如数据采集，简单的顺序控制，闭环回路的PID控制等，-个独立的PLC便

能满足要求;若FO点数较多，-个机架的所有插槽都被占用，可以使用扩展机架

进行系统的扩展。

2·PLC分布式控制系统

实际应用中许多控制系统被控对象数量多，分散分布且分布距离甚远，此时

若采用-台PLC控制，全部的J/O设备都集中在中央控制室，则从控制室FI/O设

备到现场生产设备的控制电缆冗长繁杂，安装困难且易受各种电磁干扰。对于此

类被控对象应采用分布式控制系统。PLC可用远程I/O站和PLC网络两种形式组

成分布式控制系统。

(l)远程I/O站组成的分布式控制系统

支持远程I/O站的PLC系统-般由-个本地站和多个远程I/O站组成，本地

站和各远程I/O站均由配置在本地站上的控制器控制。本地站配置有控制器、远程

I/O处理器、I/O模块及其他设备。远程站配置有远程I/O适配器、I/O模块及其他

设备。本地站中远程I/O处理器和各远程站中远程I/O适配器之间用-根同轴电缆

以总线、环形等拓扑结构连接起来，构成PLC远程通讯系统。

(2)PLC网络组成的分布式控制系统

采用PLC网络技术，每个被控子系统配置-套带网络适配器的PLC系统就近

控制，各PLC的网络适配器之间用-根通讯电缆连接起来，构成PLC网络。各

PLC控制器对不依赖于其他生产子系统的内部逻辑进行独立解算和FO控制。可见

采用PLC网络能进-步提高控制系统得可靠性和灵活性。

3.IPC-PLC分布式测控系统[15]

工控机(IPC)和PLC作为工业自动化领域两支重要的支柱，在现代化工业生

产中得到了极为广泛的应用，采用PLC和工控机进行分布式测控可以使两者互补

功能上的不足，前者用于控制方面方便又可靠，而后者在图形显示、数据处理、

打印报表以及文字显示等方面有很强的功能。通常，这类系统采用RS485总线型

主从分布式工业通讯网络进行测控，由-台工控机作为上位机，通过Rs485总

线管理着若干台PLC，并完成图形显示、曲线绘制、数据建档、打印报表等。而

PLC作为下位机完成执行机构的控制、传感器信号的数据采集等。

4.基于PLC的现场总线系统日61

随着企业综合自动化系统的推进，需要把企业经营决策、生产调度、过程优

化和设备管理等与过程控制系统紧密地结合在-起进行数据综合处理，这就需要

系统具有网络化开放式的结构。因此基于PLC的现场总线系统应运而生。

(l)系统网络结构

系统通常由2级网络结构组成:底层是基于PROFIBUS-DP、PA的现场级设

备层控制系统;上层是基于PROFIBUS-FMS或工业以太网及TCP/IP的车间级监

控系统。

(2)控制器或主站

控制器基于通用工业PC机、Windows加T软硬件平台。

(3)具有现场总线接口的底层现场设备

-般包括分散式I/O从站、智能分散式I/O-PLC从站、智能交直流驱动器、智能

执行机构、人机接口HMI、传感器与变送器等。

1.3.4PLC模糊控制器

1965年，Zadeh教授最早提出模糊集合的概念，从而突破了经典集合论中属

于或不属于的绝对关系，标志着模糊数学的诞生。1974年，Mamdani及其同事首

次将模糊推理成功地应用于蒸汽机控制。此后，有关模糊控制及应用的报道日渐

增多。1980年，Holmblad和ostergaard将模糊控制器成功地安装在水泥窑炉上，

并开发出第-个商品化的模糊控制器。1985年，AT&T贝尔实验室的Togai和

Watanabe设计出第-块模糊逻辑芯片。1987年，基于Yamakawa的模糊计算机雏

形，Omron公司研制出第-代模糊微处理机。在模糊控制器开发中，Yamakawa

设计了首台采用模糊推理的高速模糊控制器硬件系统，并成功地应用于两个具有

不同参数的倒立摆的控制。值得注意的是，不少仪表商己将模糊控制作为其Dcs

系统的-个功能模块，或提供硬件支持，或采用软件实现。如Foxboro公司在其

I/A系列产品中使用了inform公司的软件工具FuzzyTECH; Simens公司为其DCS

系统Teleoerm-M的现场控制站AS230/AS235(H)开发了模糊化、规则确定和模糊

判决软件模块;日本横河公司在CENTUMXL和uXL中实现了模糊控制功能。

目前，随着PLC的广泛应用以及其功能的不断提高，基于PLC模糊控制器的

研究成为-个焦点，并取得了-定的成果。模糊控制集成到可编程控制器(PLC)中，

实现方法主要有三种，即查表法、PLC硬件专用模糊控制器和软件模糊推理。其

主要区别在于模糊推理的实现方法不同。

1

.

1. PLC硬件模糊控制器

模糊控制器用硬件实现就是用模糊专用芯片构成模糊控制器，它推理速度

快，控制精度高，处理速度至少比软件提高-个数量级，适用于对时间要求较高，

实时工作的应用场合。到目前为止许多PLC制造商己经开发出了模糊专用模块。如:

omron公司PLC产品中的特殊单元FZ001就是-个模糊控制单元1201，它能够安装在

PLC的CPU机架，也能够安装在扩展I/O机架或从站机架上。PLC的CPU单元本身不

具备模糊控制功能，CPU单元从A/D单元中输入偏差值，并求取偏差的变化，然后

将偏差及偏差变化值传送到模糊控制单元，模糊控制单元根据输入值进行输入的

模糊化、模糊推理，最后将解模糊后的精确值输出传送回CPU单元。应用FZO01时，

必须利用它的支持软件FSS在微机上建立各个模糊量的隶属函数和控制规则，推理

方法等控制所需的知识库内容。FSS还提供了仿真功能，能检验所建立的模糊控制

器能否实行。模糊单元FZ001建立的模糊控制器最多可以包括8个输入，4个输出，

128条控制规则。对应输入量的隶属函数可以有四种形式:S型、Z型、x型和二型。

输出量的隶属函数为单线形式。与之类似的模糊控制硬件模块还有德国AEG公司

的ModieonA120型和A250型PLC。Simens公司的S5-135U和5S5-155U型PLC，并带

有标准模糊控制软件包。采用PLC硬件模糊控制器的模糊控制系统的设计和调试-

般都有专用的开发支持软件，它支持进行模糊控制规则的制作、隶属函数的制作、

控制系统的仿真等。

2.基于PLC查表法实现模糊控制[22]

