基于组态元件的单神经元pid控制器的实现方法
【专利摘要】本发明涉及工业自动化控制【技术领域】，特别是一种基于组态元件的单神经元PID控制器的实现方法，包括以下步骤：1、设计主控制回路，通过主控制回路使整个系统成为闭环控制系统；2、设计被控对象，并在仿真控制平台上搭建可进行纯理论仿真的仿真被控对象；3、在工控组态软件中完成单神经元PID控制器的设计开发；4、通过对仿真被控对象输出的反馈，自动在线调整PID权值；5、在工控组态软件中测试单神经元PID控制器对仿真被控对象的控制效果；6、由实际控制站取代仿真控制站软件，完成单神经元PID控制器对实际硬件设备的控制。该方法不仅编程简单，易于实现，而且提高了单神经元PID控制器的控制效果和通用性。
【专利说明】基于组态元件的单神经元PID控制器的实现方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及工业自动化控制【技术领域】，特别是一种基于组态元件的单神经元PID控制器的实现方法。
【背景技术】
[0002]传统的PID调节器由于其算法简单、鲁棒性好和可靠性高等特点，被广泛应用于工业过程控制并取得了良好的控制效果。但随着生产工艺的日益复杂，经常会遇到数学模型复杂的被控对象，由于传统的PID的参数不易实时在线调整，其应用受到很大的限制和挑战，尤其是对于大滞后、时变和非线性的复杂系统，传统的PID控制更显得无能为力。因此，在传统的PID控制上加入先进的智能控制算法，是解决时变、非线性、大时滞等难以控制的工业过程问题，提高装置的操作性能，以达到节能降耗、提高装置整体经济效益的重要方法。
[0003]单神经元PID算法结合了神经网络算法和基本PID算法的特点，结构简单，参数少，具有连续时间非线性动力学特性，高度的容错性和鲁棒性及自组织、自学习和实时处理等特性，适合于控制非线性、时变不确定性、大时滞、大惯性等难以精确建模的对象。
[0004]单神经元PID算法在实际工业控制中实现的方法很多，目前主要包括以下实现方式:一是直接在控制站上利用控制器(如PLC)自带的编程语言编写控制代码；二是在仿真平台上实现控制算法然后通过OPC标准接口输入控制器；三是利用COM组件技术封装算法，在基于微软操作系统的上位机中利用自动化组态软件调用。
[0005]但是，以上实现方式均存在不同方面的弊端:1、直接在控制站上采用专门的编程语言编写代码的方式会受到控制器硬件本身编程方式的限制，算法移植性不好，其次，通用性不足，各生产厂商为了维护自己品牌的利益，不同品牌的控制器采用的编程规则千差万另IJ，编程风格也大相径庭，一个品牌控制器平台上编程的算法基本不可能无修改的移植到另一个品牌控制器的平台上，此外编写的代码也无法实现在线修改，需要修改代码时必须先停止控制器工作；2、利用OPC标准接口进行仿真平台和控制器的通讯方式中传输的数据需要进入非实时的数据库进行数据处理，导致系统的实时性不高；3、在上位机中利用自动化软件对算法进行封装调用的方法会因为封装代码的结果导致逻辑的计算过程无法可视化，无法在线修改算法，而且由于采用组件技术插件需要微软操作系统的支持，因此只能应用在有微软操作系统的工控机等控制器中。
[0006]有鉴于此，有必要提出一种通用的、可在线修改的单神经元PID控制器的实现方法以解决上述问题。
【发明内容】
[0007]本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于组态元件的单神经元PID控制器的实现方法，该方法不仅编程简单，易于实现，而且提高了单神经元PID控制器的控制效果和通用性。[0008]为实现上述目的，本发明的技术方案是:一种基于组态元件的单神经元PID控制器的实现方法，采用组态元件，按如下步骤实现单神经元PID控制器:
步骤1:设计主控制回路，通过主控制回路使整个系统成为闭环控制系统；
步骤2:设计被控对象，并在仿真控制平台上搭建可进行纯理论仿真的仿真被控对象；所述被控对象应用三阶系统进行差分变换后，通过差分方程形式用模块化元件方式实现；步骤3:根据单神经元PID算法，结合仿真被控对象，在工控组态软件中完成单神经元PID控制器的设计开发；
