组态软件中控制算法的研究应用

1、组态软件中控制算法的研究应用摘要：组态软件以其系统高适配率、高可靠性、短开发周期及低研发经费等优点，正逐渐广泛 应用于工控系统的各个领域。本文以研究更方便、能更好应用于实际控制中的控制算法模块为出发 点，针对工程实际应川情况，讨论了 ptd控制及模糊控制这两种算法模块的设计及实现。采用activex 技术，以vb为编程语言进行算法模块的界面和功能的设计。关键词：组态软件；组件设计；ptd控制；模糊控制、引言组态软件是计算机技术与控制技术发展的产物，随着以工业pc为核心的自动控制集成系统技术 的日趋完善，组态软件越来越多的应用于工控系统的各个领域。组态软件在过程控制系统中完成数 据采集和处理、存

2、储、显示等方面优势明显，因此有必要对组态软件中过程控制算法模块进行研究 和开发1。工业控制中，fix. intouch等均是组态软件中的优秀代表，它们提供了丰富的图像显示，数据 库处理，对象连接等数据管理功能，为使用者提供了极人的方便，但其本身并不具备控制组态功能, 仍需单冋路调节器和可编程控制器等下位机来实现2。为进一步简化工程人员的工作量，减少重复 性工作，笔者提出开发通用控件来实现工程屮常用控制策略的功能。1=1前市场上普遍使用的国内外 组态软件产品都支持通用控件的嵌入使用，因此工程人员只需在所使用的组态软件中插入这些控件, 按照实际控制要求使用其组建各口的控制策略，避免了重复性的软件编

3、制丄作，更有效地加快了项 目的开发进程。二、组态软件控制算法的实现将控制算法设计成控件的形式，在组态软件中嵌入使用，其数据传输是程序内部的数据通讯， 实时性好。为了实现算法组件的通用性，把控制算法定义在activex控件中，只提供这些算法控件 的接口，在执行控制策略的画面中，用户只须调用这些算法控件，输入必要的参数和数据连接，即 可方便快捷地完成相应的控制策略。针对工程的实际应用情况，本文主要讨论pid控制、模糊控制 这两种算法模块的设计和实现。采用activex技术，以vb为编程语言进行算法模块的界面和功能的 设计。(-)pid控制算法模块釆用计算机实现的数字pid算法，由于软件系统的灵活性

4、，使算法得到了进-步地修正和完善。 pid控制算法的种类很多，应用场合的不同，对算法的要求也有所不同。主要有位置式pid控制算 法、增量式p1d控制算法和积分-分离式pid控制算法3。设计p1d控制算法组件界而如图2-1所 示。山于算法用在工程实际中的控制对象不同，所配置算法的比例系数、积分系数、微分系数三个 参数和控制的初始值不同，所连接的检测装置和控制执行装宜也不同，这些参数需耍用户根据口己的实际情况进行设置。因此，在控件中将这些参数设置成控件的屈性，通过文本框山用八给屈性赋 值并显示检测值和控制量的输岀值。在vb中读取属性值用get过程，给属性赋值用write过程。这两个过程是在为控件添

5、加属性时 vb自动创建的，只需在其中加入赋值语句。如通过文本框给控制对象赋初始值可以通过如下语句实 现：publicpropertygetsp () asvariantsp二textl. textendpropertypublicpropertyletsp (byvaivnew&#118alueasvariant)textl. text=vnew&#118alueproper!ychanged "sp”endproperty该程序中propertychanged “sp”不可缺少，调用propertychanged过程时控件创建了一个 writeproperties事

6、件，用八町以给propertybag对象中写入屈性的新设置并存盘，使该屈性永久 化，以保证用户在设计程序时可使用控件的属性设置。privatesubusecontrolutites (propbagaspropertybag)propbag. writeproperty "sp” textl. textendsub当控件需耍读取其存储属性时，创建一个readpropertios事件，在此事件处理程序中可使用 readproperty方法，将属性值读到文本框中显示。privatesubusecontrolreadproperties (propbagaspropertybag)text

7、l. text=propbag. readreadperty ("sp”)endsub在控件的设计中将具体的pid控制算法设计成控件。过程控制的特点是实时采集检测信号调节 控制输出，因此在控件屮加入时间函数，定时调用控制算法，根据采样检测信号算出输出控制量， 赋给相应的属性。在此应注意设定时间函数的采样时间间隔。时间间隔a短，计算机计算量大，负 荷较重，月.系统存在响应时间，若输出变化量大，易引起超调和振荡；若时间间隔太长，输出变化 慢控制缓慢，系统调节时间长。在ptd算法模块屮设计了三个ptd算法函数分别实现位置式、增量 式和积分分离式三种ptd控制算法，以按钮的形式呈现给用户，由

8、用户根据实际控制对象，通过点 击不同的按钮来实现相应的pid算法。在这个控件中p、i、d三个参数是独立的，若用户要实现pi、 pd算法，只需设定相应的参数值，选择位置式pid算法即可实现(属性的初始值为0)。1位置式pid控制算法为全量输出，每次输出均与过去的状态有关，计算时对e (k)进行累加, 计算机运算量人，计算输出的u (k)对应的是执行机构的实际位置。若计算机出现故障会引起执行 机构的大幅度变化，该算法适用于以晶闸管作为执行器或在控制精度要求高的系统中。2. 增量式控制算法対应的计算机输出为控制量的增量，所以误动作时影响小，必要时对用逻辑 判断的方法去掉。在进行手动/自动切换时冲击小

