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　　課題名稱： PLC先進(jìn)控制策略研究與應(yīng)用

　　1、選題意義和背景。

　　可編程序邏輯控制器(Programmable Logic Controller, PLC)具有可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)、功能豐富等強(qiáng)大技術(shù)優(yōu)勢，已經(jīng)成為目前自動化領(lǐng)域的主流控制系統(tǒng)。然而，從目前的應(yīng)用情況來看，PLC還大都只是承擔(dān)最基本的控制功能，如順序控制、數(shù)據(jù)采集和PID反饋控制。各個PLC廠家也在其產(chǎn)品中設(shè)計了PID模塊。雖然PID算法控制有很高的穩(wěn)定性，但對于一些復(fù)雜控制系統(tǒng)，PID控制很難滿足控制要求，這也使PLC的發(fā)展面臨著一種挑戰(zhàn)。隨著越來越多的PLC產(chǎn)品與IEC1131-3標(biāo)準(zhǔn)兼容，PLC控制系統(tǒng)越來越開放，將先進(jìn)控制算法嵌入PLC常規(guī)控制系統(tǒng)成為可能。本課題從工業(yè)控制實(shí)際應(yīng)用角度出發(fā)，對PLC的控制功能進(jìn)行深入的研究和探討，以提高和擴(kuò)展PLC控制器的應(yīng)用水平和應(yīng)用范圍。本課題：PLC先進(jìn)控制策略的研究與應(yīng)用，其目的是通過研究使一些先進(jìn)控制算法在PLC及組態(tài)系統(tǒng)上得以實(shí)現(xiàn)，并開發(fā)相應(yīng)的應(yīng)用程序，經(jīng)過驗(yàn)證后最終應(yīng)用到工業(yè)過程控制中去。

　　在PLC組態(tài)系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)先進(jìn)控制算法，包括預(yù)測控制算法和模糊邏輯控制算法，形成具有人工智能的控制模塊及網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，能大大提高系統(tǒng)的控制水平，改善控制質(zhì)量。從經(jīng)濟(jì)角度來看，目前PLC生產(chǎn)商的一些產(chǎn)品具備先進(jìn)控制模塊，如模糊模塊。但它們的價格十分昂貴，且封閉性較強(qiáng)，不適合我國中小型企業(yè)的工業(yè)改造。因此開發(fā)較為通用的先進(jìn)算法實(shí)現(xiàn)技術(shù)，對于我國中小型企業(yè)的工業(yè)改造具有很大的意義，既可降低生產(chǎn)成本，又可提高經(jīng)濟(jì)效益。

　　模糊控制與預(yù)測控制是智能控制中技術(shù)較為成熟的分支，因此，研制和開發(fā)出適合工業(yè)環(huán)境的實(shí)時先進(jìn)控制開發(fā)工具，實(shí)現(xiàn)模糊控制、預(yù)測控制嵌入PLC,與常規(guī)控制集成運(yùn)行，讓先進(jìn)控制從教授、專家手中走出來，實(shí)現(xiàn)先進(jìn)控制的工程化、實(shí)用化、轉(zhuǎn)化為社會生產(chǎn)力，對縮短控制系統(tǒng)開發(fā)周期，加快先進(jìn)控制技術(shù)的廣泛應(yīng)用，提高我國的工業(yè)自動化水平有著重大的意義。

　　2、論文綜述/研究基礎(chǔ)。

　　在過程工業(yè)界，從40年代開始，采用PID控制規(guī)律的單輸入單輸出簡單反饋控制回路己成為過程控制的核心系統(tǒng)。目前，PID控制仍廣泛應(yīng)用，即便是在大量采用DCS控制的最現(xiàn)代的工業(yè)生產(chǎn)過程中，這類回路仍占總回路80%-90%.這是因?yàn)镻ID控制算法是對人的簡單而有效操作的總結(jié)和模仿，足以維護(hù)一般過程的平穩(wěn)操作與運(yùn)行，而且這類算法簡單且應(yīng)用歷史悠久，工業(yè)界比較熟悉且容易接受。

