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机器人控制系统设计论文

1OPC技术

OPC作为微软公司的对象链接和嵌入技术应用于过程控制领域,为工业自动化软件面向对象的开发提供一项统一的标准,解决了应用软件与各种设备驱动程序之间的通信问题。它把硬件厂商和应用软件开发商分离开来,为基于Windows的应用程序和现场过程控制应用建立了桥梁,大大提高了双方的工作效率。应用程序与OPC服务器之间必须有OPC接口,OPC规范提供了两套标准接口:Custom标准接口和OLE自动化标准接口,通常在系统设计中采用OLE自动化标准接口。OLE自动化标准接口定义了以下3层接口,依次呈包含关系。OPCServer(服务器):OPC启动服务器,获得其他对象和服务的起始类,并用于返回OPCGroup类对象。OPCGroup(组):存储由若干OPCItem组成的Group信息,并返回OPCItem类对象。OPCItem(数据项):存储具体Item的定义、数据值、状态值等信息。3层接口的层次关系如图2所示。

2菇棚温度控制系统的设计

2.1菇棚的温度控制原理

宁夏南部山区杏鲍菇生产基地采用大棚式培养方式,作为对杏鲍菇生长起最重要影响的因素,温度显得尤为重要[8]。菇棚温度采用自动记录仪对温度进行检测,利用空调对菇棚温度进行调节。由于温度控制系统具有大时变、非线性、滞后性等特点,采用模糊控制非常合适[9-10]。本文对菇棚的温度进行了控制设计,最终采用模糊PID控制方案,达到对温度的实时控制,从而将出菇阶段的温度控制在14~17℃的范围之内。菇棚温度控制系统的原理如图3所示。图3中,虚线框内的部分在工业控制环境中大多由PLC等控制设备完成,而这些设备很难实现模糊PID的控制功能。因此,将虚线框部分在Simulink中实现,把在Simulink中创建的模糊PID控制器直接应用到现场设备中。菇棚实时温度控制系统原理图如图4所示。图4中,该系统以PCACCESS软件作为OPC服务器,用MATLAB/OPC工具箱中的OPCWrite模块和OPCRead模块与Simulink进行数据交换。传感变送装置检测温度后将电信号传送给S7-200PLC的模拟量输入模块EM231,经过A/D转换后得出温度值;PCACCESS软件从PLC中读取温度值,通过OPCRead模块传送给Simulink;在Simulink中与设定的温度值进行比较后,进行模糊PID计算,将结果通过OPCWrite模块传送给PCACCESS软件,经PCACCESS软件写入到PLC中,计算分析得出数字量,输出到模拟量输出模块EM232,经D/A转换为电信号送给温控装置(空调),实现对菇棚温度的模糊PID控制。

2.2模糊PID控制系统

2.2.1模糊PID控制器的设计菇棚的温度控制系统是一个复杂的非线性系统,很难建立精确的数学模型,而常规的PID控制则需建立被控对象的精确数学模型,对被控过程的适应性差,算法得不到满意的控制效果。单纯使用模糊控制时,控制精度不高、自适应能力有限,可能存在稳态误差,引起振荡[11-12]。因此,本文针对PID控制和模糊控制的各自特点,将两者结合起来,设计了模糊PID控制器,可以利用模糊控制规则对PID参数进行在线修改,从而实现对菇棚温度的实时控制,将出菇阶段的温度控制在14~17℃的范围之内。基于上述分析,将菇棚温度作为研究对象,E、EC作为模糊控制器的输入,其中E为设定温度值与实际温度值的差值。PID控制器的3个参数KP、KI、KD作为输出。设输入变量E、EC和输出变量的KP、KI、KD语言值的模糊子集均为{NB,NM,NS,ZO,PS,PM,PB}={负大,负中,负小,零,正小,正中,正大},误差E和误差变化率EC的论域为{-30,-20,-10,0,10,20,30},KP的论域为{-0.3,-0.2,-0.1,0,0.1,0.2,0.3},KI的论域为{-0.06,-0.04,-0.02,0,0.02,0.04,0.06},KD的论域为{-3,-2,-1,0,1,2,3}。为了论域的覆盖率和调整方便,均采用三角形隶属函数。根据对系统运行的分析和工程设计人员的技术知识和实际操作经验,得出KP、KI、KD的模糊控制规则表,如表1所示。利用Simulink工具箱,建立系统的模糊PID控制器的模型,如图5所示。2.2.2系统的仿真菇棚温度的传递函数采用G(s)=e-τsαs+k。其中,α为惯性环节时间常数,α=10.3s/℃;k=0.023;τ=10s,为纯滞后时间。设定菇棚温度值为15℃,常规PID控制器的仿真结果如图6所示,模糊PID控制器的仿真结果如图7所示。结果表明,菇棚温度控制系统采用模糊PID控制器具有超调小、抗干扰能力强等特点,能较好地满足系统的要求。

