CN111142407A - 基于西门子plc先进控制算法的在线实时仿真方法 - Google Patents

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张�浩
冯雪
王成
吴宇航
李牟腾
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    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05B—CONTROL OR REGULATING SYSTEMS IN GENERAL; FUNCTIONAL ELEMENTS OF SUCH SYSTEMS; MONITORING OR TESTING ARRANGEMENTS FOR SUCH SYSTEMS OR ELEMENTS
    • G05B17/00—Systems involving the use of models or simulators of said systems
    • G05B17/02—Systems involving the use of models or simulators of said systems electric

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Abstract

本发明提供一种基于西门子PLC先进控制算法的在线实时仿真方法。本发明利用预测PI算法代替了西门子PLC中的传统的PID控制算法，相对于PID控制，具有更好的鲁棒性，抗干扰能力，尤其对于具有大惯性、大滞后的过程，更是具有良好的控制效果；而在线实时仿真平台的建立，能在不需要硬件设备的情况下，实现PLC与MATLAB的数据交换，更能够实时监测各个变量在不同时刻的值，带来了极大的便利。

Description

基于西门子PLC先进控制算法的在线实时仿真方法
技术领域
本发明涉及先进控制及过程控制领域，特别涉及基于西门子PLC先进控制算法(预测PI算法)及在线实时仿真的研究。
背景技术
PID控制器在过程控制上一直占有主导地位。PID控制器的主要特点有：快速的比例作用、消除稳态误差的积分作用以及预测将来的微分作用。它特别适用于过程的动态性能是良性的而且控制性能要求不高的情况。然而，由于PID的参数没有直观的实际物理意义，在PID控制器参数整定上一直存在一些困难，尤其是对于存在大惯性、大滞后的过程，更是难以取得良好的效果。
预测PI控制器是一种新型的通用预测控制器，通常由两部分组成：标准的 PI控制项或变相的PI控制项和预测控制项。PI控制项能够提高控制器的鲁棒性，在不同干扰存在和模型发生变化时，都能保持良好的控制性能；预测项能够克服大滞后对控制带来的不利影响，它可以根据过去某一时间段的控制作用来预测将来的控制作用，消除控制作用的盲目性。
PLC，即可编程序控制器，在我国的应用相当广泛，在冶金、化工、印刷生产线等领域都有应用。但是一套PLC设备的价格十分昂贵，不是人人都能够使用得起的。
发明内容
本发明的目的是：以西门子软件为基础研发出一套能够在线实时仿真的平台该实时仿真平台能够简单、快捷地得出控制效果的好坏，还能够了解每个变量每个时刻的数值，为控制带来了极大的便利。
为了达到上述目的，本发明的技术方案是提供了一种基于西门子PLC先进控制算法的在线实时仿真方法，其特征在于，包括步骤S1、控制算法在PLC中的实现过程以及步骤S2、在线实时仿真平台的建立，其中，步骤S1、控制算法在PLC中的实现过程包括以下步骤：
步骤S1.1、控制器的实现：
根据被控对象的模型假设闭环传递函数的模型，再根据闭环原理得出控制器的模型，然后加以验证；
步骤S1.2、控制算法的离散化：
将步骤S1.1中得到的控制器的传递函数转变为控制器的输入、输出关系，再由输入、输出关系进行离散化，最后将这一时刻的离散化形式减去上一时刻的，得到离散化的增量形式；
步骤S1.3、控制算法在PLC中的实现：
将步骤S1.2中得到的离散化的增量形式使用西门子PLC中的SCL语言进行编写，然后将其封装成为函数块FB块；
步骤S2、在线实时仿真平台的建立包括以下步骤：
步骤S2.1、将步骤S1.3中得到的FB块在梯形图中调用，根据电脑本身的以太网地址设置西门子PLC的地址，然后使用西门子的仿真器下载运行；
步骤S2.2、步骤S2.1中的仿真器运行后，以管理员身份运行nettoplcsim软件，即可得到102端口的使用权，然后添加正在运行的PLC仿真器的地址，点击运行nettoplcsim软件；
步骤S2.3、步骤S2.2中的nettoplcsim运行后，打开kepserve，新建通道和设备、配置地址后，点击运行kepserve；
步骤S2.4、步骤S2.3中的kepserve运行后，打开MATLAB，再打开simulink，新建模型，打开OPC Toolbox，添加OPC Configuation、OPC Read、OPC Write，点击打开OPCConfiguation，选择kepserve，即可通过OPC实现kepserve与MATLAB 的数据交换，最后，建立被控对象的模型，点击运行，即可实现西门子PLC与 MATLAB的数据交换。
优选地，被控对象是大滞后的对象，即滞后时间与时间常数之比大于一。
优选地，被控对象的模型是可以被识别的，即被控对象的模型是可以确定的。
优选地，如果是针对实际存在的PLC，步骤S2.3中设备的地址和实际存在的 PLC的地址一致。
本发明利用预测PI算法代替了西门子PLC中的传统的PID控制算法，相对于PID控制，具有更好的鲁棒性，抗干扰能力，尤其对于具有大惯性、大滞后的过程，更是具有良好的控制效果；而在线实时仿真平台的建立，能在不需要硬件设备的情况下，实现PLC与MATLAB的数据交换，更能够实时监测各个变量在不同时刻的值，带来了极大的便利。
附图说明
图1为本发明所涉及的步骤S1.1中的预测PI框图。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
本发明提供的一种基于西门子PLC先进控制算法的在线实时仿真方法包括以下步骤：
步骤S1、控制算法在PLC中的实现过程；
本发明提出一种不同于传统PID控制器的新型控制算法，即预测PI控制，再使之能够在西门子PLC中实现。
步骤S1.1、控制器的实现：
首先根据被控对象的模型假设闭环传递函数的模型，再根据闭环原理得出控制器的模型，然后加以验证，最后得出的预测PI算法的框图如图1所示；
步骤S1.2、控制算法的离散化；
将步骤S1.1中得到的控制器的传递函数先转换为控制器的输入、输出关系，再将输入、输出关系进行离散化，最后将这一时刻的离散化形式减去上一时刻的，得到离散化的增量形式，离散化增量形式如下式所示：
Figure RE-GDA0002404728220000031
步骤S1.3、控制算法在PLC中的实现：
将步骤S1.2中得到的离散化的增量形式使用西门子PLC中的SCL语言进行编写，其中SCL语言是类C语言，为西门子PLC自带的编程语言，然后将其封装成为函数块FB块，这样在需要使用预测PI算法的时候，即可直接调用。
步骤S2、在线实时仿真平台的建立：
步骤S2.1、将步骤S1.3中得到的FB块在梯形图中调用，根据电脑本身的以太网地址设置西门子PLC的地址，电脑的以太网地址应该和PLC的地址处于同一个子网，即网址的前三段相同，最后一段不同，然后使用西门子的仿真器下载运行；
步骤S2.2、步骤S2.1中的仿真器运行后，以管理员身份运行nettoplcsim软件，即可得到102端口的使用权。因为通常102端口是电脑在使用的，所以，如果不以管理员身份运行，可能不能够得到使用权，然后添加正在运行的PLC 仿真器的地址(地址应该和步骤S2.1中设置的PLC的地址一致)，点击运行；
步骤S2.3、步骤S2.2中的nettoplcsim运行后，打开kepserve，新建通道和设备(和你选择的西门子PLC的型号一致)，配置地址。因为是使用软件在电脑上运行的原因，所以地址和电脑地址一致，而若是使用实物，则地址应该与 PLC的地址一致，然后添加标签。标签的名称可以与PLC中的不一致，但是地址一定要与PLC中的地址一致，点击运行；
步骤S2.4、步骤S2.3中的kepserve运行后，打开MATLAB，再打开simulink，新建模型，打开OPC Toolbox，添加OPC Configuation、OPC Read、OPC Write，点击打开OPCConfiguation，选择kepserve，即可通过OPC实现kepserve与 MATLAB的数据交换。最后，建立被控对象的模型，点击运行，即可实现西门子 PLC与MATLAB的数据交换。当状态显示为Good，即表示数据正在交换。