　　然而，單回路PID控制并不能適用于所有的過程和不同的要求[4}0 50年代開始，逐漸發(fā)展了串級、比值、前饋、均勻和Smith預(yù)估控制等復(fù)雜控制系統(tǒng)，即當(dāng)時的先進(jìn)控制系統(tǒng)，在很大程度上滿足了單變量控制系統(tǒng)的一些特殊的控制要求。在工業(yè)生產(chǎn)過程中，仍有10%-20%的控制問題采用上述控制策略無法奏效，所涉及的被控過程往往具有強(qiáng)藕合性、不確定性、非線性、信息不完全性和大純滯后等特性，并存在著苛刻的約束條件，更重要的是它們大多數(shù)是生產(chǎn)過程的核心部分，直接關(guān)系到產(chǎn)品的質(zhì)量、生產(chǎn)率和成本等有關(guān)指標(biāo)。隨著過程工業(yè)日益走向大型化、連續(xù)化，對工業(yè)生產(chǎn)過程控制的品質(zhì)提出了更高的要求，控制與經(jīng)濟(jì)效益的矛盾日趨尖銳，迫切需要一類合適的先進(jìn)控制策略。自50年代末發(fā)展起來的以狀態(tài)空間方法為主體的現(xiàn)代控制理論，為過程控制帶來了狀態(tài)反饋、輸出反饋、解疆控制、自適應(yīng)控制等一系列多變量控制系統(tǒng)設(shè)計方法}s}.上述多變量控制策略有其自身的不足之處，工業(yè)過程的復(fù)雜性使得建立其正確的數(shù)學(xué)模型比較困難。同時，計算機(jī)技術(shù)的持續(xù)發(fā)展使得計算機(jī)控制在工業(yè)生產(chǎn)過程中得到了廣泛的應(yīng)用，強(qiáng)大的計算能力可以用來求解過去認(rèn)為是無法求解的問題，這一切都孕育著過程控制領(lǐng)域的新突破。

　　整個80年代，出現(xiàn)了許多約束模型預(yù)測控制的工程化軟件包。通過在模型識別、優(yōu)化算法、控制結(jié)構(gòu)分析、參數(shù)整定和有關(guān)穩(wěn)定性和魯棒性研究等一系列工作，基于模型控制的理論體系己基本形成，并成為目前過程控制應(yīng)用最成功，也最有前途的先進(jìn)控制策略。近年來，人工智能技術(shù)有了長足的長進(jìn)并在許多科學(xué)與工程領(lǐng)域中取得了較廣泛的應(yīng)用。就過程控制而言，專家系統(tǒng)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊系統(tǒng)是最有潛力的三種工具。專家系統(tǒng)可望在過程故障診斷、監(jiān)督控制、檢測儀表和控制回路有效性檢驗(yàn)中獲得成功應(yīng)用。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)則可以為復(fù)雜的非線性過程的建模提供有效的方法，進(jìn)而可用于過程軟測量和控制系統(tǒng)的設(shè)計上。模糊系統(tǒng)不僅是行之有效的模糊控制理論基礎(chǔ)，而且有望成為表達(dá)確定性和不確定性兩類混合并提煉這些經(jīng)驗(yàn)使之成為知識進(jìn)而改進(jìn)以后的控制，也將是先進(jìn)控制的重要內(nèi)容。

　　由于先進(jìn)控制受控制算法的復(fù)雜性和計算機(jī)硬件兩方面因素的影響，早期的先進(jìn)控制算法通常是在PC機(jī)和UNIX機(jī)上實(shí)施的。隨著DCS功能的不斷增強(qiáng)，更多的先進(jìn)控制策略可以與基本控制回路一起在DCS控制站上實(shí)現(xiàn)。國外發(fā)達(dá)國家?guī)缀跛衅髽I(yè)都采用了DCS系統(tǒng)或其它智能化設(shè)備來實(shí)現(xiàn)對生產(chǎn)過程的控制，并在此基礎(chǔ)上通過實(shí)施先進(jìn)控制與優(yōu)化較大的提升了系統(tǒng)的性能�？梢哉f，高性能控制系統(tǒng)，尤其是DCS系統(tǒng)的普及為先進(jìn)控制的應(yīng)用提供了強(qiáng)有力的硬件和軟件平臺。國外從70年代末就開始了先進(jìn)控制技術(shù)商品化軟件的開發(fā)及應(yīng)用，并在DCS的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)先進(jìn)控制和優(yōu)化。如愛默生公司的DeltaV和Honeywell公司的TDC3000,其先進(jìn)控制軟件RMPGT和RPID等在現(xiàn)場的實(shí)際應(yīng)用都集中在自己的DCS系統(tǒng)上。傳統(tǒng)的PLC由于不支持浮點(diǎn)運(yùn)算以及先進(jìn)控制所必須的精確的時間，因此，除了模糊邏輯控制外，其他的先進(jìn)控制并沒有在PLG平臺上實(shí)現(xiàn)。然而，在過程工業(yè)中大多系統(tǒng)使用先進(jìn)靈活的PLC控制系統(tǒng)，因此1996年Barnes提出了一種基于PC-PLC通訊的混合方式，通過控制網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)計算機(jī)與PLG的通訊，從而實(shí)現(xiàn)先進(jìn)控制。