步骤4:当单神经元PID控制器控制仿真被控对象的输出达到给定值时，通过对仿真被控对象输出的反馈，不断在线调整PID权值，实现PID权值的在线优化，所述PID权值包括增益系数、积分时间系数和微分时间等三个参数；
步骤5:在工控组态软件中测试单神经元PID控制器对仿真被控对象的控制效果，所述控制效果的测试包括:系统针对阶跃输入的响应性能测试；改变被控对象，加入时滞环节后系统的阶跃响应性能测试；
步骤6:由实际控制站取代仿真控制站软件，完成单神经元PID控制器对实际硬件设备的控制；
所述组态元件是执行模拟量或逻辑量操作的控制功能模块，多个组态元件之间通过有序连接形成系统的控制框图，各种组态元件通过图形或被称作元件符号的字母代码区别；所述组态元件包括输入元件、输出元件、中间元件、过渡元件和先进控制元件，所述中间元件为用于中间逻辑计算的控制功能模块，所述过渡元件为既可位于输入侧获取输入数据，又可位于输出侧输出中间逻辑计算结果的控制功能模块，所述先进控制元件为采用理论成熟的先进控制算法，将复杂的输入分解，采用多级中间变量，通过线性计算在每个输入与中间变量之间建立关系，从而得到最优化的输出结果的控制功能模块。
[0009]进一步的，所述步骤I中主控制回路的设计包括:常规PID控制器的搭建、常规PID控制器和单神经元PID控制器输入输出数据的处理、给定值的输入以及被控对象输出值的反馈。
[0010]进一步的，所述步骤3中单神经元PID控制器的设计包括:单神经元PID控制元件的名称与图标设计、输入输出参数设计、元件控制参数设计以及单神经元算法的调用设计。
[0011]相较于现有技术，本发明的有益效果是:采用组态元件的方式在上位机中实现单神经元PID控制器，具有编程简单、性能稳定、计算过程可视化，可在线监测、在线修改等众多优点，可有效提高被控对象的控制效果。此外，本发明提供的单神经元PID控制算法可以下载到不同的控制器中运行，不需要对算法本身做任何修改，使得算法具有通用性，凭借对组态元件的优化、升级，控制器的控制性能可满足不同应用环境或工艺特性的控制要求，提升了控制系统开发和维护的效率，降低了成本与风险。
【专利附图】
【附图说明】
[0012]图1是本发明实施例的单神经元PID控制器的控制原理框图。
[0013]图2是本发明实施例的实现方法流程图。
[0014]图3是本发明实施例中本发明方法与常规PID控制方法对大滞后对象控制的对比曲线图。【具体实施方式】
[0015]下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步的详细说明。
[0016]本发明提供一种基于组态元件的单神经元PID控制器的实现方法，该方法中，所述组态元件是执行模拟量或逻辑量操作的控制功能模块，多个组态元件之间通过有序连接形成系统的控制框图，如图1所示，各种组态元件通过图形或被称作元件符号的字母代码区别；所述组态元件根据功能不同，可分为五种类型:输入元件、输出元件、中间元件、过渡元件以及先进控制元件，所述中间元件为用于中间逻辑计算的控制功能模块，所述过渡元件为既可位于输入侧获取输入数据，又可位于输出侧输出中间逻辑计算结果的控制功能模块，所述先进控制元件为采用理论成熟的先进控制算法，将复杂的输入分解，采用多级中间变量，通过线性计算在每个输入与中间变量之间建立关系，从而得到最优化的输出结果的控制功能模块。
[0017]请参照图2所示，本发明采用组态元件，按如下步骤实现单神经元PID控制器: 步骤1:设计主控制回路，通过主控制回路使整个系统成为闭环控制系统；
步骤2:设计被控对象，并在仿真控制平台上搭建可进行纯理论仿真的仿真被控对象；所述被控对象应用三阶系统进行差分变换后，通过差分方程形式用模块化元件方式实现；步骤3:根据单神经元PID算法，结合仿真被控对象，在工控组态软件中完成单神经元PID控制器的设计开发；
步骤4:当单神经元PID控制器控制仿真被控对象的输出达到给定值，通过对仿真被控对象输出的反馈，不断在线调整PID权值，实现PID权值的在线优化，增加系统的自适应性，所述PID权值包括增益系数、积分时间系数和微分时间等三个参数；
