Разработка и программная реализация нечеткого псевдолинейного регулятора

Цель работы – провести синтез нечеткого корректирующего устройства с фазовым опережением в программном пакете MATLAB, после чего программно реализовать в пакете STEP7 для контроллера Simatic S7-300.
В процессе выполнения работы выполнен обзор линейных, нелинейных и псевдолинейных корректирующих устройств, смоделирована логика работы нечеткого псевдолинейного корректирующего устройства и реализована программа в контроллере Simatic S7-300 для практического применения корректирующего устройства в объекте управления второго порядка.

Введение…………………………………………………………………………………………… 15

1 Аналитический обзор корректирующих устройств………………………. 17

1.1 Устройства линейной коррекции …………………………………………… 17
1.2 Устройства нелинейной коррекции ……………………………………….. 19
1.3 Псевдолинейные корректирующие устройства ………………………. 20
1.3.1 Корректирующее устройство с амплитудным подавлением 21
1.3.2 Двухканальное корректирующее устройство ……………………. 22
1.3.3 Корректирующее устройство с запоминанием экстремума .. 22
1.3.4 Корректирующее устройство с фазовым опережением …….. 23
2 Нечеткие множества, логика и их теоретические основы. Структура
систем автоматического регулирования с нечеткими регуляторами ……………… 24

2.1 Нечеткое множества, его основные свойства и характеристики 25
2.2 Лингвистические переменные и нечеткие числа …………………….. 27
2.3 Нечеткая логика и ее основные свойства (нечеткие выводы) …. 30
2.4 Структуры систем автоматического регулирования с нечеткими
регуляторами и математический аппарат их описания ………………………………. 33
3 Исследование и синтез псевдолинейного КУ в среде Matlab………… 35

3.1 Исследование свойств корректирующего устройства с фазовым
опережением ……………………………………………………………………………………………. 35
3.2 Моделирование в среде MatLab работы ПКУ с фазовым
опережением ……………………………………………………………………………………………. 39
4 Программная реализация псевдолинейного корректирующего
устройства на контроллере Simatic S7-300 ……………………………………………………. 62

4.1 Состав контроллера SIMATIC S7-300 ……………………………………. 62
4.2 Программный пакет Simatic WinCC ………………………………………. 63
4.3 Программная реализация нечеткого псевдолинейного
корректирующего устройства с фазовым опережением в пакете STEP7 ……. 66
4.3.1 Блок передаточной функции КУ ………………………………………. 69
4.3.2 Блок передаточной функции ОУ ………………………………………. 73
4.3.3 Блок определения знака сигнала ………………………………………. 73
4.3.4 Блок фазового КУ ……………………………………………………………. 74
4.3.5 Блок вычисления интеграла ……………………………………………… 76
4.3.6 Блок ПИД-регулирования ………………………………………………… 78
4.3.7 Блок переключателя ………………………………………………………… 79
4.3.8 Блок кусочно-линейной функции …………………………………….. 79
4.3.9 Блок нечеткой логики ………………………………………………………. 80
4.3.10 Блок вычисления интегральной квадратичной ошибки …….. 81
4.4 Разработка панели визуализации процесса в Simatic WinCC ….. 82
5 Финансовый менеджмент, ресурсоэффективность и
ресурсосбережение………………………………………………………………………………………. 85

5.1 Организация и планирование работ ……………………………………….. 85
5.1.1 Определение продолжительности этапов работ………………… 86
5.2 Составление сметы затрат на разработку проекта ………………….. 89
5.2.1 Материалы и покупные изделия ………………………………………. 90
5.2.2 Основная заработная плата ………………………………………………. 90
5.2.3 Дополнительная заработная плата ……………………………………. 91
5.2.4 Расходы на оборудование для выполнения работ ……………… 92
5.2.5 Расчет амортизационных расходов …………………………………… 93
5.2.6 Прочие прямые расходы …………………………………………………. 93
5.2.7 Расчет общей себестоимости разработки………………………….. 94
5.2.8 Прибыль ………………………………………………………………………….. 94
5.2.9 НДС ………………………………………………………………………………… 94
5.2.10 Цена разработки НИР ………………………………………………………. 94
5.3 Оценка экономической эффективности проекта …………………….. 95
6 Социальная ответственность……………………………………………………….. 96