查询表是输入论域上的点到输出论域的对应关系，它已经是经过了模糊化、

模糊推理和去模糊化的过程，它可以离线计算得到，模糊控制器在线运行时，进

行查表就可以了，因而可以大大加快在线运行的速度。

-种基于PLC的模糊控制器，采用OMRON的CZO0a系列的PLC，A/D模

块为AD003，8路模拟量输入，D/A模块为DA003，8路模拟量输出，CPU模块

为CPU-42，负责精确量的模糊化、模糊量的精确化和模糊控制算法的运算。其

中参数模糊化采用分段比较的方法，控制规则的实现采用条件判断方法，数据输

出采用增量方式，控制量采用最大隶属度函数。模糊控制程序作为整个PLC控制

程序的-个子程序，包括数据的读取、控制量表的查询和控制信号输出。文

中提出了-种基于PLC的多级模糊控制器，是将e和∆e的变动范围分为嵌套的多

个层次，各层具有不同论域。当系统轨迹进入某-层时，控制器就采用所在层的

范围作为新的论域，并修改参数Ke、Kec和Ku。即参数因子自修正的模糊控制。

算法采用变比例因子与量化因子的多级模糊控制。同时，根据前馈控制原理引入

了函数Ug，ug=r/k，r为给定值。函数Ug在线可以修改，用它对输出结果进行

修正，即对多级模糊控制算法进行优化处理，提高了控制效果。此控制算法由PLC

程序来实现。应用系统的软件由主程序和子程序构成。控制程序包括主程序、初

始化子程序、10ms中断子程序、200ms中断子程序、报警跳闸子程序。模糊算法

采用查表法实现，由200ms中断子程序完成。

查表法结构简单，实施方便，资源开销少，在线运行速度快，大多数基于PLC

的模糊控制器多采用这-方法实现。但查表法-般只适用于离散有限论域的情况，

精度不高。

3.软件模糊推理法

软件模糊推理法指用软件实现输入模糊化、模糊推理算法以及输出去模糊化

等模糊控制的主要过程，尤其是模糊推理过程。它不同于查表法把模糊推理过程

离线完成，而是在线运行时，每-个采样周期都要进行模糊推理，即将传感器敏

感信号经A/D转换后送入计算机，用软件构成的模糊控制器进行模糊化、模糊推

理和去模糊化，由程序“在线”计算出控制量的大小，再经PLC去控制被控过程。

目前-些专门的应用软件的发展备受瞩目。这些软件提供-种类C的高级计算机

语言，用来编程实现模糊控制算法，通过PLC与计算机的通讯把结果传递给PLC，

实现其控制功能。IEC61131-3是国际电工委员会IEC于1999年推出的用于工业

控制领域的标准化编程语言，适用于PLC编程。其突出的优点:(l)开放性和可

移植性，(2)高水平的软件重复使用性和允许柔性地选择编程语言。(3)支持结

构化程序开发。(4)PLC组态具有运行时行为特性。西门子公司推出的功能强大

的Wincc工业控制软件，-些研究人员已经利用它的全局脚本编辑器，将用户自

行开发的模糊算法程序嵌入到Wincc中，通过Wincc与PLC之间的通讯，实现工

业控制功能。

由于采用软件实现模糊推理，因此这-方法灵活性高、适应性强、应用范围

广，它可用于输入输出论域为离散有限论域的情形，也可以用于连续无限论域的

情形，它比查表法有更高的精度，因为推理要花费-定的时间，因而要求计算机

有较高的运行速度。

1.3.SPLC预测控制算法

预测控制是直接从工业过程控制中产生的-类基于模型的新型控制算法，最

初由Richalet和Cutier等人提出。预测控制发展至今，己形成了公认的三大方法

机理，即预测模型、滚动优化和反馈校正。-个控制算法，只有具备这三项基

本原理，才能称之为预测控制。预测控制的机理表明预测控制是-种开放式的控

制策略。它体现了人们在处理带有不确定性问题时的-种通用思想方法。基于PLC

的预测控制算法，目前仍处于研究阶段，大多数采用Bames提出的PC-PLC混合

方式。国外研究者采用PC-PLC方式，实现了基于PLC的模型预测(MPC)控制

在食品生产过程中的设计与仿真。即采用了PC-PLC混合控制方式，MPC算法在

上位计算机上实现，通过与PLC的通讯把结果传递给PLC执行。国内研究者针对

先进控制的特点和应用现状，根据先进控制以及组态软件RSView32的特点和功

能，提出并实现二次开发工控组态软件RSView32，以VBA形式嵌入广义预测控

制算法[25]。通过上位工控机与PLC控制器的通信，实现了GPC控制，成功应用于

北京某稳定剂温度控制系统。由此看来，这些基于PLC预测算法的实现，其实质

都是预测控制在上位机上实现的。对于预测算法由下位机PLC来实现的情况，目

前尚未见有文献报道。

模糊控制在PLC应用&PLC先进控制策略研究与应用

第-章前言

1.1论文研究的目的和意义

可编程序逻辑控制器(Prograble Logic controller，PLC)具有可靠性高、

抗干扰能力强、功能丰富等强大技术优势，已经成为目前自动化领域的主流控制

系统。然而，从目前的应用情况来看，PLC还大都只是承担最基本的控制功能，

如顺序控制、数据采集和PID反馈控制。各个PLC厂家也在其产品中设计了PID

模块。虽然PID算法控制有很高的稳定性，但对于一些复杂控制系统，PID控制

很难满足控制要求，这也使PLC的发展面临着一种挑战。随着越来越多的PLC产

品与IEC1131-3标准兼容，PLC控制系统越来越开放，将先进控制算法嵌入PLC

常规控制系统成为可能。本课题从工业控制实际应用角度出发，对PLC的控制功

能进行深入的研究和探讨，以提高和扩展PLC控制器的应用水平和应用范围。本

课题:PLC先进控制策略的研究与应用，其目的是通过研究使一些先进控制算法

在PLC及组态系统上得以实现，并开发相应的应用程序，经过验证后最终应用到

工业过程控制中去。

在PLC组态系统中实现先进控制算法，包括预测控制算法和模糊逻辑控制算

法，形成具有人工智能的控制模块及网络系统，能大大提高系统的控制水平，改

善控制质量。从经济角度来看，目前PLC生产商的一些产品具备先进控制模块，

如模糊模块。但它们的价格十分昂贵，且封闭性较强，不适合我国中小型企业的

工业改造。因此开发较为通用的先进算法实现技术，对于我国中小型企业的工业

改造具有很大的意义，既可降低生产成本，又可提高经济效益。

模糊控制与预测控制是智能控制中技术较为成熟的分支，因此，研制和开发

出适合工业环境的实时先进控制开发工具，实现模糊控制、预测控制嵌入PLC，

与常规控制集成运行，让先进控制从教授、专家手中走出来，实现先进控制的工

程化、实用化、转化为社会生产力，对缩短控制系统开发周期，加快先进控制技

术的广泛应用，提高我国的工业自动化水平有着重大的意义。

1.2论文研究的主要内容及工作简述

目前，PLC的应用十分广泛，涉及到过程控制的方方面面。但在控制策略上，它

依然沿用传统的PID控制。许多PLC开发商把PID算法做成模块，固化在PLC中。

但从长远角度看，对于一些复杂的控制系统，PID很难满足控制要求，这就需要把

先进的控制算法嵌入到PLC的设计中。本课题以此为主要研究内容。

工业过程的复杂性以及对于控制日益提高的要求，各种先进控制算法越来越

多地深入到控制领域，但由于PLC的编程目前还限于低级语言(如梯形图)，所以，

给在PLC上实现先进控制算法带来了困难。SIEMENS在PLC的编程系统STEP7

中提供了比较丰富的功能模块，因此，本课题首先是通过对控制算法的研究与改

进和对STEP7功能的开发，使先进控制策略在S7-300PLC上得以较好的实现。本

论文重点研究基于PLC的模糊控制器的实现，这一领域目前研究的比较多，因此

在总结前人研究方法的基础上，设计出一个基于PLC的通用的模糊控制器，并使

其固化在STEP7软件中。此外，对于PLC预测控制虽已有一些研究，但都仅限于

理论方面，尚未给出PLC上实现的实例。本课题也想在此方面有所创新，开发出

基于PLC的预测控制实现技术。

本论文第-章简要介绍了课题的来源背景、主要内容、目的意义以及国外相

关工作的研究状况等。

第二章介绍了SIMATIC S7-300PLC的主要特点，系统组成及控制系统的配置

与实现，同时介绍了STEP7软件的功能及结构，组态环境，以及一些基本算法的

实现方法。

第三章重点阐述了模糊控制的基本理论、模糊控制算法、模糊控制器的结构

及设计方法。提出了基于PLC的模糊控制器的实现方法，即采用MATLAB离线

设计，PLC在线查询的方式。给出了STEP7实现模糊算法的流程图及部分程序。

最后建立一个过程仿真系统，对PLC模糊控制器进行仿真验证。

第四章介绍了预测控制的基本理论，重点阐述了广义预测控制算法，并结合

PLC的特点，提出了基于PLC的单值广义预测控制器的设计方法，给出了STEP7

实现单值广义预测算法的步骤与流程图。最后建立一个二阶大滞后的对象模型，

构成仿真控制系统，与PID控制进行比较分析，验证PLC预测控制器的有效性。

第五章是作者在研究生期间参加的某空调性能检测实验室基于PLC实现的计

算机控制系统，从系统控制方案的设计、系统配置和硬件构成、监控系统的设计

等几个方面分别进行了详细的论述。

第六章结论与体会，总结自己在课题研究和项目研究的过程中的一些体会和

心得，分析了工作中的不足，提出了以后工作的注意事项，改进方法。

1.3国内外文献综述

.

1.3.1先进控制的发展及现状

在过程工业界，从40年代开始，采用PID控制规律的单输入单输出简单反馈控

制回路己成为过程控制的核心系统。目前，PID控制仍广泛应用，即便是在大量

采用DCS控制的最现代的工业生产过程中，这类回路仍占总回路80%-90%。这是

因为PID控制算法是对人的简单而有效操作的总结和模仿，足以维护一般过程的平

稳操作与运行，而且这类算法简单且应用历史悠久，工业界比较熟悉且容易接受。

然而，单回路PID控制并不能适用于所有的过程和不同的要求[4]。

50年代开始，逐渐发展了串级、比值、前馈、均匀和Smith预估控制等复杂控制系统，即当时的先进控制系统，在很大程度上满足了单变量控制系统的一些特殊的控制要求。

在工业生产过程中，仍有10%-20%的控制问题采用上述控制策略无法奏效，

所涉及的被控过程往往具有强藕合性、不确定性、非线性、信息不完全性和大纯

滞后等特性，并存在着苛刻的约束条件，更重要的是它们大多数是生产过程的核

心部分，直接关系到产品的质量、生产率和成本等有关指标。随着过程工业日益

走向大型化、连续化，对工业生产过程控制的品质提出了更高的要求，控制与经

济效益的矛盾日趋尖锐，迫切需要-类合适的先进控制策略。

自50年代末发展起来的以状态空间方法为主体的现代控制理论，为过程控制

带来了状态反馈、输出反馈、解疆控制、自适应控制等-系列多变量控制系统设

计方法[51。上述多变量控制策略有其自身的不足之处，工业过程的复杂性使得建立

其正确的数学模型比较困难。同时，计算机技术的持续发展使得计算机控制在工

业生产过程中得到了广泛的应用，强大的计算能力可以用来求解过去认为是无法

求解的问题，这一切都孕育着过程控制领域的新突破。

整个80年代，出现了许多约束模型预测控制的工程化软件包。通过在模型识

别、优化算法、控制结构分析、参数整定和有关稳定性和鲁棒性研究等-系列工

作，基于模型控制的理论体系已基本形成，并成为目前过程控制应用最成功，也

最有前途的先进控制策略[61I7]。近年来，人工智能技术有了长足的长进并在许多科

学与工程领域中取得了较广泛的应用。就过程控制而言，专家系统、神经网络、

模糊系统是最有潜力的三种工具。专家系统可望在过程故障诊断、监督控制、检

测仪表和控制回路有效性检验中获得成功应用。神经网络则可以为复杂的非线性

过程的建模提供有效的方法，进而可用于过程软测量和控制系统的设计上。模糊

系统不仅是行之有效的模糊控制理论基础，而且有望成为表达确定性和不确定性

两类混合并提炼这些经验使之成为知识进而改进以后的控制，也将是先进控制的

重要内容。

由于先进控制受控制算法的复杂性和计算机硬件两方面因素的影响，早期的

先进控制算法通常是在Pc机和UNIx机上实施的[81。随着Dcs功能的不断增强，

更多的先进控制策略可以与基本控制回路-起在DCS控制站上实现。国外发达国

家几乎所有企业都采用了DCS系统或其它智能化设备来实现对生产过程的控制，

并在此基础上通过实施先进控制与优化较大的提升了系统的性能。可以说，高性

能控制系统，尤其是DCS系统的普及为先进控制的应用提供了强有力的硬件和软

件平台。国外从70年代末就开始了先进控制技术商品化软件的开发及应用，并在

DCS的基础上实现先进控制和优化。如爱默生公司的DeltaV和Honeywell公司的

TDC3000，其先进控制软件RMPCT和RPID等在现场的实际应用都集中在自己的

Dcs系统上I9]。传统的PLC由于不支持浮点运算以及先进控制所必须的精确的时

间，因此，除了模糊逻辑控制外，其他的先进控制并没有在PLC平台上实现。然

而，在过程工业中大多系统使用先进灵活的PLC控制系统，因此1996年Bames

提出了一种基于Pc-PLC通讯的混合方式，通过控制网络实现计算机与PLC的

通讯，从而实现先进控制。

1.3.2在工业控制领域的应用

可编程逻辑控制器(PLC)是一种数字运算操作的电子系统，专为工业环境下

应用而设计。它采用可编程序的存储器，用夹在其内部存储执行逻辑运算、顺序

控制、定时、记数和算术运算等操作指令，并通过数字式、模拟式的输入和输出，

控制各种类型的机械或生产过程。自从1969年第-台PLC在美国问世以来，各

工业发达国家相继推出自己的PLC产品，发展十分迅猛，其应用几乎遍及工业自

动化的各个领域。PLC在工业控制领域的应用可分为以下几种类型I川:

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控制系统。实现逻

辑控制、顺序控制，可用于单机控制、多机群控、自动化生产线的控制。

2. 位置控制

大多数PLC制造商，目前都提供拖动步进电机或伺服电机的单轴或多轴位置控

制模块。这一功能广泛用于各种机械，如金属切削机床、金属成型机床、装配机

械、机器人和电梯等。如PLC和计算机数控(CNC)装置组合-体，可以实现离散、

分级的数值控制，组成数控机床控制系统。

3.闭环过程控制

过程控制是指对温度、压力、流量等连续变化的模拟量的闭环控制。现代大

型PLC都配有PID子程序或PID模块，可实现单回路、多回路的自动调节控制。

4.用于组成多级控制系统，实现工厂自动化网络

5.计算机的下位前端级控制

高功能PLC用作程序控制的同时，还能够进行数值运算和简单的数据处理，

具有传感器和驱动器的接口。

在多年的生产实践中，逐渐形成了PLC、DCS与IPC三足鼎立之势，如表1-1，

还有其它的单回路智能式调节器等在市场上占有一定的百分比。

表1-1

市场占有率

PLC

DCS

IPC

1993年

39亿美元(46%)

26. 4亿美元(31%)

10.2亿美元(12%)

2000年

{76亿美元(50%)

41亿美元(27%)

21. 3亿美元(14%)

在八十年代至九十年代中期，是PLC发展最快的时期，年增长率-直保持为

30-40%。由于PLC人机联系处理模拟能力和网络方面功能的进步，挤占了-部分

DCS的市场(过程控制)并逐渐垄断了污水处理等行业，但是由于工业PC(IPC)

的出现，特别是近年来现场总线技术的发展，IPC和FCS也挤占了-部分PLC市

场，所以近年来PLC增长速度总的说是渐缓。目前全世界有200多厂家生产300

多品种PLC产品，主要应用在汽车(23%)、粮食加工(16.4%)、化学/制药(14.6%)、

金属/矿山(11，5%)、纸浆碴纸(n.3%)等行业。在PLC应用方面，我国是很

活跃的，近年来每年约新投入10万台套PLC产品，年销售额30亿人民币，应用

的行业也很广。但是与其它国家相比，在机械加工及生产线方面的应用，还需要

加大投入。我国市场上流行的有如下几家PLC产品:施耐德公司，包括早期天津

仪表厂引进莫迪康公司的产品，目前有Quantum、Prelnium、Momentum等产品;

罗克韦尔公司(包括AB公司)PLC产品，目前有SLC、MicroLogix、ControlLogix

等产品;西门子公司的产品，目前有SIMATICS7-400/300/200系列产品;GE公司

的产品;日本欧姆龙、三菱、富士、松下等公司产品。

随着技术的发展和市场需求的增加，PLC的结构和功能不断改进，生产厂家不

断推出功能更强的新产品。现代PLC的发展的主要趋势是向大型网络化、高可靠性、

好的兼容性、多功能方面发展。一个或若干PLC与Pc机联出系统，Pc机起到原

编程器及人机界面操作站的作用，这20世纪90年代的新潮流，这样为系统集成带

来了商机，同时编程软件和人机界面软件(监控软件或称组态软件)及软件接口

(或称驱动软件)也得到了发展。近年来，PLC厂家在原来CPU模板上提供物理层

RS232/422/485接口的基础，逐渐增加了各种通讯接口，而且提供完整的通讯网络。

由于近来数据通讯技术发展很快，用户对开放性要求很强烈，现场总线技术及以

太网技术也同步发展，所以PLC构成的PCS系统比DCS的开放性所处的现状更好-

些。目前罗克韦尔AB公司已形成了多层结构体系，即Ethe:Net、ColltrolNet、Deviee

Net及Asi等现场总线。西门子公司在Profibus-DP通讯网络及Profibus-FMS网络以

外，提出了S7Routing网络，即Profibus-DP和Industrial--Entemet两层结构。网络向

上连是互联网问题，向下连是现场总线问题，另外现有网络能否用以太网”e网到底”

方式、网络采用客户器/服务器方式、浏览器/服务器方式、生产者/消费者方式、接

口软件采用OPC方式等问题都有待进一步落实。PLC与智能MCC马达控制中心、

与数控机床配套的NO/CNC数控设备，以及与其它运行控制系统、电控设备、变频

器和软起动器等连成系统;PLC要与DCS分工合作，充当DCS的远程I/O站等;PLC

要与IPC分工合作，除用IPC作人机界面外，作软件PLC的I/O部件也是可行的;此

外还有PLC与紧急停车安全系统(ESD，Emergeney Shut Down Systems)的关系、

与立体仓库、机器人、CAD/CAM等等都要处理好关系。总之，PLC要兼容各种新

技术，使PLC成为真正意义上的“电脑”。

PLC的应用领域是宽阔的，还有许多领域急待开拓，如用于海关过境车辆认证、

自动售药(若干中药店)在我国已有实例。另外，在离散事件系统中，如公路网

交通流(车辆计数、乘客计数及停留时间计量)、物流系统、柔行制造系统(敏捷

制造系统)及-切非标准服务系统中，均可以采用PLC，进而建模和采取对策并优

化。

1.3.3 PLC基本控制方法

PLC从其出现到现在己有30年的历史，以微处理器为基础，综合了计算机技

术，自动控制技术和通信技术发展起来的一种通用的工业自动控制装置。PLC最

初只用于开关量的简单控制，发展到后来的连续系统的PID反馈控制。由于PLC

的强大的功能，它被广泛的应用于工业控制系统中。随着工业技术的不断发展，

工业控制系统也呈现出大规模更复杂特点和功能，基于PLC的控制方案必须依据

系统的规模和特点不断的完善与更新，才能适应工业的发展，满足用户的需求。

基于PLC的控制系统大致可以分为以下几种:

1.PLC单机/扩展控制系统

对于小规模控制系统，被控对象少，输入输出点数较少，控制要求也比较简

单，如数据采集，简单的顺序控制，闭环回路的PID控制等，一个独立的PLC便

能满足要求;若FO点数较多，一个机架的所有插槽都被占用，可以使用扩展机架

进行系统的扩展。

2·PLC分布式控制系统

实际应用中许多控制系统被控对象数量多，分散分布且分布距离甚远，此时

若采用-台PLC控制，全部的J/O设备都集中在中央控制室，则从控制室FI/O设

备到现场生产设备的控制电缆冗长繁杂，安装困难且易受各种电磁干扰。对于此

类被控对象应采用分布式控制系统。PLC可用远程I/O站和PLC网络两种形式组

成分布式控制系统。

(l)远程I/O站组成的分布式控制系统

支持远程I/O站的PLC系统一般由一个本地站和多个远程I/O站组成，本地

站和各远程I/O站均由配置在本地站上的控制器控制。本地站配置有控制器、远程

I/O处理器、I/O模块及其他设备。远程站配置有远程I/O适配器、I/O模块及其他

设备。本地站中远程I/O处理器和各远程站中远程I/O适配器之间用-根同轴电缆

以总线、环形等拓扑结构连接起来，构成PLC远程通讯系统。

(2)PLC网络组成的分布式控制系统

采用PLC网络技术，每个被控子系统配置-套带网络适配器的PLC系统就近

控制，各PLC的网络适配器之间用-根通讯电缆连接起来，构成PLC网络。各

PLC控制器对不依赖于其他生产子系统的内部逻辑进行独立解算和FO控制。可见

采用PLC网络能进一步提高控制系统得可靠性和灵活性。

3.IPC-PLC分布式测控系统[15]

工控机(IPC)和PLC作为工业自动化领域两支重要的支柱，在现代化工业生

产中得到了极为广泛的应用，采用PLC和工控机进行分布式测控可以使两者互补

功能上的不足，前者用于控制方面方便又可靠，而后者在图形显示、数据处理、

打印报表以及文字显示等方面有很强的功能。通常，这类系统采用RS485总线型

主从分布式工业通讯网络进行测控，由-台工控机作为上位机，通过Rs485总

线管理着若干台PLC，并完成图形显示、曲线绘制、数据建档、打印报表等。而

PLC作为下位机完成执行机构的控制、传感器信号的数据采集等。

4.基于PLC的现场总线系统日61

随着企业综合自动化系统的推进，需要把企业经营决策、生产调度、过程优

化和设备管理等与过程控制系统紧密地结合在-起进行数据综合处理，这就需要

系统具有网络化开放式的结构。因此基于PLC的现场总线系统应运而生。

(l)系统网络结构

系统通常由2级网络结构组成:底层是基于PROFIBUS-DP、PA的现场级设

备层控制系统;上层是基于PROFIBUS-FMS或工业以太网及TCP/IP的车间级监

控系统。

(2)控制器或主站

控制器基于通用工业PC机、Windows加T软硬件平台。

(3)具有现场总线接口的底层现场设备

一般包括分散式I/O从站、智能分散式I/O-PLC从站、智能交直流驱动器、智能

执行机构、人机接口HMI、传感器与变送器等。

1.3.4PLC模糊控制器

1965年，Zadeh教授最早提出模糊集合的概念，从而突破了经典集合论中属

于或不属于的绝对关系，标志着模糊数学的诞生。1974年，Mamdani及其同事首

次将模糊推理成功地应用于蒸汽机控制。此后，有关模糊控制及应用的报道日渐

增多。1980年，Holmblad和ostergaard将模糊控制器成功地安装在水泥窑炉上，

并开发出第一个商品化的模糊控制器。1985年，AT&T贝尔实验室的Togai和

Watanabe设计出第-块模糊逻辑芯片。1987年，基于Yamakawa的模糊计算机雏

形，Omron公司研制出第-代模糊微处理机。在模糊控制器开发中，Yamakawa

设计了首台采用模糊推理的高速模糊控制器硬件系统，并成功地应用于两个具有

不同参数的倒立摆的控制。值得注意的是，不少仪表商己将模糊控制作为其Dcs

系统的一个功能模块，或提供硬件支持，或采用软件实现。如Foxboro公司在其

I/A系列产品中使用了inform公司的软件工具FuzzyTECH; Simens公司为其DCS

系统Teleoerm-M的现场控制站AS230/AS235(H)开发了模糊化、规则确定和模糊

判决软件模块;日本横河公司在CENTUMXL和uXL中实现了模糊控制功能。

目前，随着PLC的广泛应用以及其功能的不断提高，基于PLC模糊控制器的

研究成为一个焦点，并取得了一定的成果。模糊控制集成到可编程控制器(PLC)中，

实现方法主要有三种，即查表法、PLC硬件专用模糊控制器和软件模糊推理。其

主要区别在于模糊推理的实现方法不同。

1

.

1. PLC硬件模糊控制器

模糊控制器用硬件实现就是用模糊专用芯片构成模糊控制器，它推理速度

快，控制精度高，处理速度至少比软件提高一个数量级，适用于对时间要求较高，

实时工作的应用场合。到目前为止许多PLC制造商己经开发出了模糊专用模块。如:

omron公司PLC产品中的特殊单元FZ001就是一个模糊控制单元1201，它能够安装在

PLC的CPU机架，也能够安装在扩展I/O机架或从站机架上。PLC的CPU单元本身不

具备模糊控制功能，CPU单元从A/D单元中输入偏差值，并求取偏差的变化，然后

将偏差及偏差变化值传送到模糊控制单元，模糊控制单元根据输入值进行输入的

模糊化、模糊推理，最后将解模糊后的精确值输出传送回CPU单元。应用FZO01时，

必须利用它的支持软件FSS在微机上建立各个模糊量的隶属函数和控制规则，推理

方法等控制所需的知识库内容。FSS还提供了仿真功能，能检验所建立的模糊控制

器能否实行。模糊单元FZ001建立的模糊控制器最多可以包括8个输入，4个输出，

128条控制规则。对应输入量的隶属函数可以有四种形式:S型、Z型、x型和二型。

输出量的隶属函数为单线形式。与之类似的模糊控制硬件模块还有德国AEG公司

的ModieonA120型和A250型PLC。Simens公司的S5-135U和5S5-155U型PLC，并带

有标准模糊控制软件包。采用PLC硬件模糊控制器的模糊控制系统的设计和调试-

般都有专用的开发支持软件，它支持进行模糊控制规则的制作、隶属函数的制作、

控制系统的仿真等。

2.基于PLC查表法实现模糊控制[22]

查询表是输入论域上的点到输出论域的对应关系，它已经是经过了模糊化、

模糊推理和去模糊化的过程，它可以离线计算得到，模糊控制器在线运行时，进

行查表就可以了，因而可以大大加快在线运行的速度。

一种基于PLC的模糊控制器，采用OMRON的CZO0a系列的PLC，A/D模

块为AD003，8路模拟量输入，D/A模块为DA003，8路模拟量输出，CPU模块

为CPU-42，负责精确量的模糊化、模糊量的精确化和模糊控制算法的运算。其

中参数模糊化采用分段比较的方法，控制规则的实现采用条件判断方法，数据输

出采用增量方式，控制量采用最大隶属度函数。模糊控制程序作为整个PLC控制

程序的一个子程序，包括数据的读取、控制量表的查询和控制信号输出。文

中提出了一种基于PLC的多级模糊控制器，是将e和∆e的变动范围分为嵌套的多

个层次，各层具有不同论域。当系统轨迹进入某-层时，控制器就采用所在层的

范围作为新的论域，并修改参数Ke、Kec和Ku。即参数因子自修正的模糊控制。

算法采用变比例因子与量化因子的多级模糊控制。同时，根据前馈控制原理引入

了函数Ug，ug=r/k，r为给定值。函数Ug在线可以修改，用它对输出结果进行

修正，即对多级模糊控制算法进行优化处理，提高了控制效果。此控制算法由PLC

程序来实现。应用系统的软件由主程序和子程序构成。控制程序包括主程序、初

始化子程序、10ms中断子程序、200ms中断子程序、报警跳闸子程序。模糊算法

采用查表法实现，由200ms中断子程序完成。

查表法结构简单，实施方便，资源开销少，在线运行速度快，大多数基于PLC

的模糊控制器多采用这一方法实现。但查表法一般只适用于离散有限论域的情况，

精度不高。

3.软件模糊推理法

软件模糊推理法指用软件实现输入模糊化、模糊推理算法以及输出去模糊化

等模糊控制的主要过程，尤其是模糊推理过程。它不同于查表法把模糊推理过程

离线完成，而是在线运行时，每一个采样周期都要进行模糊推理，即将传感器敏

感信号经A/D转换后送入计算机，用软件构成的模糊控制器进行模糊化、模糊推

理和去模糊化，由程序“在线”计算出控制量的大小，再经PLC去控制被控过程。

目前一些专门的应用软件的发展备受瞩目。这些软件提供一种类C的高级计算机

语言，用来编程实现模糊控制算法，通过PLC与计算机的通讯把结果传递给PLC，

实现其控制功能。IEC61131-3是国际电工委员会IEC于1999年推出的用于工业

控制领域的标准化编程语言，适用于PLC编程。其突出的优点:(l)开放性和可

移植性，(2)高水平的软件重复使用性和允许柔性地选择编程语言。(3)支持结

构化程序开发。(4)PLC组态具有运行时行为特性。西门子公司推出的功能强大

的Wincc工业控制软件，一些研究人员已经利用它的全局脚本编辑器，将用户自

行开发的模糊算法程序嵌入到Wincc中，通过Wincc与PLC之间的通讯，实现工

业控制功能。

由于采用软件实现模糊推理，因此这一方法灵活性高、适应性强、应用范围

广，它可用于输入输出论域为离散有限论域的情形，也可以用于连续无限论域的

情形，它比查表法有更高的精度，因为推理要花费一定的时间，因而要求计算机

有较高的运行速度。

1.3.SPLC预测控制算法

预测控制是直接从工业过程控制中产生的-类基于模型的新型控制算法，最

初由Richalet和Cutier等人提出。预测控制发展至今，己形成了公认的三大方法

机理，即预测模型、滚动优化和反馈校正。一个控制算法，只有具备这三项基

本原理，才能称之为预测控制。预测控制的机理表明预测控制是一种开放式的控

制策略。它体现了人们在处理带有不确定性问题时的一种通用思想方法。基于PLC

的预测控制算法，目前仍处于研究阶段，大多数采用Bames提出的PC-PLC混合

方式。国外研究者采用PC-PLC方式，实现了基于PLC的模型预测(MPC)控制

在食品生产过程中的设计与仿真。即采用了PC-PLC混合控制方式，MPC算法在

上位计算机上实现，通过与PLC的通讯把结果传递给PLC执行。国内研究者针对

先进控制的特点和应用现状，根据先进控制以及组态软件RSView32的特点和功

能，提出并实现二次开发工控组态软件RSView32，以VBA形式嵌入广义预测控

制算法[25]。通过上位工控机与PLC控制器的通信，实现了GPC控制，成功应用于

北京某稳定剂温度控制系统。由此看来，这些基于PLC预测算法的实现，其实质

都是预测控制在上位机上实现的。对于预测算法由下位机PLC来实现的情况，目

前尚未见有文献报道。

第二章SIMATICS7-300PLC及STEP7系统

西门子公司相继推出了PLC系列的产品，有S5系列、57系列、M7系列和

CS系列等，其中S7系列的PLC以其强大的功能、极快的处理速度、良好的性能

得到了最广泛的应用。该系列产品包括适用于微型控制环境的SIMATICS7-200系

列、适用于中型控制环境的SIMATICS7-300系列和具有中高档性能的SIMATIC

S7--400系列三种类型。模块化、无排风扇结构，易于实现分布，易于用户掌握等

特点使得S7系列成为各种从小规模到中等性能要求控制任务的方便又经济的解决

方案。

2.1SIMATIC S7-300PLC系统

2.1.1 S7-300PLC

SIMATIC S7-300PLC是SIMENS公司生产的紧凑模块式结构的小型可编程控

制器，它具有功能强、速度快的特点;其紧凑、无槽位限制的模块化结构易于扩

展，是目前国内应用较多，性价比较好的高性能PLC。本节从以下几个方面对

S7-300PLC进行概括介绍[261。

1.系统组成

S7-300PLC是模块化组成结构，主要组成部分有导轨(RACK)、电源模块(PS)、

中央处理器cPu模块、接口模块(IM)，信号模块(sM)，功能模(FM)等。

l .中央处理单元(CPU)—各种CPU有各种不同的性能，例如，有的CPU上集成有输入/输出点，有的集成有PROFIBUS-DP通讯接口等。

l .信号模块(SM)—用于数字量和模拟量输入/输出。

l .功能模块(FM)—用于高速计数，定位操作和闭环控制。

l .负载电源模块(PS)—用于将slMATICS7-300连接到120/230伏交流电源，或24/48/60/110伏直流电源。

l .接口模块(IM)—用于多机架配置时连接主机架(:CR)和扩展机架(ER)。

2.功能

l .高速的指令处理—0.6-0.1μs的指令处理时间在中等到较低的性能要求范围内开辟了全新的应用领域。

l .浮点数运算—用此功能可以有效地实现更为复杂的算术运算，方便用户的参数赋值。

l .人机界面(HMI)—方便的人机界面服务已经集成在S7-300操作系统内。因此人机对话的编程要求大大减少。SIMATIC人机界面(HMl)从S7-300中取得数据，S7-300按用户指定的刷新速度传送这些数据。S7-300操作系统自动地处理数据的传送。

l .诊断功能—CPU的智能化的诊断系统连续监控系统的功能是否正常、记录错误和特殊系统事件。

l .口令保护—多级口令保护可以使用户高度、有效地保护其技术机密，防止未经允许的复制和修改。

l .操作方式选择开关—操作方式选择开关像钥匙一样可以拔出，当钥匙拔出时，就不能改变操作方式。这样就防止非法删除或改写用户程序。

3.通讯方式及通讯类型

S7-300PLC有多种不同的通讯方式和通讯接口:

l .工业以太网(IEEE802-3和802.3u):区域和基层单位连网用的国际标准。

l .PROFIBUS(IEC61158/EN50170):基层单位和现场使用的国际标准。

l .AS-Interface(EN5O295):与传感器和执行机构进行通讯和国际标准。

l .EIB(EN50090，ANSIEIA776):楼宇专用的安装系统和楼宇自动化用的全球标准。

l .MPI-多点接口:供CPU、PG/PC以及TD/OP相互之间通讯使用。

l .点到点的连接:供二个节点(站)之间，以专用的通讯协议进行通讯使用。

S7-300PLC的CPU支持下列通讯类型:

过程通讯-通过总线(AS-I或PROFIBUS)对FO模块周期寻址(过程映像交换)。

数据通讯-在自动化控制系统之间或人机界面(HMI)和几个自动控制系统之间，数据通讯会周期地进行或被用户程序或功能块调用。

2.1.2S7-300PLC控制系统

S7-300PLC系统是由各种模块部件所组成，各模块能以各种不同方式组合在

-起。这表明可将控制系统设计成完全符合应用的需要。S7-300PLC的主要组成

部分有导轨(RACK)、电源模块(Ps)、中央处理器CPU模块、接口模块(IM)，信号

模块(SM)，功能模块(FM)等，通过Mpl网的接口直接与Pc或其他PLC相连。由

S7-300PLC构成的控制系统总体结构如图2-1。

图2-1S7-3OOPLC控制系统结构图

下面就常用模块作简单介绍

命中央处理单元CPU模块

S7-300有CPU312IFM，CPU313，CPU314，CPU315，CPU315-ZDP等中央处

理单元可供选择。CPU312IFM模块上集成有10个数字量输入点和6个数字量输

出点。其余模块上不带有集成I/0端口，其存储器容量、指令执行速度、可宽展的

I/O点数、计数器/定时器数量、软件块的数量等随序号的递增而增加。CPU315DP

除具有现场总线扩展功能外，其它特性与CPU315相同。

数字量模块SM321

S7-300有多种型号的数字量I/O模块供选择，如数字量输入模块SM321、数

字量输出模块SM322，数字量I/O模块SM323，此外还有仿真模块SM374，占位

模块DM370等。数字量输入模块将现场过程送来的数字信号电平转换成S7-300

内部信号电平。输入信号进入模块后，一般都经过光电隔离和滤波，然后才送入

输入缓冲区等待CPU采样。采样时，信号经过背板总线进入到输入映像区。

模拟量模块SM331

S7-300模拟量模块的输入范围很宽，它可以直接输入电压、电流、电阻、热

电偶等信号。模拟量输入模块SM331有两种规格型号:一种是8*12位模块，另

一种是2*12位模块。前者是8通道的输入模块，后者是2通道的输入模块。SM331

输入模块主要由A乃转换部件、模拟切换开关、补偿电路、恒流源、光电分离部

件、逻辑电路等组成。模拟量输出模块SM332有2*12和4*12位两种形式的模块。

前者是2通道的模拟量输出模块(AO)，后者是4通道的模拟量输出模块，SM332

可以输出电压，也可以输出电流。

电源模块PS307

PS3O7是西门子公司为S7-300专配的24VDC电源。PS3O7系列模块除输出

电流不同外(有2A，5A，10A三种)，其工作原理和各种参数都一样。

功能模块FM

S7-300有一些专用的功能模块，高速布尔处理器FM352-5，定位模块FM535，

闭环控制模块FM355，超声波位置解码器模块FM338.。

在一个系统中，电源模块PS和CPU模块是必需的，同时结合其他各种模块，

在系统总体结构的基础上，对系统配置进行剪裁或扩展，可以满足不同的控制要

求。如，利用模拟量，数字量输入模块和输出模块，可以实现模拟、数字信号的

采集和输出;利用功能模块FM355可以实现回路的闭环PID控制。

2.2 STEP7系统

2.2.1 STEP7功能及结构

STEP7编程软件是基于Windows95/98或WindowsNT的为S7-300/4OOPLC配置

和编程的标准软件包，是SIMATIC工业软件的组成部分。主要功能包括:

l .建立和管理项目

l .对硬件和通讯作组态和参数赋值

l .管理符号

l .创建程序，例如为S7-PLC创建程序

l .下载程序到可编程控制器

l .狈红试自动系统

l .诊断设备故障

STEP7的组成结构如图2-2所示，

图2-25花P7组成结构

SIMATIC管理器

SIMATIC管理器是用户组态和编程的基础，在SIMATIC管理器中用户可以进行以下操作:建立项目、硬件组态及参数设置、组态硬件网络、编写程序、编辑、调试程序。

硬件组态

使用这个功能，可以为自动化项目的硬件进行组态和参数赋值。

诊断硬件

这些功能可以向你提供可编程控制器的状态概况。这个概况中可以显示符号，指示每个模板是否正常或有故障。

符号编辑器

使用SymbolEditor(符号编辑器)，可以管理所有的共享符号。

编程语言

用于S7-300和S7-400的编程语言梯形逻辑图(LadderLogic)、语句表(Statemeni List)和功能块图(FunetionBlockDiagram)都集成在一个标准软件包中。

通讯组态

通过MPI，可以实现使用NetPro时间驱动的循环数据传送。

2.2.2组态环境及编程语言

STEP7为用户提供了三种标准化的PLC编程语言:梯形逻辑(LAD)，语句表

(STL)和功能图(FBD)。每种语言各有其优点:LAD和FBD编辑器容易输入并且直

观，它们是以方便用户的功能为特征的，如拖放功能，复制和粘贴功能，而且链

接库中有现成的复杂功能(如PID控制器)或用户自己的标准方案。STL使用户能在

程序中最好的使用时间和存储区域，且“更接近硬件”。它使以增量方式或自由文本

方式输入资料成为可能，用户既可以立即按“增量，，检查每一个输入的正确性又可以

先在文本编辑器上用符号生成整个程序，然后用适当的符号表进行转换。此外，

STEP7还支持几种高级语言软件包，简单介绍如下:

57SCL是符合IEC61131-3标准的高级文本语言。它包含的语言结构与编程语言

Paseal和C相类似。

57GRAPH是用于编程顺序控制的编程语言。

57HIGraPh是以状态图的形式描述异步、非顺序过程的编程语言。

CFC是用于S7和M7的编程语言，用来以图形方式连接已有的功能。这些功能涵盖了从简单的逻辑操作到复杂的闭环和开环控制等极为广泛的功能范围。同时，STEP7还提供了功能强大的标准程序库，预置了丰富的功能块。

l .系统功能块:系统功能块(SFB)和系统功能(SFC)

l .S5-S7转换块(eonversionbloek):用于转换STEP5程序的块

l .Tl*S7转换块(eonversionblock):通用标准功能。

l .IEC功能块(Functionbloek):用于IEC功能的块

l .组织块:标准组织块(OB)

l .控制块:用于PID控制的功能块(FB)

l .通讯块:SIMATJCNET CP功能(FC)和功能块。

STEP7将用户程序指令存放在“块”中。通常，用户程序有组织块(OB)、功能

块(FB和FC)、数据块(DB)构成。

组织块(OB)是系统操作程序与用户应用程序在各种条件下的接口界面，用于

控制程序的运行。OB块根据操作系统调用的条件(如事件中断、报警中断)分为几

种类型，这些类型有不同的优先级，高优先级的OB可以中断低优先级的OB。每

个S7CPU中包含-套可编程的OB块，不同的OB块执行特定的功能。OBI是主程序循环块，OB35是时间中断块等。

功能块(FB和FC)实际上是用户子程序，分为带“记忆”的功能块FB和不带“记

忆”的功能块FC。前者有一个数据结构与该功能块的参数表完全相同的数据块(DB)

附属于该功能块，并随着功能块的调用而打开，随功能块的结束而关闭。功能块

FC没有背景数据块，当FC完成操作时数据不能保持。

数据块(DB)是用户定义的用于存取数据的存储区，可以被打开或关闭。DB可

以是属于某个FB的背景数据块，也可以是独立的通用全局数据块，用于FB和FC。

STEP7提供存储程序和数据的不同类型块。根据过程的要求，可以将程序用不同的

逻辑块加以结构化(组织块、功能块和子功能块)，也可以管理处理程序的数据。

2.2.3基本控制算法的实现

利用STEP7进行项目的组态与编程，实现系统的控制要求。在闭环控制中，PID

控制是最常用的控制算法。在STEP7的标准程序库中提供了两种PID控制功能块。

FB41是连续PID控制器，用于输入输出变量为连续变化的控制过程中;FB42为离

散PID控制器，用于带有数字操作量的工业过程中，同时它能在串级PID控制中做

副回路控制器。进行PID控制时，只要在程序中调用PID功能块，它相当于程序中

的一个子程序。PID功能块使用的一些数据和参数，可以在它的背景数据块中进行

设置或修改，只要对PID功能块正确组态，就可完成一个回路的PID控制。在单闭

环PID控制的基础上，可以组合实现串级控制和前馈控制等复杂回路控制算法。下

面以FB41为例说明在STEP7中PID算法的实现以及常规控制系统的组态及实现方

法。FB41功能块框图如图2-3，详细的显示了FB41的输入输出参数以及PID算法的

实现流程。

图2-3PID功能块算法流程图

1.单回路PID控制系统

选取基本的硬件组成控制系统，建立FB41的背景数据块DB41，在DB41中把

需要预先设置的参数设置好，如P，I，D参数、给定值、上下限限幅值等。在OBI

中进行数据的采集、输出、PID算法的实现。

(l)硬件组态

L PIW256

T DB41.DBD14

L PIW258

T DB42.DBD14

3.前馈-反馈控制系统

由于工业对象的特性极为复杂，这就导致了前馈控制规律的形式繁多，但从

工业应用的观点看，总是力求控制仪表的模式具有一定的通用性，以利于设计。

目前广泛应用的一种动态前馈控制器采用如下简化形式:

硬件组态依然采用单回路系统的组态形式，FB41用于反馈PID控制，其背景数

据块为DB41，FCI实现前馈控制，0BI实现数据采集、输出和前馈-反馈控制算法。

DBI为共享数据块。

(l)FCI的变量定义

第三章PLC模糊控制器的研究与实现

多年来我国科研人员在模糊控制理论和方法的研究取得了可喜的成绩，其中

有的己经接近或达到世界先进水平，给我国的工业自动化事业带来深刻影响，这

确实是一个很大的进步。但在我国先进的模糊控制理论与工程实践之间存在巨大

的脱节，工业生产过程控制系统很少应用模糊控制理论和设计方法，绝大多数实

际的工程项目仍在使用传统的控制理论、方法和技术。常规自动控制系统:如集散

控制系统(DCS)、可编程序控制器(PLC)、工业控制计算机等大多基于传统PID控

制，难以实现对多变量、非线性、大滞后、不确定、无法建模的复杂对象的控制。

模糊控制是智能控制中技术最为成熟的一个分支，因此，研制和开发出适合工业

环境的实时模糊控制开发工具，实现模糊控制嵌入PLC，与常规控制集成运行，

实现模糊控制的工程化、实用化、转化为社会生产力，对缩短控制系统开发周期，

加快先进控制技术的广泛应用，提高我国的工业自动化水平有着重大的意义。

3.1模糊控制算法与系统

3，1.1模糊控制理论

近半个世纪以来，经典控制和现代控制理论、方法和技术(简称传统控制)，取

得了令人瞩目的成就，在国民经济各个领域发挥了很大的作用。随着工业生产过

程的发展，现代工业自动控制系统对控制精度、响应速度、系统稳定性与适应能

力的要求越来越高。由于传统控制是建立在精确的系统数学模型基础上，而实际

系统常常存在复杂性、非线性、时变性、不确定性等问题，难以获得精确数学模

型，传统控制在工业生产的许多场合难以奏效。

1974年，英国伦敦大学的E.H.Mamdani教授首先;把模糊集合理论用于锅炉和

蒸汽机控制，开创了模糊控制的先河，并取得了比传统的直接数字控制算法更好

的效果，从而宣告模糊控制的诞生[28]。

模糊控制是以人的控制经验作为控制的知识模型，以模糊集合、模糊语言变

量以及模糊逻辑推理作为控制算法的数学工具，用计算机来实现的一种计算机智

能控制。它的基本思想是把人类专家对特定的被控对象或过程的控制策略总结

成-系列以“IF(条件)THEN(作用)”产生式形式表示的控制规则，通过模糊推理得

到控制作用集，作用于被控对象或过程，适合用于控制没有数学模型或者很难建

立数学模型的复杂系统。控制作用集为一组条件语句，状态条件和控制作用均为

一组被量化了的模糊语言集，如:“正大”，‘、负大”，‘、高”，‘。低”，“正常”。模糊控制

与传统控制方法相比有以下优点

它的特点概括如下:

1.解决复杂系统的控制问题

在控制系统设计时，常规控制系统设计要求一个过程的数学模型。在很多控

制问题中，这种数学模型不存在或者不完整，其原因在于这些过程还没被人类完

全认识，系统本身由于滞后、强非线性和事变性等因素影响而非常复杂，其数学

模型的建立非常困难。在这种情况下可采用模糊控制。模糊控制不需要精确的数

学模型，它建立在人类积累的语言型经验基础之上。

2.适用于简单控制系统的控制

对于一般的控制问题，尽管可以采用常规控制方法，同样也可以采用模糊控

制方法。模糊控制器的控制效果在快速性和鲁棒性方面都优于常规控制器。

3.非专业性

模糊控制使用的是语言型控制律，因此，在设计控制系统时不需要专门的控

制设计人员，在调整和维护上只需要一般技术人员即可。

4.鲁棒性

模糊控制系统具有极好的稳定特性和鲁棒性。控制律中几个规则的实效对控

制特性只有极小的影响。系统参数的变化对控制效果只有有限的影响，避免了

常规控制系统中控制器参数或系统参数的变化易引起整个系统失灵的问题。

5.操作时刻省去系统参数调节

常规控制系统在投入运行前或在工作中，工作点移动后其参数必须进行校准。

在模糊控制系统中由于采用语言型模糊变量，这种校准是不必要的。

6.模糊控制系统本身是-严格的控制系统

当模糊语言变量、隶属函数、控制规则、模糊推理方法和去模糊化方法都确

定后，模糊控制器的输入和输出关系就是确定的。模糊控制方法是在更高层次上

的模拟人类思维的一种系统方法。

7.模糊控制系统具有较好的经济性

随着模糊硬件和软件产品的发展，模糊控制系统的成本会不断降低，其中部

分模糊处理器的价格己低于常规微处理器。由于模糊软件包的使用，极大地缩短

了设计时间，加之模糊控制系统的设计不需要专门的设计人员，故设计成本也比

常规系统低。模糊控制系统对信号传感器精度要求不高，因此可使用较使宜的传

感器作为敏感元件，降低生产成本。

3.1.2模糊控制系统

模糊控制系统结构如图3-1所示，主要由模糊控制器、输入输出接口、检测装

置、执行结构和被控对象等几部分组成[30)。

图3-1模糊控制系统组成结构

由图3-1可知，模糊控制系统的结构与一般计算机数字控制系统结构基本类

似，只是它的控制器为模糊控制器。因此它也是一个计算机数字控制系统，控制

器由计算机实现，需要A/D与D/A转换接口，以实现计算机与模拟环节的连接;

一般情况下，它也是一个闭环反馈控制系统，被控制量要反馈回控制器，与设定

值相比较，根据误差信号进行控制。

3.1.2.1模糊控制器的组成

模糊控制器(Fuzzy controller-FC)也称为模糊逻辑控制器(Fuzzy Logic controller-FLC)，由于所采用的模糊控制规则是由模糊理论中的模糊条件语句来描述的，因此模糊控制器是一种语言型控制器，故也称为模糊语言控制器(Fuzzy LanguageController--FLC)。

模糊控制器是模糊控制系统得核心，一个模糊控制系统的性能优劣，主要取

决于模糊控制器的结构、所采用的模糊规则、合成推理算法以及模糊决策的方法

等因素。

模糊控制器一般由计算机实现，用计算机程序和硬件实现模糊控制算法，计

算机可以是单片机、工控机、PLC等各类型的微型计算机，程序设计语言可以是

汇编语言、C语言以及其它各种语言。现在也有一些模糊芯片实现模糊逻辑推理算

法，成为模糊控制器的重要组成部分。

模糊控制器从功能上分，主要由四部分组成:模糊化接口、知识库、模糊推

理机以及去模糊化接口，如图:3-2所示，这四部分的功能和工作原理下面分别介

绍。

图3-2模糊控制器组成

1.模糊化接口

这部分的作用是将输入的精确量转换成模糊量。其中输入量包括外界的参考

输入、系统的输出或状态等。

2.知识库

知识库中包含了具体应用领域中的知识和要求的控制目标，它通常由数据库

和模糊控制规则库两部分组成:

(l)数据库主要包括各语言变量的隶属度函数，尺度变换因子以及模糊空间的

分级等。

(2)规则库包括了用模糊语言变量表示的-系列控制规则。它们反映了控制专

家的经验和知识。

3.模糊推理

模糊推理是模糊控制器的核心，它具有模拟人的基于模糊概念的推理能力。

该推理过程是基于模糊逻辑中的蕴含关系及推理规则来进行的。

4.清晰化接口

清晰化的作用是将模糊推理得到的控制量(模糊量)变换为实际用于控制的清

晰量。它包含以下两部分内容:

(1)将模糊的控制量经清晰化变换变成表示在论域范围的清晰量。

(2)将表示在论域范围的清晰量经尺度变换变成实际的控制量

3.1.2.2模糊控制算法

模糊控制算法主要是指:模糊化，模糊推理，清晰化三部分的机理[29]。

1.模糊化运算

模糊化的具体过程如下:

(l)首先对这些输入量进行处理以变成模糊控制器要求的输入量。

(2)将上述己经处理过的输入量进行尺度变换，使其变换到各自的论域范围

(3)将己经变换到论域范围输入量进行模糊处理，使原先精确的输入量变成模糊量，并用相应的模糊集合来表示。

通常是把系统的输出反馈与给定值之间的误差e=r-y和误差变化率ec=de/dt作

为模糊控制器的输入语言变量E和EC。其中r表示参考输入，y表示系统输出，e

表示误差，ec表示误差变化率。其语言值实际上是一个模糊子集，通过隶属度函

数来描述的。语言值的隶属函数又称为语言值的语言规则，它可以以连续函数或

离散量化等级出现。前者比较准确、后者简洁直观。常见的隶属函数有[36]:

(l)单值模糊点。若模糊集合A对支撑集x为模糊单值，则对某-点x=x。，有

μA(x)=O，隶属函数曲线如图3-3(a)

(2)三角形型。隶属函数的解析式为:μA(x)=

2(x-a)/(b-a)，a<x<(b+a)/2

2(x-b)/(a-b)，(b+a)/2<x<b

0，x<a或x>b (3-1)

其隶属函数曲线如图3-3(b)

(3)高斯型。隶属函数的解析式为:

μA(x)=epx(-(x-c)2/δ2)，b>o （3-2）

其隶属函数曲线如图3-3(c)

图3-3隶属度函数图

2.模糊数据库和规则库

这两部分结合起来构成的知识库包含了该模糊控制器在具体应用领域中的知识和

所要求的控制目标。数据库主要包括各语言变量的隶属度函数，输入输出的尺度

变换因子以及对输入输出空间所进行的模糊划分的级数等;规则库包括用语言变

量所描述的-整套模糊控制规则，由于控制规则一般来源于专家知识，所以规则

库反映了此具体应用领域内的控制经验和知识。知识库是模糊控制系统必不可缺

的基础。

模糊规则库是由若干模糊推理规则组成的，其模糊推理规则形式为:

可以看出，x，y是模糊逻辑系统的输入输出。由于多输入多输出系统可以分解为多输入单输出系统，故我们只考虑多输入单输出的模糊逻辑系统。

3.模糊推理机

模糊推理机是模糊控制系统的核心，它具有模拟人的基于模糊概念的推理能

力。模糊推理机运用知识库内的模糊规则，按照模糊逻辑中的蕴涵关系以及各种

模糊推理方法进行模糊推理。所以，模糊系统中的知识库和推理机时紧密结合的。

模糊推理机根据模糊逻辑法则把模糊规则库中的模糊‘IF.THEN’，规则转换成

某种映射，即将:U=U1，U2，‘…‘Ur属于Rn”上的模糊集合映射成V上的模糊集合。

模糊规则:

可以被表示成一个积空间UXv上的模糊蕴涵设U上的模糊集合A‘为模糊推理机输入。若采用合成运算，则由每一条模糊推理规则所导出的V

上的模糊集合B‘为:

设，因此模糊规则可简记为A-》B。下面介绍各种常见

的模糊蕴涵定义。

(l)模糊蕴涵的最小值规则R。;

(2)模糊蕴涵的乘积法则R，;

(3)模糊蕴涵的算术规则R。;

(4)模糊蕴涵的最大值规则R切

(5)模糊蕴涵的Boolen规则R占

(6)模糊蕴涵的GOguen规则凡

由于规则库中有M条规则，即l二1，2，…M，故对于模糊推理机的输入A‘，模糊推

理机有两种输出形式:(a)由M个Bl组成的模糊集合群体:(b)由M个模糊集合Bl

之和组成的模糊集合B，即

其中e表示max.

4.清晰化

经过推理机所决定的控制输出时一个模糊矢量汀不能直接用来控制对象，需要

先转换成一个执行器可以接受的精确量，这种转化一般称为解模糊过程，目前解

模糊常用以下三种方法归:

(1)最大隶属度平均法(MOM):即直接选择模糊子集中隶属度最大的元素等级作

为控制量。该方法能突出汀的主要信息，计算简单，但其余多数信息被丢失，显得

比较粗糙。其定义为:

(2)重心法(COG):在论域上把隶属函数曲线与模坐标围成的面积平分为两部分

的元素称为模糊集中位数。利用中位数作为控制量的解模糊方法称为重心法。其

概括了其中所有元素信息，但计算复杂。其定义为:

(3)加权平均法（WMM):它是在模糊控制系统中应用较广泛的一种方法。其定义为：

3.1.2.3模糊控制器的结构

模糊控制器的结构是建立模糊控制规则的必要前提，不同结构具有不同形式

的规则。选择模糊控制器的结构形式，也应该和人工控制经验规则的形式相适应。

1.从输入输出角度划分

在确定性控制系统中，根据独立的输入变量和输出变量的个数，可分为单变

量控制系统和多变量控制系统。在模糊控制系统中也可以类似的划分为单变量模

糊控制系统和多变量模糊控制系统

(l)单变量模糊控制器

常规的模糊控制器为单变量模糊控制器(Single、Vriable FuZZy Controller-SVFC)，它有一个独立的外部输入变量和一个输出变量。单变量模糊控制器的输入变量的个数定义为模糊控制器的维数，如图3-所示。

图3-4单变量模糊控制器

(a)一维模糊控制器(b)三维模糊控制器(c)和(d)三维模糊控制器

①一维模糊控制器

如图3-3(a)所示，一维模糊控制器的输入变量往往选取为受控变量和实际

的输入给定的偏差量E。由于仅仅采用偏差量，很难反应受控过程的动态品质，因

此，所获得的系统动态性能往往不能令人满意的。这种一维模糊控制器往往被用

于被控对象简单(如一阶控制系统)，要求不高的情况。

若模糊集合入为属于图3-3(a)中论域E的输入，模糊集合B和C为属于论

域U的输出，这类模糊控制器的控制规则通常由模糊条件语句

If A then B

If A then B else C

来描述，其中模糊集合B和C具有相同的论域U。这种控制规则反应非线性比例

(P)控制规律。

②二维模糊控制器

如图3-3(b)所示，二维模糊控制器的两个输入变量基本上都选用受控变量

和实际输入给定的偏差E和偏差变化率EC，由于它们能够较严格的反映受控过程

中输出变量的动态特性，因此，在控制效果上要比一维控制器好得多，也是目煎

采用较广泛的-类模糊控制器。

属于论域E的模糊集合A取自系统误差。的模糊化，属于论域EC的模糊集

合B取自系统误差变化率ec的模糊化，二者构成模糊控制器的二维输入;属于论

域U的模糊集合C是反映系统控制量变化的模糊控制器的一维输出。这类模糊控

制器的控制规则通常由模糊条件语句

If A and B then C

来表达，是模糊控制器中最常用的一种控制规则，它反映了非线性比例加微分(PD)