　　3、參考文獻(xiàn)。

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　　4、論文提綱。

　　第一章前言

　　1. I論文研究的目的和意義

　　1. 2論文研究的主要內(nèi)容及工作簡述

　　1. 3國內(nèi)外文獻(xiàn)綜述

　　I. 3. 1先進(jìn)控制的發(fā)展及現(xiàn)狀

　　1 .3 . 2 PLC在工業(yè)控制領(lǐng)域的應(yīng)用

　　1.3 . 3 PLC基本控制方法

　　1. 3. 4 PLC模糊控制器

　　I. 3. 5 PLC預(yù)測控制算法

　　第二章SIMATIC S7-300 PLC及STEP7系統(tǒng)

　　2.1 SIMATIC 57-300 PLC系統(tǒng)

　　2.1.1 S7-300 PLC

　　2.1.2 S7-300 PLC控制系統(tǒng)

　　2.2 STEP7系統(tǒng)

　　2.2.1 STEP7功能及結(jié)構(gòu)

　　2.2.2組態(tài)環(huán)境及編程語言

　　2.2.3基本控制算法的實(shí)現(xiàn)二

　　第三章PLC模糊控制器的研究與實(shí)現(xiàn)

　　3.1模糊控制算法與系統(tǒng)

　　3.1.1模糊控制理論

　　3.1.2模糊控制系統(tǒng)

　　3.1.2.1模糊控制器的組成

　　3.1.2.2模糊控制算法

　　3.1.2.3模糊控制器的結(jié)構(gòu)

　　3.2 PLC模糊控制器設(shè)計

　　3.2.1 PLC模糊控制器結(jié)構(gòu)

　　3.2.2模糊控制器離線部分設(shè)計

　　3.2.2.1模糊控制器離線部分算法設(shè)計內(nèi)容

　　3.2.2.2基于MATLAB模糊邏輯工具箱的設(shè)計

　　3.2.3 STEP7實(shí)現(xiàn)模糊控制器設(shè)計

　　3.2.3.1模糊算法流程圖

　　3.2.3.2模糊算法的功能塊

　　3.2.4 PLC模糊控制器的仿真驗(yàn)證

　　3.2.4.1仿真系統(tǒng)的建立

　　3.2.4.2仿真結(jié)果驗(yàn)證

　　第四章PLC預(yù)測控制器的研究與實(shí)現(xiàn)

　　4.1廣義預(yù)測控制算法

　　4.1.1單值廣義預(yù)測控制

　　4.1.2單值廣義預(yù)測控制律計算

　　4.2 PLC單值廣義預(yù)測控制器的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)

　　4.2.1單值廣義預(yù)測算法的實(shí)現(xiàn)步驟

　　4.2.2單值廣義預(yù)測控制器的設(shè)計

　　4.3單值廣義預(yù)測控制器的仿真驗(yàn)證

　　4.3.1仿真模型的建立

　　4.3.2仿真結(jié)果分析比較

　　第五章基于PLC的空調(diào)性能檢測實(shí)驗(yàn)室計算機(jī)控制系統(tǒng)

　　5.1工藝流程與控制方案

　　5.1.1工藝過程簡述

　　5.1.2控制要求

　　5.1.3控制方案設(shè)計

　　5.2控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及配置

　　5.3監(jiān)控系統(tǒng)組態(tài)設(shè)計

　　5.4 57-300 PLC控制系統(tǒng)設(shè)計

　　5.4.1硬件系統(tǒng)組態(tài)