6.1 Правовые и организационные вопросы обеспечения
безопасности ……………………………………………………………………………………………. 96
6.2 Производственная безопасность ……………………………………………. 98
6.2.1 Отклонение показателей микроклимата …………………………… 99
6.2.2 Превышение уровня шума ……………………………………………… 100
6.2.3 Освещение …………………………………………………………………….. 101
6.2.4 Психические и физические перегрузки …………………………… 102
6.2.5 Электробезопасность ……………………………………………………… 103
6.3 Экологическая безопасность ……………………………………………….. 104
6.4 Безопасность в чрезвычайных ситуациях …………………………….. 105
Вывод по разделу «Социальная ответственность»………………………… 106
Заключение …………………………………………………………………………………….. 108

The conclusion …………………………………………………………………………………. 110

Список литературы …………………………………………………………………………. 111

Приложение А (обязательное) Функциональный блок передаточной
функции объекта управления……………………………………………………………………… 115

Приложение Б (обязательное) Листинг функционального блока ПИД –
регулятора ………………………………………………………………………………………………… 119

Приложение В (обязательное) Листинг функционального блока
переключателя …………………………………………………………………………………………… 122

Приложение Г (обязательное) Листинг функционального блока кусочно-
линейных функций …………………………………………………………………………………….. 125

Приложение Д (обязательное) Листинг функционального блока
нечеткой логики…………………………………………………………………………………………. 129

Приложение Е (справочное) Analytic review of existing corrective
devices….. …………………………………………………………………………………………………. 139

В рамках данной работы был проведен обзор основных видов
существующих корректирующих устройств. Для исследования был сделан
выбор в пользу псевдолинейного корректирующего устройства с фазовым
опережением. Было проведено моделирования работы данного устройства
применительно к объекту управления второго порядка. Моделирование
показало, что влияние корректирующего устройства на качество процесса
регулирования полностью зависит от параметров корректирующего устройства.
Также в работе были рассмотрены теоретические основы нечеткой
логики и построение нечетких управляющих систем. На основе данных
материалов в пакетах MATLAB Simulink и MATLAB Fuzzy Logic Toolbox была
проведена разработка и моделирование псевдолинейного корректирующего
устройства с фазовым опережением с подстройкой параметров через блок
нечеткой логики. В случаях большого диапазона изменения параметров объекта
управления введение нечетких устройств регулирования помогает обеспечить
необходимое качество регулирования и является более предпочтительным
вариантом по сравнению с обычным устройствами. В результате исследования
было замечено, что введение нечеткого корректирующего устройства в систему
автоматического регулирования позволяет повысить качество регулирования
при изменяющемся объекте управления за счет подстройки коэффициента его
передаточной функции, и обеспечивает либо равноценное (в сравнении с
обычным ПИД-регулятором), либо более высокое (в сравнении с нечетким
ПИД – регулятором) качество регулирования. Однако также стоит отметить,
что нечеткое КУ проигрывает в быстродействии обычному ПИД – регулятору
(в случае базовых параметров объекта управления) и нечеткому ПИД –
регулятору (в случае выхода объекта управления на границу устойчивости).
Данная проблема может быть решена введением дополнительного контура
нечеткого регулирования для коэффициента усиления корректирующего
устройства. Учитывая тот факт, что по сравнению с синтезом нечеткого ПИД –
регулятора синтез нечеткого КУ является более простой задачей (меньшее
количество функций принадлежности входных и выходных переменных, более
простая база правил), такой вариант является наиболее оптимальным.
Также нечеткое псевдолинейное корректирующее устройство было
реализовано программно в пакете STEP7. В процессе реализации
использовались как стандартные блоки пакета, так и пользовательские
функциональные блоки. Разработка производилась на языках FBD и SCL.
The conclusion
In this paper, a review of the main types of corrective devices was carried out.
For the study, a choice was made in favor of a pseudo-linear corrector with a phase
advance. Models of the operation of this device were carried out in relation to a
second-order control object. Simulation has shown that the influence of the correcting
device on the quality of regulation completely depends on the parameters of the
correcting device.
Also, the work considered the theoretical foundations of fuzzy logic and the
construction of fuzzy control systems. On the basis of these materials in the
MATLAB Simulink and MATLAB Fuzzy Logic Toolbox packages, the development
and simulation of a pseudo-linear correcting device with a phase advance with
adjustment of parameters through a fuzzy logic block was carried out. The results of
the study showed that with the basic parameters of the object, the control gives a
slight improvement in the quality of the regulation process. As when the parameters
of the control object change, the fuzzy correcting device gives a significant gain in
the transient process compared to the conventional correcting process, which in the
worst case does not provide the required quality and the system at a given setpoint at
all.
Also, a fuzzy pseudo-linear correcting device was implemented in software in
the STEP7 package. In the process of implementation, both the building blocks of the
package and custom function blocks. The development was carried out in the FBD
and SCL languages.