3Simulink与S7-200PLC数据交换的实现

PCACCESS软件是专用于S7-200PLC的OPC服务器软件,它向作为客户机的MATLAB/OPC客户端提供数据信息。在菇棚温度控制系统中,模糊PID控制器的输出值和反馈值就是Simulink与S7-200PLC进行交换的数据。实现数据交换的具体步骤如下:1)打开软件PCACCESSV1.0SP4,在“MicroWin(USB)”下,单击右键设置“PC/PG”接口,本文选用“PC/PPI(cable)”。然后,右键单击“MicroWin(USB)”进入“新PLC”,添加监控S7-200PLC,本文默认名称为“NewPLC”。右键单击所添加的新PLC的名称,进入“NewItem”添加变量,本文为输出值“wendu1”和反馈值“wendu2”,设置完成,如图8所示。PCACCESS软件自带OPC客户测试端,客户可以将创建的条目拖入测设中心进行测试,观察通信质量,如图9所示。测试后的通信质量为“好”。2)打开MATLAB,在工作空间输入命令“opctool”后,将弹出OPCTool工具箱的窗口,在该窗口的MAT-LABOPCClients对话框下单击右键,进入“AddClient”添加客户端,用户名默认“localhost”,ServerID选择“S7200.OPCServer”;与PCACCESS软件连接成功后,在“S7200.OPCServer”中添加组和项,把在PCACCESS软件中创建的两个变量“wendu1”和“wendu2”添加到项中,操作完成后结果如图10所示。3)新建Simulink文件,导入模糊PID控制器模型,调用OPCWrite模块、OPCRead模块和OPCConfigura-tion模块,设置OPCWrite模块和OPCRead模块的属性,把OPC工作组中的变量“wendu1”添加到OPCWrite模块中,把变量“wendu2”添加到OPCRead模块中,设置完成后两个模块与控制器相连,如图11所示。这样,基于Simulink和S7-200PLC的模糊PID实时温度控制系统的设计就完成了。

4结论

针对工业现场中PLC难以实现复杂控制算法这一问题,采用OPC技术将Simulink与PLC连接实现数据交换,解决了Simulink仅用于数字仿真的缺点,完成了对宁夏南部山区杏鲍菇菇棚温度控制系统的设计。仿真结果表明,采用模糊PID控制器较常规PID控制器具有更好的动态适应性和良好的抗干扰能力,对温度的控制效果更好,设计方案可行。虽然PLC在工业控制中应用广泛、可靠性强,但是由于自身编程语言的限制,难以实现诸如模糊控制、神经网络控制、遗传算法等复杂的智能算法,而MATLAB拥有强大的运算功能和丰富的工具箱,能仿真实现各类算法。因此,采用OPC技术将二者结合,能将复杂的算法直接应用到现场PLC中,具有良好的实用性。

作者:张新敏 康烨 朱学军 单位:宁夏大学 机械工程学院


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