　　5.4.2 PLC控制程序設(shè)計

　　5、論文的理論依據(jù)、研究方法、研究內(nèi)容。

　　目前，PLC的應(yīng)用十分廣泛，涉及到過程控制的方方面面。但在控制策略上，它依然沿用傳統(tǒng)的PID控制。許多PLC開發(fā)商把PID算法做成模塊，固化在PLC中。

　　但從長遠(yuǎn)角度看，對于一些復(fù)雜的控制系統(tǒng)，PID很難滿足控制要求，這就需要把先進(jìn)的控制算法嵌入到PLC的設(shè)計中。本課題以此為主要研究內(nèi)容。

　　工業(yè)過程的復(fù)雜性以及對于控制日益提高的要求，各種先進(jìn)控制算法越來越多地深入到控制領(lǐng)域，但由于PLC的編程目前還限于低級語言(如梯形圖)，所以，給在PLC上實(shí)現(xiàn)先進(jìn)控制算法帶來了困難。SIEMENS在PLC的編程系統(tǒng)STEP7中提供了比較豐富的功能模塊，因此，本課題首先是通過對控制算法的研究與改進(jìn)和對STEP?功能的開發(fā)，使先進(jìn)控制策略在S7-300 PLC上得以較好的.實(shí)現(xiàn)。本論文重點(diǎn)研究基于PLC的模糊控制器的實(shí)現(xiàn)，這一領(lǐng)域目前研究的比較多，因此在總結(jié)前人研究方法的基礎(chǔ)上，設(shè)計出一個基于PLC的通用的模糊控制器，并使其固化在STEP7軟件中。此外，對于PLC預(yù)測控制雖已有一些研究，但都僅限于理論方面，尚未給出PLC上實(shí)現(xiàn)的實(shí)例。本課題也想在此方面有所創(chuàng)新，開發(fā)出基于PLC的預(yù)測控制實(shí)現(xiàn)技術(shù)。

　　本論文第一章簡要介紹了課題的來源背景、主要內(nèi)容、目的意義以及國外相關(guān)工作的研究狀況等。

　　第二章介紹了SIMATIC S7-300 PLC的主要特點(diǎn)，系統(tǒng)組成及控制系統(tǒng)的配置與實(shí)現(xiàn)，同時介紹了STEP?軟件的功能及結(jié)構(gòu)，組態(tài)環(huán)境，以及一些基本算法的實(shí)現(xiàn)方法。

　　第三章重點(diǎn)闡述了模糊控制的基本理論、模糊控制算法、模糊控制器的結(jié)構(gòu)及設(shè)計方法。提出了基于PLC的模糊控制器的實(shí)現(xiàn)方法，即采用MATLAB離線設(shè)計，PLC在線查詢的方式。給出了STEP?實(shí)現(xiàn)模糊算法的流程圖及部分程序。

　　最后建立一個過程仿真系統(tǒng)，對PLC模糊控制器進(jìn)行仿真驗(yàn)證。

　　第四章介紹了預(yù)測控制的基本理論，重點(diǎn)闡述了廣義預(yù)測控制算法，并結(jié)合PLC的特點(diǎn)，提出了基于PLC的單值廣義預(yù)測控制器的設(shè)計方法，給出了STEP7實(shí)現(xiàn)單值廣義預(yù)測算法的步驟與流程圖。最后建立一個二階大滯后的對象模型，構(gòu)成仿真控制系統(tǒng)，與PID控制進(jìn)行比較分析，驗(yàn)證PLC預(yù)測控制器的有效性。

　　第五章是作者在研究生期間參加的某空調(diào)性能檢測實(shí)驗(yàn)室基于PLC實(shí)現(xiàn)的計算機(jī)控制系統(tǒng)，從系統(tǒng)控制方案的設(shè)計、系統(tǒng)配置和硬件構(gòu)成、監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計等幾個方面分別進(jìn)行了詳細(xì)的論述。

　　第六章結(jié)論與體會，總結(jié)自己在課題研究和項目研究的過程中的一些體會和心得，分析了工作中的不足，提出了以后工作的注意事項，改進(jìn)方法。

　　6、研究條件和可能存在的問題。

　　I.盡快建立樣板工程，把己經(jīng)取得的研究成果應(yīng)用到工程實(shí)際過程中，通過實(shí)踐檢驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)問題以便不斷改進(jìn)和提高。