Claims (4)

1.一种基于西门子PLC先进控制算法的在线实时仿真方法，其特征在于，包括步骤S1、控制算法在PLC中的实现过程以及步骤S2、在线实时仿真平台的建立，其中，步骤S1、控制算法在PLC中的实现过程包括以下步骤：
步骤S1.1、控制器的实现：
根据被控对象的模型假设闭环传递函数的模型，再根据闭环原理得出控制器的模型，然后加以验证；
步骤S1.2、控制算法的离散化：
将步骤S1.1中得到的控制器的传递函数转变为控制器的输入、输出关系，再由输入、输出关系进行离散化，最后将这一时刻的离散化形式减去上一时刻的，得到离散化的增量形式；
步骤S1.3、控制算法在PLC中的实现：
将步骤S1.2中得到的离散化的增量形式使用西门子PLC中的SCL语言进行编写，然后将其封装成为函数块FB块；
步骤S2、在线实时仿真平台的建立包括以下步骤：
步骤S2.1、将步骤S1.3中得到的FB块在梯形图中调用，根据电脑本身的以太网地址设置西门子PLC的地址，然后使用西门子的仿真器下载运行；
步骤S2.2、步骤S2.1中的仿真器运行后，以管理员身份运行nettoplcsim软件，即可得到102端口的使用权，然后添加正在运行的PLC仿真器的地址，点击运行nettoplcsim软件；
步骤S2.3、步骤S2.2中的nettoplcsim运行后，打开kepserve，新建通道和设备、配置地址后，点击运行kepserve；
步骤S2.4、步骤S2.3中的kepserve运行后，打开MATLAB，再打开simulink，新建模型，打开OPC Toolbox，添加OPC Configuation、OPC Read、OPC Write，点击打开OPCConfiguation，选择kepserve，即可通过OPC实现kepserve与MATLAB的数据交换，最后，建立被控对象的模型，点击运行，即可实现西门子PLC与MATLAB的数据交换。
2.根据权利要求1所述的基于西门子PLC先进控制算法的在线实时仿真方法，其特征在于：被控对象是大滞后的对象，即滞后时间与时间常数之比大于一。
3.根据权利要求1所述的基于西门子PLC先进控制算法的在线实时仿真方法，其特征在于：被控对象的模型是可以被识别的，即被控对象的模型是可以确定的。
4.根据权利要求1所述的基于西门子PLC先进控制算法的在线实时仿真方法，其特征在于：如果是针对实际存在的PLC，步骤S2.3中设备的地址和实际存在的PLC的地址一致。
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