控制规律。

③三维模糊控制器

如图3-3(c)和(d)所示，三维模糊控制器的三个输入变量一般是系统偏差

量E，偏差变化量EC和偏差变化的变化率ECC;也可以是E、EC和误差的积分

EI。三维模糊控制器应该能获得更好的控制特性，但这种模糊控制器结构较复杂，

推理运算时间长，因此除非对动态特性的要求特别高的场合，一般较少选用三维

模糊控制器。

上述三类模糊控制器的输出变量，均选择了受控变量的变化值。从理论上讲，

模糊控制系统所选用的模糊控制器维数越高，系统的控制精度也越高。但是维数

选择的太高，模糊控制规律就过于复杂，基于模糊合成推理的控制算法的计算机

实现，也就更困难。这也许是人们在设计模糊控制系统时，多数采用二维模糊控

制器的原因。在需要时，为了获得较好的上升段特性和改善控制器的动态品质，

也可以对模糊控制器的输出量作分段选择，即在偏差e“大”时，以控制量的绝对值

为输出，而当偏差e“小”或“中等”时，则仍控制量的增量为输出。

(2)多变量模糊控制器

一个多变量模糊控制器(Multiple、Vriable Fuzzy Controller)系统所采用的模

糊控制器往往具有多变量结构，称之为多变量模糊控制器。它有多个独立性的输

入变量和一个或多个输出变量。要直接设计一个多变量模糊控制器是相当困难的，

可利用模糊控制器本身的解藕特点，通过模糊关系方程分解，在控制器结构上实

现解祸，即将一个多输入-输出(Ml-MO)的模糊控制器，分解成若干个多输入

-单输出(Ml-S0)的模糊控制器，这样可采用单变量模糊控制器方法设计。

2.从输出方式角度划分

同常规控制器一样，模糊控制器的输出方式也会影响控制器的控制品质。

(l)位置式输出

由计算机输出的u(k)直接去执行机构(如阀门)，u(k)的值和执行机构的位置

(如阀门开度)是一一对应的，通常称这种控制方式为位置式控制算法。这种算

法的缺点是计算机输出的u(k)对应的是执行机构的实际位置，如果计算机出现故

障，u(k)的大幅度变化，会引起执行机构位置的大幅度变化，这种情况是生产实践

中不允许的，在某些场合，还可能造成重大的生产事故，因而产生了增量式输出

的控制算法。所谓的增量式控制是指模糊控制器的输出只是控制量的增量△u(k)。

(2)增量式输出

执行机构需要的是控制量的增量(例如驱动步进电动机)时，可使用增量

式输出模糊控制器。采用了增量式算法时，计算机输出的控制增量△u(k)对应的是

本次执行机构位置(例如阀门开度)的增量。对应阀门实际位置的控制量，即控

制量增量的积累，需要采用一定的方法来解决，例如用有积累作用的元件(如避进电

机)来实现;而目前较多的是利用算式通过执行软件来完成。

3.2 PLC模糊控制器设计

PLC是从60年代起由继电器逻辑控制发展而来，是一种数字运算操作电子系

统，专为在工业环境下应用而设计，它采用可编程存储器，用于其内部存储程序

执行逻辑运算、顺序控制、定时、计算和算术运算等操作指令，并通过数字式、

模拟式的输入/输出控制各种类型的机械或生产过程。它现在己发展成为以微处理

器为基础的高度集成化的工业控制装置。一般高档的PLC为了满足各种复杂工业

控制需要，除了提供基本的编程功能以外，还提供了多种高级编程功能。西门子

S7-300PLC就具有许多高级编程功能，这在第二章己经详细介绍了。基于S7-300

PLC实现通用模糊控制器便是利用这些高级编程功能实现的。

模糊控制器的设计师依据实际控制问题，设计出适合于一定被控过程的

控制器，使之达到预定的目标。它的隶属函数、控制规则以及用于控制的其他数

据一旦确定并输入到微处理器的存储器中，便不会再改变。本文的通用模糊控制

器以通用化为目的，它必须根据用户的需要，灵活的控制不同的实际过程。由前

文所述，模糊控制的实现一种是基于硬件，一种是基于软件。基于硬件即是用模

糊逻辑芯片来实现模糊化、模糊推理、去模糊化全过程;基于软件则是由软件来

实现，又大致分为查表法、软件推理法两种。比较而言，基于硬件的模糊控制推

理速度快，控制精度高，但灵活性差，价格昂贵，不适合一般用户的要求;而软

件推理法控制精度高，灵活性好，但资源投入大、响应速度有时太慢;查表法响

应速度快，资源投入小，虽然控制精度相对较低，但完全能满足一般控制的要求，

因为在工业实际控制中采用模糊控制器时，一般并不以高控制精度为目标。所以

本文的通用控制器选用计算机离线计算，PLC在线查表的方法实现模糊控制。把

复杂的模糊推理过程交给计算机离线完成，得到模糊控制器的总控制表。经过系

统在线反复调试、修改，最后以数据模块的形式存入PLC系统的内存中，由一个

查询该表的子程序管理。

3.2.1PLC模糊控制器结构

一般的二维模糊控制器选用受控变量和输入给定的偏差E和偏差变化率EC

作为输入量，因为他们能够比较严格的反映受控过程中的输入变量的动作特性，

因而在控制效果上要好于一维模糊控制器，同时也比:三维模糊控制器计算简单，

模糊控制规则容易理解。在实际应用上都广泛的采用二维模糊控制器，所以本

通用模糊控制器选用二维模糊控制器。输出变量选择为调节量的变化，输出方式

采用增量式输出，有利于系统偏差减少。PLC通用模糊控制器对输入输出变量这

样的选择同时也满足了绝大部分模糊控制系统的要求，具有良好的通用性。采用

通用模糊控制器组成的模糊控制系统的基本结构如图3-5:

图3-5通用模糊控制器结构图

3.2.2模糊控制器离线部分设计

3.2.2.1模糊控制器离线部分算法设计内容

PLC模糊控制器离线部分的算法设计主要包括以下内容:

1.选择模糊输入、输出变量的论域范围及模糊变量子集类型;

2.确定各模糊变量的隶属函数类型;

3.精确输入输出变量的模糊化:

4.制定模糊控制规则;

5.确定模糊推理算法;

6.模糊输出变量的去模糊化;

7.按所需的格式保存计算结果生成查询表。

3.2.2.2基于MATLAB模糊逻辑工具箱的设计

模糊控制器的设计可以通过专用的模糊逻辑开发工具，如美国国家半导体公

司的Neufuz4，德国hiform，公司的FuzzyTECH3.o等，但这些系统价格不菲。如果

通过自行编程完成模糊控制器的设计，则开发时间长，效果低且通用性差。而利

用MATLAB软件，结合其模糊逻辑工具箱，可以方便快速地实现模糊控制器的设

计与仿真。MATLAB仿真软件自1984年由美国MathWorks公司推出，它将数值分

析、矩阵计算、数据可视化及非线性动态系统等诸多强大功能集成在一个易于使

用的视窗环境中。同时MATLAB是一个开放的系统，针对不同的学科推出了不同

的工具箱，如控制系统工具箱、神经网络工具箱、优化工具箱及信号处理工具箱

和模糊逻辑工具箱等，大大扩展了其应用范围。

MATLAB模糊逻辑工具箱提供了两种方式来建立模糊逻辑控制系统，即命令

方式和图形用户界面(GUI)方式。两种方式都可以完成同样的功能，但显然后者更

加直观和方便，因而比较常用。模糊逻辑工具箱里，共有5个基本工具箱GUI工具

用于建立、编辑和观察模糊推理系统(FLS)，分别是模糊推理系统(FLS)编辑器、隶

属度函数编辑器、规则编辑器、规则观察器和曲面观察器。工具箱之间是动态链

接的，使用它们中的任意一个对FIS的修改将影响其他己打开的GUI中的显示结果。

1.模糊推理系统(或FIS)编辑器

FIS编辑器用于处理系统的高层属性，如输入输出变量的个数、名称等，该编

辑器是模糊推理系统的高级显示，用户可以在这里通过菜单调用其它编辑器。推

理系统可以采用Mamdani或Sugen两种类型。

2.隶属度函数编辑器

该编辑器提供了一个友好的人机交互环境，用来设计和修改模糊推理系统中

各语言变量对应的隶属度函数的相关参数，如隶属度函数的形状、范围以及论域

大小等。系统提供的隶属度函数形状有三角形、梯形、高斯形和钟形等，用户也

可自行定义。

图3-6隶属度函数编辑器

3.规则编辑器

该编辑器用于定义或修改系统行为的-系列“if..;then”的模糊控制规则。由该

控制器进行模糊控制器的设计非常方便，它将输入量的各语言变量自动匹配，设

计者只需通过交互式的图形环境选择相应的输出语言变量，大大简化了规则的设

计和修改。模糊规则的形式有三种，即语言型Verbose)、符号型(Simbolic)和索引

型(Indexed)，用户可自由选择。另外还可为每条规则选择权重，以便进行规则优化。

图3-7规则编辑器

4.规则观察器

规则观察器让你一次就可完全了解整个模糊推理的过程，它可以显示哪条规

则正在使用，或单独的隶属度函数的形状是怎样影响结果的，它以非常详细的方

式在任-时刻显示计算结果。

图3-8规则观察器

5.曲面观察器

曲面观察器可以显示系统的整个输出曲面，即基于整个输入集的变化范围的

整个输出集的变化范围。并可改变各轴对应的变量及观察的视角，以便对模糊推

理系统进行修改和优化。

图3-9 MATLAB曲面观察器

基于MATLAB模糊逻辑工具箱的设计，属于离线设计，大部分由用户来完成，

每-部分具体采用的方法也依据不同的需要而定。设计完成后，可以获得模糊控

制量查询表，保存成需要的格式供PLC在线查询使用。

3.2.3 STEp7实现模糊控制器设计

3.2.3.1模糊算法流程图

SIEMENSS7-300PLC的编程系统sTEP7提供了丰富的功能模块，为模糊控

制算法的实现提供了方便。为了简化程序编写量，提高程序的通用性并且方便调试，

PLC程序设计采用了模块化编程方法[34]。编程语言采用梯形图(LAD)和语句表

(sTL)结合的形式。模块化编程把复杂的模糊控制算法分成几个功能块，每个

功能块相当一个子程序，实现模糊算法的-部份。把庞大的模糊算法总流程图与

STEP7实现模糊算法的流程图做个比较，充分显示出了STEP7模块化编程的优势。

如图3-10为STEP7实现的模糊算法流程图，3-11为模糊算法流程图。

图3-10STEP7实现模糊算法流程图

图3-11模糊算法流程图

3.2.3.2模糊算法功能块

OBI为主程序模块，采用循环执行的方式实现对整个程序的总体控制、子程

序块的调用和数据的采集与传递。FBI被定义为模糊控制器模块，完成整个模糊

控制功能。它采用二维结构，由FCI~FC4四个子程序块组成。其中FCI完成e(液

位偏差)和ec(偏差变化率)的计算;FC2进行模糊化处理，即完成精确量e，ec

到模糊量E，EC的转换;FC3完成控制量表的查询功能;FC4完成模糊控制量U

到精确量u的转化，并输出u，输出方式采用增量式输出。FBI依次调用四个子模

块完成模糊控制各部分的功能，并实现他们之间的数据传递。FBI模糊控制器编

制完成后，保存在STEP7标准库中，其具有很强的灵活性和通用性，如同STEP7

中PID控制器(FB41)一样，方便调用。针对不同的被控变量，只要对FBI输入

输出端进行正确的组态即可对变量进行模糊控制。数据块DB2作为FBI的背景数

据块，存储量化因子Ke、Kec、Ku及变量的论域等参数。

整个程序设计的关键是模糊控制量表的查询部分，即FC3功能块。首先，将

离线设计得到的模糊控制量表存入数据块DB中，DB块号由用户任意定义，缺省

值为DBI，存入方法是将U的值按照表格由上到下，由左到右的顺序依次置入数

据块DBI中。DBI数据块的内存是动态可调的，可以随着控制量表的大小而改变。

数据类型为DWORD型，可以存储整型数或浮点数。首地址为DBD0，依次为

DBD4、DBW8、……(由u的个数(2N+1)2决定).。采用指针寻址的查表方法，

为了简化设计，将输入模糊论域的元素【-N，……，+N」转化为[0，......，2N]。控制

量的基址为0，偏移地址为4X((2N+l)xEC+E)，因此，由EC和E可以确定控制

量的绝对地址0+4X((2N+1)XEC+E)。通过指针变量获得地址中存储的U的模糊

值。部分程序如下:

//计算绝对地址，存放在Temp变量q4中//

L P#0.0//利用指针寻址//

L #q4

SLD 3

+D

T #PI

L DBD[#PI]

T MDIO //将控制量U的值存入MDIO//

为了比较直观的表达FBI模糊控制器的功能，给出其输入输出端参数列表3-1:

表3-1FBI模糊控制器输入输出端参数列表

Inut Par

Date Type

Default

Description

FFuzzy-on

BOOL

TURE

启动模糊控制器器

Man_on

BOOL

FALSE

手动模式

DB_NO

BLOCK_DB

DB2

存储控制量表的数据块

N

WORD

6

模糊论域量化等级

PV

REAL

0.0

测量值输入端

SP

REAL

0.0

给定值

Ke

REAL

0.0

偏差的量化因子

Kec

REAL

0.0

偏差变化率的量化因子

Ku

REAL

0.0

控制量的比例因子

HLM_e

REAL

0.0

偏差上限值

LLM_e

REAL

0.0

偏差下限值

HLM_ec

REAL

0.0

偏差变化率上限值

LLM_ec

REAL

0.0

偏差变化率下限值

HLM_u

REAL

0.0

控制量的上限值

LLM_u

REAL

0.0

控制量的下限值

Uutput Par

e

REAL

0.0

测量值的偏差

ec

REAL

0.0

测量值的偏差变化率

E

WORD

0

偏差的模糊值

EC

WORD

0

U

WORD

0

u

REAL

0.0

4 PLC模糊控制器的仿真验证

4.1，仿真系统的建立

STEP7软件的程序库中，提供了一个过程对象的仿真模块FB100，它能仿真

挤压机、喷射成型机、退火系统、独立熔炉等加热过程，这类工业对象大都具有

非线性，大滞后的特点，采用常规PID控制，效果一般不太理想。因此选用设计

的PLC模糊控制器进行控制系统仿真，以提高控制效果。利用FBI模糊控制器构

成仿真控制系统，系统结构如图3-12:

图3-12模糊控制仿真系统结构

利用MATLAB进行模糊系统的设计:

1.模糊控制器的变量

PLC模糊控制器为二维结构，因此输入变量选为温度偏差e和偏差变化率ec。

输出模糊变量为加热装置的电流变化量u。在FLS编辑器中，首先产生两个输入模

糊变量E和EC，一个输出模糊变量U。

2.模糊化

在隶属函数编辑器中定义每个模糊变量的隶属度函数，通常选择为高斯函数，

并确定相应的论域。基于对现场数据的分析以及加热过程的控制经验，E、EC的

论域设计为[-6，-5，……，+5，+6]，U的论域为【-7，……，+7】，均为7个档级困【NB，

NM，NS，0，PS，PID，PB]o

3.模糊控制规则表

在规则编辑器中输入49条规则。控制规则采用基于lF-THEN(条件-结果)