步骤5:在工控组态软件中测试单神经元PID控制器对仿真被控对象的控制效果，所述控制效果的测试包括:1)系统针对阶跃输入的响应性能测试；2)改变被控对象，加入时滞环节后系统的阶跃响应性能测试；
步骤6:由实际控制站取代仿真控制站软件，完成单神经元PID控制器对实际硬件设备的控制；
所述步骤I中主控制回路的设计具体包括:常规PID控制器的搭建、常规PID控制器和单神经元PID控制器输入输出数据的处理、给定值的输入以及被控对象输出值的反馈。
[0018]所述步骤3中单神经元PID控制器的设计具体包括:单神经元PID控制元件的名称与图标设计、输入输出参数设计、元件控制参数设计以及单神经元算法的调用设计。
[0019]如图3所示，通过仿真实现证明单神经元PID的控制品质要优于常规PID控制器，特别是针对大时滞，纯滞后的被控对象，单神经元控制器可以增加系统的稳定性，减小超调，图3中曲线I采用常规PID算法对大滞后对象进行控制，出现很大震荡，曲线2采用单神经元PID算法控制，输出很快达到稳定，没有发生剧烈震荡。由于本发明方法采用采用组态元件的方式在上位机中实现，使得计算过程可视化，可在线监控，在线修改；并且可以将该算法下载到不同的控制器中运行，不需要对算法本身做任何修改，使得算法具有通用性，凭借对组态元件的优化、升级，控制器的控制性能即可满足不同应用环境或工艺特性的控制要求，提升了控制系统开发和维护的效率，降低了成本与风险。
[0020]以上是本发明的较佳实施例，凡依本发明技术方案所作的改变，所产生的功能作用未超出本发明技术方案的范围时，均属于本发明的保护范围。
【权利要求】
1.一种基于组态元件的单神经元PID控制器的实现方法，其特征在于:采用组态元件，按如下步骤实现单神经元PID控制器: 步骤1:设计主控制回路，通过主控制回路使整个系统成为闭环控制系统； 步骤2:设计被控对象，并在仿真控制平台上搭建可进行纯理论仿真的仿真被控对象；所述被控对象应用三阶系统进行差分变换后，通过差分方程形式采用组态元件实现； 步骤3:根据单神经元PID算法，结合仿真被控对象，在工控组态软件中完成单神经元PID控制器的设计开发； 步骤4:当单神经元PID控制器控制仿真被控对象的输出达到给定值时，通过对仿真被控对象输出的反馈，不断在线调整PID权值，实现PID权值的在线优化，所述PID权值包括增益系数、积分时间系数和微分时间等三个参数； 步骤5:在工控组态软件中测试单神经元PID控制器对仿真被控对象的控制效果，所述控制效果的测试包括:系统针对阶跃输入的响应性能测试；改变被控对象，加入时滞环节后系统的阶跃响应性能测试； 步骤6:由实际控制站取代仿真控制站软件，完成单神经元PID控制器对实际硬件设备的控制； 所述组态元件是执行模拟量或逻辑量操作的控制功能模块，多个组态元件之间通过有序连接形成系统的控制框图，各种组态元件通过图形或被称作元件符号的字母代码区别；所述组态元件包括输入元件、输出元件、中间元件、过渡元件和先进控制元件，所述中间元件为用于中间逻辑计算的控制功能模块，所述过渡元件为既可位于输入侧获取输入数据，又可位于输出侧输出中间逻辑计算结果的控制功能模块，所述先进控制元件为采用理论成熟的先进控制算法，将复杂的输入分解，采用多级中间变量，通过线性计算在每个输入与中间变量之间建立关系，从而得到最优化的输出结果的控制功能模块。
2.根据权利要求1所述的基于组态元件的单神经元PID控制器的实现方法，其特征在于:所述步骤I中主控制回路的设计包括:常规PID控制器的搭建、常规PID控制器和单神经元PID控制器输入输出数据的处理、给定值的输入以及被控对象输出值的反馈。
3.根据权利要求1所述的基于组态元件的单神经元PID控制器的实现方法，其特征在于:所述步骤3中单神经元PID控制器的设计包括:单神经元PID控制元件的名称与图标设计、输入输出参数设计、元件控制参数设计以及单神经元算法的调用设计。
【文档编号】G05B11/42GK103558756SQ201310580717
【公开日】2014年2月5日 申请日期:2013年11月19日 优先权日:2013年11月19日
【发明者】郑松, 邓潇 申请人:福州大学