蓋文東，張 寧，張 婧，高宏巖

(山東科技大學(xué) 電氣與自動化工程學(xué)院，山東 青島 266590)

基于Matlab與組態(tài)王的智能控制實驗平臺設(shè)計

蓋文東，張 寧，張 婧，高宏巖

(山東科技大學(xué) 電氣與自動化工程學(xué)院，山東 青島 266590)

該文針對現(xiàn)在智能控制教學(xué)中缺乏實踐環(huán)節(jié)的問題，設(shè)計了基于Matlab與組態(tài)王的智能控制實驗平臺。該實驗平臺利用Matlab完成智能控制閉環(huán)仿真，并通過OPC技術(shù)與組態(tài)王進(jìn)行實時數(shù)據(jù)通信，實現(xiàn)了對實驗過程的動態(tài)監(jiān)控。以基于模糊自適應(yīng)的直流電動機(jī)轉(zhuǎn)速-電流雙閉環(huán)運動控制為例說明了該實驗平臺的設(shè)計過程，并將該控制算法與經(jīng)典PID控制算法進(jìn)行仿真比較以驗證其有效性。應(yīng)用效果表明，該實驗平臺能夠直觀、形象地展示實驗結(jié)果，滿足智能控制實驗教學(xué)的要求，并且便于學(xué)生根據(jù)自己的需求進(jìn)行二次開發(fā)。

智能控制；模糊自適應(yīng)；組態(tài)王；OPC；運動控制系統(tǒng)

智能控制是近年來發(fā)展起來的一門前沿交叉學(xué)科，是自動化及相關(guān)專業(yè)方向的一門專業(yè)選修課[1]。但因在教學(xué)過程中缺乏能夠鍛煉學(xué)生實踐能力的實驗設(shè)備，學(xué)生只注重了理論知識的學(xué)習(xí)，沒有達(dá)到較好的教學(xué)效果。為此，本文以直流雙閉環(huán)運動控制實驗為例，建立基于Matlab與組態(tài)王的智能控制實驗平臺，用于學(xué)生的實驗教學(xué)。

轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)控制直流調(diào)速是運動控制教學(xué)中一種典型的實驗[2-4]，目前學(xué)校運動控制實驗設(shè)備主要采用天煌教儀DJDK-1型，該實驗設(shè)備價格昂貴而且該設(shè)備采用傳統(tǒng)PI串級控制算法，實驗中最大的困難是PI參數(shù)的整定，本文設(shè)計的實驗平臺可實現(xiàn)轉(zhuǎn)速PI參數(shù)[5-9]的自整定。并利用OPC技術(shù)實現(xiàn)Matlab與組態(tài)王的數(shù)據(jù)通信，在組態(tài)王中設(shè)計監(jiān)控界面，利用組態(tài)王較好的人機(jī)互動界面實現(xiàn)對控制系統(tǒng)實時監(jiān)控[10]。本實驗平臺適用于多種智能控制算法，僅需要一臺計算機(jī)便可完成實驗平臺的搭建，具有經(jīng)濟(jì)性好、開放性好、開發(fā)周期短等優(yōu)點。

1 實驗平臺總體方案設(shè)計

通過OPC技術(shù)，將Matlab與組態(tài)王相結(jié)合構(gòu)建仿真實驗平臺，既能發(fā)揮Matlab在算法設(shè)計與仿真方面的優(yōu)勢，又能充分發(fā)揮組態(tài)王在動態(tài)畫面顯示方面的特點，使學(xué)生在完成算法設(shè)計的同時，能夠較為直觀地感受實驗過程。該實驗平臺的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

Matlab作為客戶端完成控制系統(tǒng)仿真將Simulink中控制系統(tǒng)輸出通過OPC tool傳送到組態(tài)王監(jiān)控界面[9-10]中顯示。組態(tài)王作為服務(wù)器將控制參數(shù)傳送到Simulink中以完成控制系統(tǒng)的仿真。

建立Matlab與組態(tài)王之間通信連接的步驟如下。

1)搜索可用的OPC服務(wù)器。

為了建立與OPC服務(wù)器的連接，首先要知道OPC服務(wù)器的ID及其所在的主機(jī)名。組態(tài)王的默認(rèn)服務(wù)器名稱是KingView.View.1，使用指令hostInfo即可查詢到組態(tài)王的默認(rèn)服務(wù)器。

2)建立OPC服務(wù)器與客戶端連接。

在客戶端建立組對象并添加變量。若Matlab中無法檢索不到組態(tài)王中的數(shù)據(jù)變量，需使用添加格式“item名.value”手動添加。

3)建立組對象(Group)與Simulink的連接。

調(diào)用OPC tool中的OPC Config real-time、OPC read、OPC write 模塊，將Simulink中的輸出作為OPC Write模塊的輸入[10-11]，寫入到組態(tài)王中并顯示實時曲線變化。組態(tài)王中的數(shù)據(jù)變量作為OPC Read的輸入作為Simulink的仿真參數(shù)。

Matlab與組態(tài)王軟件均運行在同一臺計算機(jī)上，這為學(xué)生完成相關(guān)實驗提供了方便。

2 基于模糊自適應(yīng)的運動控制實驗設(shè)計

2.1 模糊自適應(yīng)PI控制算法設(shè)計

文中采用的模糊自適PI控制器結(jié)構(gòu)圖如2所示。

圖2 模糊PI控制器結(jié)構(gòu)圖

模糊PI控制器由轉(zhuǎn)速PI控制器和模糊查詢表構(gòu)成，模糊查詢表計算公式如下：

(1)