的产生式规则，如:if E=NB and EC=NB then U=PB。它结构简单易于修改。

由控制经验，得出控制规则表如表3-2

表3-2控制规则表

NB

NM

NS

0

PS

PID

PB

NB

PB

PB

PID

PID

PS

0

0

NM

PB

PB

PID

PID

PS

0

0

NS

PB

PB

PID

PS

0

NM

NM

0

PB

PB

PS

0

NS

NB

NB

PS

PID

PID

0

NS

NM

NB

NB

PID

0

0

NS

NM

NM

NB

NB

PB

0

0

NS

NM

NM

NB

NB

4.模糊推理与清晰化

推理方法选择最大最小法，在FLS编辑器中，选择Ad(模糊交)为min，

Implication(蕴涵)为min，Aggregation(聚类输出)为max，以及Defuzzification(反

模糊化方法)为mom，即最大隶属度法。

至此，模糊推理系统已经建立完毕，可在曲面观测器中得到模糊推理输出曲

面，由于输出曲面不能在PLC中直接使用，须利用evalfis函数将其转换成模糊控

制查询表，以方便PLC使用。最后获得模糊控制量查询表如表3-3所示。

表3-3模糊控制量查询表

U

-6

-5

-4

-3

-2

-1

0

1

2

3

4

5

6

-6

7

-5

-4

-3

-2

-1

0

1

2

3

4

5

6

3.2.4.2仿真结果验证

利用PLC-SIM软件，结合STEP7的在线控制曲线输出功能，验证模糊控制器

的控制效果，并与PID控制作比较。

图3一13PD控制效果

(P=1.641=22.72sD=5.975给定值=50%)

图3-14模糊控制效果

(Ke=0.6Kec=0.6K卜7给定值二:50%)

与PID控制比较而言，模糊控制，整定时间缩短，超调量缩小，控制稳定。

第四章PLC预测控制器的研究与实现

预测控制是在70年代后期发展起来的-类基于模型的闭环优化控制算法，它

的产生，并不是理论发展的需要，而首先是工业实践向控制提出的挑战。从70年

代开始，预测控制作为一种新型的计算机控制算法引起了人们的广泛关注。1978

年形chalet等人描述了模型预测启发控制(Model predictive Heustio Control，简称

为MPHe)或称模型算法控制(Model Algorithmic Control，简称为MAC)，以

及Cutler等提出的建立在阶跃响应基础上的动态矩阵控制(Dynamic Matrix Control，

简称DMC)。80年代初期出现了预测控制的另一分支--—广义预测控制

(Generalized predictive Conitrol，简称为GPC)，它是在自适应控制的研究中发展

起来的。这是因为包括最小方差控制、广义最小方差控制都不能保证闭环系统的

稳定性，并且他们对模型失配非常敏感。为了克服这个缺陷，许多学者提出了新

的自适应控制算法:扩展控制自适应控制、广义预测控制等算法。此外，预测控

制还有一些较为独立的分支，80年代，Moreri等从结构设计的内模控制(Intrnal

Model control，简称为IMC);Richalet等提出了将输入结构化设计的预测函数

控制(predietive Functional Control，简称PFC)〔4，]等等。

近年来，国内外对预测控制的研究和应用日趋广泛和深入，有许多预测控制

方面的综述和著作发表，并有很多在工程上的应用实例。预测控制算法的实现目

前依然基于PC机上，通过专用预测软件包完成。随着计算机技术的发展，PLC的

功能越来越强大，这给预测控制的实现方式提供了新的平台。本章在对预测算法

研究的基础上，选取广义预测算法，并结合PLC的特点，提出了基于PLC的单值广

义预测控制的实现方法，力图在PLC预测控制器的研究领域中起到一个启发式作

用。

4.1广义预测控制算法

最常用的预测控制算法有三种:模型算法控制(MAC)、广义预测控制(GPC)、动

态矩阵控制(DMC)三种算法各有其特点:

MAC算法:适用于渐近稳定的线性对象，以脉冲响应为模型向量。在一般的性能

指标下会出现静差。

DMC算法:同样适用于渐近稳定的线性对象，但它是以阶跃响应作为模型向量。

在控制中包含了数字积分环节，因而即使在模型失配的情况下，也能获得无静差

的控制，这是DMC算法的显著优越之处。

GPC算法:从自校正控制发展起来，融合了自校正控制和预测控制的优点，其反

馈校正通过模型的在线辨识和控制律的在线修正以自校正的方式实现，但对于多

变量系统，算法实施较困难。

各类模型预测控制算法虽然在模型、控制和性能上存在许多差异，但其核心

都是基于滚动时域原理，即包含了预测模型、滚动优化和反馈校正三个基本原理。

广义预测控制(GPC)是在自适应控制的研究中发展起来的-类预测控制算法.

在过程控制领域，人们曾先后提出各种自校正控制新算法，但它们对数学模型的

精度都有一定的要求。有些算法对滞后十分敏感，如果滞后估计不准或是时变的，

控制精度将大大降低，另一些算法则对系统的阶次十分敏感，一旦阶次估计不准，

算法就会失效。这种对模型精度的依赖性，使它们在难以建立精确模型的复杂工

业过程控制中不能得到广泛有效应用。于是，寻求一种对数学模型要求较低且鲁

棒性又较强的自适应控制算法就成为控制领域内富有挑战性的课题之一。正是在

这种背景下，1984年，Clark在最小方差自校正控制的基础上，吸取了DMC、MAC

中的多步预测优化策略，提出了基于参数模型的广义预测控(GPC)，由于GPC在自

校正控制基础上，在优化中引入了多步预测思想，其抗负载扰动、随机噪声、时

延变化等能力显著提高，并且具有较强的鲁棒性，不仅适用于开环不稳定系统、

最小相位系统，而且对未知时延或阶次未知的过程，在模型失真时也能取得较好

的控制效果。又由于采用传统的参数模型，参数数目较少，对于过程参数慢时变

系统，易于在线估计参数，实现自适应控制。因而近年来，这一算法受到学术界

和工程界的广泛注意和重视。理论分析和工业应用都表明GPC算法的综合性能明

显优于其它形式的自适应控制算法。

4.1.1单值广义预测控制

由于广义预测是将预测控制与自校正控制结合起来，所以具有较强的鲁棒性。

但由于算法的复杂性，需要整定的参数较多，且在线计算时间较长，为算法在现

场的工程实际应用增加了复杂性，也不易满足诸如电器传动这类快速系统的控制

要求。针对这一情况，给出一种需要调整参数少、在线计算时间短的单值广义预

测控制算法。单值预测控制给出了一种简单实用的预测控制算法，而且使控制

系统的分析和设计大为简化，计算时间大大缩短，可适用于PLC类控制采样周期

较短的快速动态过程系统。它是从未来P步预测输出qm中，选择第P步预测值参

与计算最优控制律，并设定未来P步中，控制量u仅有一步的变化;从p（t-1)到P(t)，

而其他步(t+l)、……(t+p)保持不变，即控制步长M=1。实践证明单值预测控制保

持了预测控制的性能，同时具有计算量小，响应迅速的优点。

4.1.2单值广义预测控制律计算

被控对象的数学模型采用下列具有随机阶跃扰动非平稳噪声的离散差分方程

描述:

引入Diophantine方程:

显然上式右边前两项与第三项不相关，如将前两项看成最优预测，则第三项

即预测误差，所以式(4.5)可写成

y(k+j)=yp(k+j/k)+Rj(Z-1)ɛ(k+j) (4-5)

所以，j步导前最优输出预测为

若不考虑模型估计误差的影响，即认为

这时有则模型估计参数即为系统真实参数。

通过广义预测的递推法将上式转化为预测部分和己知部分

预测时域长度取j=P一步，控制时域长度取M=1，即有

(4-7)式改写为

单值GPC最优控制律可通过下列的加权二次型性能指标求得

将(4.8)代入式(4.9)，并对△u(k)求导，化简后得

对于单值广义预测控制，通常取q=l且λ=O，则式子(4-10)可写成

式子中△u（k)为控制量变化量

y(k)为k时刻采样值

yr(k+P)为设定值

从最后推导出的公式中可以分析出欲求结论，主要需要求Sj(z-1)和GJ(Z-1).

根据Diophantine方程可求出sj(z-，)和GJ(Z-1)的递推解:

l·Sj(Z-1)的系数:

初值由J=l时的DioPhantine方程解出:

其它系数递推公式:

4.2 PLC单值广义预测控制器的设计与实现

4.2.1单值广义预测算法的实现步骤

由上面的分析，我们可以将单值GPC算法的实现归纳为以下步骤:

1.估计模型参数，确定A(Z-1)、B(z-1)和C(Z-1)。若为离线辩识，该步可省略。

2·递推求解Diophantine方程，即多项式系数

4.计算本次控制输入u(k)=u(k-1)+△u(k)，并返回计算步骤3，若模型参数为在线辨

则返回步骤2。

4.2.2单值广义预测控制器的设计

PLC单值广义预测控制器设计为通用型控制器，预测模型阶次可变，预测时

域可变，这大大提高了控制器的灵活性和通用性。控制器的设计依然采用模块化

结构，编程语言采用梯形图(LAD)和语句表(STL)结合的形式。整个控制器设

计成一个FB功能块，定义为FB10。FB10由四个FC功能块组成。FCI完成

Diophantine方程的递推求解过程，FC2根据选择的j=p一步，计算Sp(Z-1)和Fp(Z-1)，

FC3完成差分多项式计算过程，FC4完成最后控制律的计算，即

u(k)=u(k-l)+△u(k)。FB10通过调用四个子程序，实现他们之间的数据传递，

从而实现单值广义预测控制算法。STEP7单值广义预测算法流程图4-1所示:

图4-1STEP7单值广义预测算法流程图

程序的难点是Diophantine方程的递推求解过程。FCI的功能是求解

DioPhantine。方程中的Sj(Z-1)j(Z-1)，依据递推公式，采用二维数组存放多项

式的系数，利用循环嵌套方法完成。FCI求解Sj(Z-1)多项式系数的流程图如图4-2。

同理，可以求解j(Z-1)的系数。FC2依据预测时域P，确定SP(Z-1)和F(Z-1)

FC3进行差分多项式计算，主要采用循环语句，所有系数均以数组元素形式存储。

算法流程图如图4-3。

图4-3Fc3算法流程图

预测控制器FB10有11个输入端，2个输出端。输入端GPC_ON为控制器的

启动状态;PV为测量值输入;SP为被控变量的给定值;A、B为对象的数学模型

的系数，数据类型为数组型;Ni为预测时域，即预测步数;na，nb分别为A、B的阶次;d为模型纯滞后时间;HLM_u和LLM_-u分别为控制量上下限限幅值;u

为控制量的输出;e为测量值的偏差。图4-4为预测控制器输入输出变量声明及控

制器外观结构。

图4-预测控制器输入输出变量声明

4.3单值广义预测控制器的仿真验证

热工过程对象具有大惯性、大时滞、时变和非线性等动态特性，就其控制而

言，难以建立起精确的数学模型，使得建立在精确被控对象数学模型基础上的常

规PID控制和现代控制算法不能取得预期的控制效果。因此，本节选取一个热力站

换热机组为研究对象，依据它的数学模型，采用作者设计的单值广义预测控制

器，构成预测控制系统，利用STEP7和PLCSIM仿真软件，对其进行仿真，并与PID

控制对比，验证单值广义预测控制器的有效性和实用性。

4.3.1仿真模型的建立

某换热机组其动态特性由如下传递函数表示[45〕:

将其离散化后得差分方程:

此二阶对象模型易于在PLC上实现，编程为一个FB功能块，便于调用。仿真系统

结构框图如下:

图4-5单值广义预测控制仿真系统

根据对象模型，预测控制器的参数设置如下:

PID控制器参数设置如下:

根据系统的数学模型，利用Z-N PID参数整定公式可得:KP=5.67;Ti=170s;

Td=42.5s

4.3.2仿真结果分析比较

采用PID控制器控制时，仿真曲线如下图4-6示:

图4-6PID控制效果图

曲线1为给定值，曲线2为过程对象输出值。由仿真实验曲线及实验数据可

得，PID系统的被调参数的最大偏差A=9.8℃;超调量B=10.3%;稳态误差C=-1.1℃;

调节时间ts=8005s，满足工艺要求95士2℃。

采用单值广义预测控制器进行控制后，仿真曲线如图:

图4-7单值广义预测控制效果图

单值广义预测控制系统被调参数的最大偏差A=4℃;超调量B=4.2%;稳态误

差C=0.2℃;调节时间ts=300s。满足工艺要求95土2℃，调节品质较佳，鲁棒性好。

第五章基于PLC的空调性能检测实验室计算机控制系统

随着国民经济的迅速发展和人民生活水平的不断提高，越来越多的宾馆、饭

店、写字楼、体育馆等大、中型建筑物采用中央空调机组进行室内空气品质的调

节。中央空调的需求量与日俱增，因此也为国内的空调厂家提供了广泛的市场。

同时，空调品质和性能的检验也开始趋于标准化。以前，空调生产商必须把所生

产的各种机组送到国家质检中心来进行资格认定，以至于浪费了很大的财力和物

力。针对这种情况，越来越多的生产商开始注重检测实验室的开发，依据国家空

调检测中心对产品的抽查和验收标准，建立自己的空调性能检测实验室，大大提

高了生产效率和产品质量。

研究生学习期间，作者参与了某空调厂商空调性能检测实验室的计算机控制

系统的设计与开发。上位机采用组态王监控系统对现场情况进行实时检测，集中

管理，下位机采用S7-300PLC及智能仪表相结合的形式。

5.1工艺流程与控制方案

5.1.1工艺过程简述

本实验室使用空气焓差法来测试空调的制冷能力和制热能力，并可进行包括

非稳态制热在内的各项性能试验，同时也可对风机性能进行测试。工艺系统图如

图5-1所示。

图5-l空调性能检测实验室工艺流程图

1.实验室主要技术指标和工艺要求:

(l)被测机形式:窗体、分体机、柜机、吊顶机、嵌入机

(2)可测试冷热量范围:250OW-1500OW

(3)风量测试范围:室内侧300—2500m’/h，室外侧800—4500m3/h

(4)温湿度调解范围:

室内干球温度15-35℃士0.2℃

室内湿球温度10-30℃士0.2℃

室外干球温度-10-55℃土0.2℃

室外湿球温度-11-35℃士0.2℃

(5)被测机电源形式:单相90-260V，三相230~430V50Hz或60Hz

(6)控制方式:工况参数采用自动控制，数据由计算机自动采集处理，自动生成

实验报告

(7)整个系统能够完成以下测试项目:

名义工况下对制冷量、热泵制热量和消耗功率等技术参数进行测试试验;

最大(小)运行工况制冷试验;

热泵最大(小)运行工况制热试验;

低温试验;凝露试验;除霜试验;

凝结水排除能力试验;

(8)风量测试重复性误差≤2%，被测机组制冷(热)量测试重复性误差≤2%，与

标准机的偏差≤2%。

2.系统参数

模拟量:入口干球温度、入口湿球温度、出口干球温度、出口湿球温度、入口

水温、出口水温、热水箱温度、喷嘴压差、水阻、大/小流量电磁流量计

开关量:辅助风机、预处理风机、l#取样风机、2#取样风机、l#冷水泵、

2#冷水泵、热水泵、水路1，2组加热器、水箱1，2，3组加热器。

5.1.2控制要求

(l)上位机实时监测各个检测点的参数值及系统各个设备的运行状态，同时能对

下位机参数进行在线修改，对现场设备发出控制信号。

(2)在计算机和智能控制器上均能实现手动/自动两种控制方式的切换。

（3）为保证系统的安全可靠运行，加热器和水系统实施连锁控制。

（4）预处理风机和取样风机实施连锁控制。

5.1.3控制方案设计.

(l)根据系统要求，对于模拟量:喷嘴压差、入口干球温度、入口湿球温度、入

口水温、出口水温、热水箱温度选用智能仪表进行PID控制;其余模拟量和

开关量由PLC进行控制。

(2)整个系统实现由上位机集中监测和控制。通过PLC、智能仪表等现场设备与

上位机的通讯，实现各个参数、设备状态的在线监测、修改或控制。

(3)为了保证系统安全运行，设计PLC控制和现场操作柜按钮控制两种不同方

式，通过转换开关进行切换。如果PLC出现故障，可进行按钮手动控制，保

障系统正常运行。

5.2控制系统结构及配置

根据系统特点，下位机采用西门子S7-300PLC，CPU选择为CPU-312新型，

它比较适用于处理速度中等要求的小规模应用，16KB主存储器，24VCD电源，

MPI接口，传输速率187.SKbPs。模拟量输入模块为Al-331，输出模块为AO-332

模块。数字量输入模块为DI-321，输出模块DO-322。6块导电智能仪表做回路PID

控制。上位机采用亚控公司Kingview监控软件。KingView具有中文界面、功能

丰富，应用于中央空调的实验室集散控制系统。上位机与PLC通讯方式采用MPI

方式，因此上位机需配置-块CP5611卡。上位机与智能仪表通讯采用RS485协议。

控制系统结构如图5-2。

图5-2计算机控制系统结构图

5.3监控系统组态设计

监控管理画面主要由登陆模块、设备管理模块、事件纪录模块、历史记录模

块、参数模块等构成。实现的功能有:1、温度和压力数据及设备状态的实时采集、

显示和保存功能，并有对操作设备的控制功能;2、报警功能，能及时反映设备故

障和工艺参数的超限报警，当出现报警信号时，操作人员可以做出最快的反应和

处理;3、为了对变量的变化状况进行全面的了解和分析，还有对历史数据的查询

功能，同时用曲线图和表格来表示;4、为反映-段时间内变量的变化情况，还要

有数据的统计和报表的现实和打印功能。其结构如图5-3。

系统组态画面主要有:实验室总貌图，空气机组控制系统图，水箱组控制系

统图，变量监控实时曲线图，报警记录，历史数据报表，冷/热工况实时计算报表。

其中计算报表中的计算程序，采用组态王中的C脚本语言实现。

图5-4空调检测实验室总貌图

图5-5系统开关图

5.4 S7-300PLC控制系统设计

西门子S7-300PLC采用STEP7软件进行组态与编程。设计步骤如下图所示:

如果要生成一个使用多输入和输出的综合程序，则一般应先组态硬件，.这样

STEP7可在硬件组态编辑器中显示可能的地址。否则需要自己决定每一个地址，

STEP7不会自动调入这些地址，在组态硬件时，可以定义地址还可以修改模极阴

参数和特性。

5.4.1硬件系统组态

在STEP7软件中的硬件组态管理器中，按照实际要求对PLC的硬件模块进行

组态和参数设置，对于模块的地址，采用系统默认的地址。如图5-7。

硬件组态完成后，可以根据各个模块的地址给出FO点的地址表。

表5.1PLCI/o地址表

PLC地址

DB块地址

设备名称

设备号

I0.0

DB1.DBX0.0

预处理风机报警

2K2

I0.1

DB1.DBX0.1

预处理风机状态

2KM2

I0.2

DB1.DBX0.2

第一组加热器状态

2KM2

I0.3

DB1.DBX0.3

第二组加热器状态

2KM4

I0.4

DB1.DBX0.4

1#取样风机状态

2KM6

I0.5

DB1.DBX0.5

2#取样风机状态

2KM7

I0.6

DB1.DBX0.6

1#冷水泵状态

3KM1

I0.7

DB1.DBX0.7

2#冷水泵状态

3KM2

I1.0

DB1.DBX1.0

热水泵状态

3KM5

I1.1

DB1.DBX1.1

水路第二组加热器状态

3KM4

I1.2

DB1.DBX1.2

水箱第一组加热器状态

3KM6

I1.3

DB1.DBX1.3

水箱第二组加热器状态

3KM7

I1.4

DB1.DBX1.4

水箱第三组加热器状态

3KM8

I1.5

DB1.DBX1.5

1#冷水泵报警

3K1

I1.6

DB1.DBX1.6

2#冷水泵报警

3K2

I1.7

DB1.DBX1.7

热水泵报警

3K5

Q4.0

DB1.DBX2.0

辅助风机启停

DDC201

Q4.1

DB1.DBX2.1

预处理风机启停

DDC202

Q4.2

DB1.DBX2.2

第一组加热器启停

DDC203

Q4.3

DB1.DBX2.3

第二组加热器启停

DDC204

Q4.4

DB1.DBX2.4

第三组加热器启停

DDC205

Q4.5

DB1.DBX2.5

蒸气加湿器电磁阀（预处理机组）

DDC206

Q4.6

DB1.DBX2.6

1#取样风机启停

DDC207

Q4.7

DB1.DBX2.7

2#取样风机启停

DDC208

Q5.0

DB1.DBX3.0

1#冷水泵启停

DDC301

Q5.1

DB1.DBX3.1

2#冷水泵启停

DDC302

Q5.2

DB1.DBX3.2

热水泵启停

DDC303

Q5.3

DB1.DBX3.3

水路第一组加热器启停

DDC304

Q5.4

DB1.DBX3.4

水路第二组加热器启停

DDC305

Q5.5

DB1.DBX3.5

水箱第一组加热器启停

DDC306

Q5.6

DB1.DBX3.6

水箱第二组加热器启停

DDC307

Q5.7

DB1.DBX3.7

水箱第三组加热器启停

DDC308

Q8.0

DB1.DBX4.0

水箱第四组加热器启停

DDC309

PIW304

DB2.DBD0

出口干球温度

PIW308

DB2.DBD4

出口湿球温度

PIW312

DB2.DBD8

被实验机组压差

PIW314

DB2.DBD12

水阻

PIW316

DB2.DBD16

大流量电磁流量计

PIW318

DB2.DBD20

小流量电磁流量计

PQW320

DB2.DBD24

风阀执行器

PQW322

DB2.DBD28

预留电动调节阀

.

5.4.2 PLC控制程序设计

PLC程序设计采用模块化编程方法，结构清晰，运用灵活。应用了组织块OB，

数据块DB，功能块FB。

组织块OB1作为主程序块，用于实现数据的采集和输出，整个程序的流程控

制。所有开关量的控制以及连锁顺序控制在OB1中实现。调用组织块OB35，设

置中断时间间隔，实现模拟量的PID控制，PID算法采用程序库中FB41功能块实

现，DB41作为其背景数据块。开关量和模拟量放在2个不同的数据块中，即DBI

和DBZ。部分程序如下所示:

L PIW 304

T DB2.DBD O

L PIW 308

T DB2.DBD 4

L PIW 312

T DB2.DBD 8

L PIW 314

T DB2.DBD 12

该试验平台经过调试运行，状态良好，达到预期的控制要求。该系统使实验

室分散的设备能协调统-管理，大大提高了操作员的工作效率。该系统结构合理，

投资成本低，是一个性价比较高的控制系统。

第六章结束语

随着工业生产过程的发展，控制对象越来越复杂，大量存在高度非线性、时

变性、大滞后和不确定性等问题，使得传统控制方法难以满足要求。作为当今主

流控制装置的PLC也因此而面临挑战。随着计算机技术的飞速发展，PLC呈现出

强大的功能，高速的计算、通讯能力使其能完成比较复杂的算法，这给先进控制

策略与PLC结合开辟了一条可行之路。把先进控制嵌入PLC中，是PLC今后发

展的一个重要的方向。

本课题对先进控制各种算法进行分析比较，根据他们自身的优缺点以及适用

范围，选择了适合PLC实现的模糊控制和单值广义预.测算法。采用西门子S7-300

PLC及其开发工具STEP7软件，在对STEP7进行二次开发的基础上设计出PLC

模糊控制器和PLC单值广义预测预测控制器。同时，将STEP7、PLCSIM、MATLAB

软件相结合，给出了基于S7-300PLC的先进控制系统设计，分析，仿真和调试方

法。

在课题的研究过程中，作者总结了以下几点收获与体会:

1.通过对先进控制各种算法的分析比较，对先进控制理论有了进一步认识，从中

学到了不少解决问题的方法，理解了传统控制方法与先进控制方法的区别。

2.基于PLC实现先进控制与基于PC实现先进控制相比较，最重要的一个优势在

于PLC实现先进控制不需要通讯协议，而基于PC二实现先进控制，在系统设计

和运行之前必须正确的配置PC与PLC之间的通讯协议，因此可以降低系统得

开发时间。其次，在系统运行时，在下位机上完成先进控制算法比在上位机完

成更具有实时性。在可靠性方面，由于基于PC实现先进控制，现场的数据和

信号要经过通讯传给上位机，这难免会出现数据的丢失和信号的误差，从而使

系统的控制精度下降，而基于PLC实现先进控制避免了这类现象的发生。

3.西门子S7-300PLC功能强、处理速度快、模块化结构易于扩展，被广泛的应

用于自动化控制系统中;其相应开发软件STEP7采用模块化编程方法，提供多

种编程语言，丰富的功能模块，能实现较为复杂的功能和算法。因此二者结合

起来，为先进控制的设计与开发提供了很好的软硬件平台。

4.PLC模糊控制器采用MIALAB离线设计和PLC在线查表的方法，把复杂的模

糊推理过程交给计算机离线完成，得到模糊控制量查询表供PLC在线调用。此

方法将复杂琐碎的模糊控制系统的开发工作变得简单明了，大大缩短了开发周

期，同时也提高的PLC控制的实时性，是目前被广泛采用且效果良好的PLC

模糊控制器的设计方法。

5.PLC单值广义预测控制器采用简单实用的单值广义预测控制算法，它需要调整

参数少、在线计算时间短，可适用于PLC类控制采样周期较短的快速动态过程

系统。仿真结果表明:PLC单值广义预测控制器保持了预测控制的性能，控制

效果较PID控制有很大改善，同时具有计算量小，响应迅速的优点。

课题的研究已经取得了阶段性的成果，在此基础上可以进一步研究与探讨，

今后的工作可以从如下几个方面开展:

1.尽快建立样板工程，把己经取得的研究成果应用到工程实际过程中，通过实践

检验，发现问题以便不断改进和提高。

2.PLC预测控制器目前只应用了简单的单值广义预测算法，有其自身的局限性，

如控制精度不高。目前，应用较为成熟的是MPC算法，因此可以把PLC-MPC

控制器作为今后研究的一个重点。

3.对于PLC模糊控制器的改进，主要是在算法上，为了提高控制效果，单纯的模

糊算法是不足的，改进型模糊算法如模糊PID可以改善控制器性能，因此可以

开发PLC模糊PID控制器。

4.进一步挖掘STEP7软件的功能，开发过程对象仿真模块，给出基于PLC建立

仿真系统的方法和步骤，为工业实阮应用缩短调试时间，保证系统的可靠性。

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