　　2. PLC預(yù)測控制器目前只應(yīng)用了簡單的單值廣義預(yù)測算法，有其自身的局限性，如控制精度不高。目前，應(yīng)用較為成熟的是MPC算法，因此可以把PLC-MPC控制器作為今后研究的一個重點(diǎn)。

　　3.對于PLC模糊控制器的改進(jìn)，主要是在算法上，為了提高控制效果，單純的模糊算法是不足的，改進(jìn)型模糊算法如模糊PID可以改善控制器性能，因此可以開發(fā)PLC模糊PID控制器。

　　4.進(jìn)一步挖掘STEP?軟件的功能，開發(fā)過程對象仿真模塊，給出基于PLC建立仿真系統(tǒng)的方法和步驟，為工業(yè)實(shí)阮應(yīng)用縮短調(diào)試時間，保證系統(tǒng)的可靠性。

　　7、預(yù)期的結(jié)果。

　　1.通過對先進(jìn)控制各種算法的分析比較，對先進(jìn)控制理論有了進(jìn)一步認(rèn)識，從中學(xué)到了不少解決問題的方法，理解了傳統(tǒng)控制方法與先進(jìn)控制方法的區(qū)別。

　　2.基于PLC實(shí)現(xiàn)先進(jìn)控制與基于PC實(shí)現(xiàn)先進(jìn)控制相比較，最重要的一個優(yōu)勢在于PLC實(shí)現(xiàn)先進(jìn)控制不需要通訊協(xié)議，而基于PC實(shí)現(xiàn)先進(jìn)控制，在系統(tǒng)設(shè)計和運(yùn)行之前必須正確的配置PC與PLC之間的通訊協(xié)議，因此可以降低系統(tǒng)得開發(fā)時間。其次，在系統(tǒng)運(yùn)行時，在下位機(jī)上完成先進(jìn)控制算法比在上位機(jī)完成更具有實(shí)時性。在可靠性方面，由于基于PC實(shí)現(xiàn)先進(jìn)控制，現(xiàn)場的數(shù)據(jù)和信號要經(jīng)過通訊傳給上位機(jī)，這難免會出現(xiàn)數(shù)據(jù)的丟失和信號的誤差，從而使系統(tǒng)的控制精度下降，而基于PLC實(shí)現(xiàn)先進(jìn)控制避免了這類現(xiàn)象的發(fā)生。

　　3.西門子57-300 PLC功能強(qiáng)、處理速度快、模塊化結(jié)構(gòu)易于擴(kuò)展，被廣泛的應(yīng)用于自動化控制系統(tǒng)中;其相應(yīng)開發(fā)軟件STEP7采用模塊化編程方法，提供多種編程語言，豐富的功能模塊，能實(shí)現(xiàn)較為復(fù)雜的功能和算法。因此二者結(jié)合起來，為先進(jìn)控制的設(shè)計與開發(fā)提供了很好的軟硬件平臺。

　　4. PLC模糊控制器采用MTALAB離線設(shè)計和PLC在線查表的方法，把復(fù)雜的模糊推理過程交給計算機(jī)離線完成，得到模糊控制量查詢表供PLC在線調(diào)用。此方法將復(fù)雜瑣碎的模糊控制系統(tǒng)的開發(fā)工作變得簡單明了，大大縮短了開發(fā)周期，同時也提高的PLC控制的實(shí)時性，是目前被廣泛采用且效果良好的PLC模糊控制器的設(shè)計方法。

　　5. PLC單值廣義預(yù)測控制器采用簡單實(shí)用的單值廣義預(yù)測控制算法，它需要調(diào)整參數(shù)少、在線計算時間短，可適用于PLC類控制采樣周期較短的快速動態(tài)過程系統(tǒng)。仿真結(jié)果表明：PLC單值廣義預(yù)測控制器保持了預(yù)測控制的性能，控制效果較PID控制有很大改善，同時具有計算量小，響應(yīng)迅速的優(yōu)點(diǎn)。

　　8、論文寫作進(jìn)度安排。

　　20XX.05-20XX.06 開論文會議

　　20XX.06-20XX.07 確定論文題目

　　20XX.07-20XX.02 提交開題報告初稿

　　20XX.02-20XX.06 提交論文初稿

　　20XX.07-20XX.08 確定論文終稿

　　20XX.08-20XX.09 論文答辯

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