9、，便于实现无扰动切换。此外，当计算机发生故障 时，由于输出通道或执行装置具有信号的锁存作用，故能仍然保持原值。控制增量(k)的确定 仅与最近3次的采样值有关，所以较容易通过加权处理而获得比较好的控制效果。但增量式控制也 有其不足之处；积分截断效应人，有静态课差；溢出的影响人。3. 改进的pid算法-积分分离p1d算法。在计算机控制系统中，单-纯用数字控制模仿模拟调节器 而采川标准ptd控制算式，难以取得更好的控制效果4。因此需耍对标准ptd控制算式进行改造。 pid控制中的积分环节主要用于消除系统的稳态误差(静差)，其对系统的动态性能也有影响：积分 时间ti越小，积分作用越强，反之，积分作用越

10、弱。增人积分时间tt,消除静差的过程将减慢， 但可减少系统的输出超调量，提高控制系统的稳定性。对于位置式pid控制算式，积分项的存在， 比较容易产生积分饱和效应，结果导致系统的输出y出现明显的超调量。为改善控制系统的控制性 能，就有必要对位置式标准p1d控制算式的积分项进行改进。(2-1)式中，系数的取值规则为：当ie (i) | w £ (预定门限)时，二1当|e (i) |> £ (预定门限)时，二0积分分离式pid控制算法的流程图及仿真结果如图2-2所示5。在普通pid数字控制器中引入积分环节主要是为了消除静差、提高精度。但在过程的启动、结 束或人幅度增减设定值

11、时，短时间内系统输出有很大的偏差，会造成pid运算的积分积累，致使算 得的控制量超过执行机构可能最大动作范围对应的极限控制量，最终引起系统较大的超调，甚至引 起系统的振荡。引入了积分分离pid控制算法，既保持了积分作用，又减小了超调量，使得控制性 能有了较大的改善。预先给定一门限值，当偏差比较大时采用pid控制，可避免过大的超调，又使 系统有较快的响应。当偏差比较小时采用ptd控制，町保证系统的控制精度。(二)模糊控制算法模块在模糊控制算法模块屮，实现了以谋差和课差的变化为输入量，以控制量的增量为输出量的二 维模糊控制器。设计模糊控制算法组件界面如图2-3所示。在模糊控制算法模块中，设计的思路

12、与pid模块部分相仿，首先确定哪些变量是需要用八给出 的，将其足义为控件的属性。模糊控制算法存在着基本论域到模糊子集论域的转化，因此需耍用户 给出误差和控制输出量的基本论域，在模块中将误差上、下限，输出上、下限定义为控件的属性， 另外控制对彖的设定值、检测信号值和控制输出是用户使用控件时耍使用的，也定义为控件的属性。 然后将模糊控制算法需要的模糊化方法、隶属函数、控制规则、模糊暈到精确量的转化方法都泄义 为控件的方法。最后定义时间函数，在时间函数中调用模糊控制算法函数，实现控制功能。在算法 模块中，采用三角形隶属函数进行误差rh楮确量到模糊量的转换，输出对应的模糊量向精确量的转 换采用加权平均

13、判决法，二维模糊控制器的偏差e、偏差的变化ec、控制器的输出u所对应的模糊 子集为七档,即（nl、nm、ns、ze、ps、pm、pl）。模糊控制算法模块中量化因子和比例因子的选择 很重要。实验表明，量化因子和比例因子的大小及其不同量化因子z间大小的相对关系，对模糊控 制器的控制性能影响极大。合理的确立量化因子和比例因子不仅要考虑所釆用的计算机的字长，还 要考虑计算机的输入输出接口屮d/a和a/d转换的精度及其变化范围。一般来说，ke较大时，系统 的超调也较人，过渡过程较长；ke较小时，则系统变化较慢，稳态精度降低。kec较人，则系统输 出变化率较小，系统变化较慢；kec若较小，则系统反应加快，

14、但超调增大。ku选择较少时，系统 的动态响应过程较长；ku选择较大时，会导致系统振荡，如果发现系统振荡，可考虑减小比例因子。1. 控制算法模块的使用。（1）使用算法控件前，首先要注册此控件，注册方法是执windows系统“开始运行”命令, 在出现的对话框屮输入如下命令"regsvr32控件所在路径控件的名字.ocx”，按卜”确定”按钮, 系统会有注册成功信息弹出。（2）画而中插入控件：纟r态画而菜单中编辑/插入通用控件，或在工具箱”插入通用控件”按 钮，在弹出的对话框中选择” fuzzycontrol",单击确定。（3）在画面上绘制出控件。（4）设置动画连接：双击控件，在弹

15、出的属性页屮设置控件名称等信息。在使用控件的画面屮 定义一个时钟函数，时间间隔根据实际要求定义，时钟到达设定值时会触发一个事件函数，在相应 的事件函数屮给变量赋属性值，即可得到输出值的实时变化。2. 模糊控制算法模块的结果。按照编制模糊控制算法所采用的论域的划分、隶书函数、控制规则、解模糊的方法、各项比例 因了在matlab模糊控制器中建立模糊控制文件，输出到工作帘间，在simulink中导入引用进行仿 真得到模糊控制效果如图2-4所示。三、结束语本文根据工程实际应用，提出了用组件技术对组态软件进行二次开发，以丰富的组态软件控制 功能，就过程控制技术在实际中的应用进行了论述，研究了工程中常用控制算法的原理及设计方法, 设计了基于组件技术的控制算法模块，并在实际应用中取得了一定的效果。参考文献1 马国华监控组态软件以及应用m.清华大学出版社,20012 葛玻，沈文杰，赵旎工控组态软件的对比及应用jl计算机测量与控 制,2002,10（8）:278-2833 陶永华.新型pi