1)設(shè)置模糊控制器的結(jié)構(gòu)。

2)選定論域、語言值和隸屬度函數(shù)。

3)制定模糊規(guī)則。

表的模糊控制規(guī)則

4)去模糊化計算模糊查詢表。

去模糊化采用重心法，然后乘上比例因子，最終得到如圖3和圖4所示的模糊查詢表。

圖模糊查詢表三維曲面

圖模糊查詢表三維曲面

2.2 模糊自適應(yīng)PI控制算法仿真驗證

該實驗平臺的被控對象為他勵直流電動機(jī)，其關(guān)參數(shù)如表2所示。

表2 控制對象相關(guān)參數(shù)表

圖5 傳統(tǒng)PI與模糊自適應(yīng)PI算法性能比較

與傳統(tǒng)PI串級控制算法相比，模糊自適應(yīng)PI控制算法的轉(zhuǎn)速超調(diào)量和電流超調(diào)量更?。浑娋W(wǎng)電壓擾動時，模糊自適應(yīng)PI控制算法的轉(zhuǎn)速和電流波動更小，即具有較好的跟隨性能和抗擾性能。Simulink仿真如圖6所示。

圖6 模糊自適應(yīng)PI控制仿真圖

2.3 組態(tài)王監(jiān)控界面設(shè)計與動態(tài)演示

監(jiān)控界面設(shè)計包括靜態(tài)圖素的界面設(shè)計和數(shù)據(jù)變量的建立以及兩者之間的動態(tài)連接[13-15]。組態(tài)王監(jiān)控界面如圖7所示。

系統(tǒng)運行時，監(jiān)控界面的數(shù)據(jù)通過OPC模塊傳送到Simulink中運行。監(jiān)控界面的給定電壓傳送到圖6中的電壓給定模塊作為系統(tǒng)的給定，模糊自適應(yīng)PI控制器和電流控制器的參數(shù)分別傳送到圖6中模糊PI初值設(shè)置模塊和電流PI初值設(shè)置模塊的仿真參數(shù)，仿真系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速與電流輸出通過轉(zhuǎn)速電流輸出模塊傳送到監(jiān)控界面中的轉(zhuǎn)速儀表和電流表中實時顯示。實時曲線可實現(xiàn)對電機(jī)轉(zhuǎn)速和電樞電流變化實時監(jiān)控。

圖7 組態(tài)王監(jiān)控界面

2.4 實驗平臺功能特點與應(yīng)用分析

基于組態(tài)王與Matlab的智能控制實驗平臺，其優(yōu)勢體現(xiàn)在以下3個方面。

1)經(jīng)濟(jì)性好。該實驗平臺不需要昂貴的硬件設(shè)備，只需要一臺計算機(jī)即可完成所有的實驗工作，實驗操作簡單，受實驗條件限制小。

2)靈活性好、易于實現(xiàn)二次開發(fā)。該實驗平臺可以實現(xiàn)模糊自適應(yīng)PI控制算法和傳統(tǒng)PI算法。在該實驗平臺基礎(chǔ)上，學(xué)生可以自行設(shè)計多種智能控制算法，既可以滿足智能控制課程實驗的要求，又能滿足學(xué)生開展課程設(shè)計、創(chuàng)新研究等二次開發(fā)的要求。

3)直觀。組態(tài)王監(jiān)控界面具有直觀、形象的特點，相比Simulink仿真，可以使學(xué)生對智能控制方法的控制效果有更為直觀的感受，從而提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和積極性。

3 結(jié)束語

針對智能控制教學(xué)中存在缺乏實踐環(huán)節(jié)的問題，設(shè)計了基于Matlab與組態(tài)王的智能控制實驗平臺。該實驗平臺操作簡單，有助于學(xué)生對智能控制知識的認(rèn)知和動手實踐能力的鍛煉，而且便于學(xué)生進(jìn)行二次開發(fā)和創(chuàng)新研究。

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IntelligentControlExperimentPlatformBasedonMatlabandKingView

GAI Wendong，ZHANG Ning，ZHANG Jing，GAO Hongyan

(College of Electrical Engineering and Automation，Shandong University of Science and Technology，Qingdao 266590，China)

The intelligent control experiment platform based on Matlab and KingView is designed for the lack of practice in intelligent control teaching in this paper.The experimental platform uses Matlab to complete the intelligent control closed-loop simulation，and through the Object linking and embedding for process control(OPC) technology and configuration Kingview data communication，to achieve the dynamic monitoring of the experimental process.The design process of the experimental platform is illustrated by taking the fuzzy self-adaptive DC motor speed-current double closed-loop motion control as an example.And the fuzzy control algorithm is compared with the classical PID control algorithm to verify its effectiveness.The application results show that the experimental platform can display the experimental results visually and vividly，and meet the requirements of intelligent control experiment teaching，and facilitate the secondary development of the students accroding to their own needs.

intelligent control;fuzzy adaptive;KingView;OPC;motion control system

2016-01-11；修改日期:2016-05-07

山東省研究生教育創(chuàng)新計劃項目(SDYY16002)；山東科技大學(xué)優(yōu)秀教學(xué)團(tuán)隊建設(shè)計劃資助(JXTD20170510)；青年教師教學(xué)拔尖人才培育計劃資助項目(skzdhjxbj153)；山東省自然科學(xué)基金資助項目(ZR2014FQ008)。

蓋文東(1982-)，男，博士，講師，主要從事飛行控制、控制理論及其應(yīng)用方面的研究。

張寧,碩士生，主要從事控制理論及其應(yīng)用方面的研究，18306423245@163.com

TP273.4

A

10.3969/j.issn.1672-4550.2017.04.042