一种基于可编程控制器的电气控制系统的制作方法

1.本发明涉及电气控制技术领域，尤其是一种基于可编程控制器的电气控制系统。


背景技术：

2.近些年来，伴随着工业进程的不断发展，工程作业流程也在向着复杂化、精细化、智能化方向不断前进，对于生产工人的使用逐渐减少，取而代之的是，对于工业机械设备的使用越来越多。但是，科技在给人类带来高效与便捷的同时，同样带来了自动控制的不确定性、时滞性等，受限于试验设备、仪表装置、测试时间与创建模型技术等情况，使电气控制设备无法工作于最佳状态。而可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专门在工业环境下应用而设计。它采用可以编制程序的存储器，用来在执行存储逻辑运算和顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字或模拟的输入和输出接口，控制各种类型的机械设备或生产过程。
3.故本发明提出一种基于可编程控制器的电气控制系统，基于可编程控制的控制平台实现对电气控制系统的不同控制模式，并能够通过编写的控制系统程序对电气控制系统进行动态控制，并通过自适应控制算法使系统灵活地运行在最佳工作状态，提升系统工作性能。


技术实现要素：

4.本发明的目的是通过提出一种基于可编程控制器的电气控制系统，以解决上述背景技术中提出的缺陷。
5.本发明采用的技术方案如下：
6.提供一种基于可编程控制器的电气控制系统，包括：
7.控制平台：用于实现实时动态电气控制；
8.可编程控制模块：用于实现对控制平台的可编程控制；
9.响应模块：用于响应控制平台发出的控制指令；
10.反馈模块：用于反馈根据指令响应的设备运行数据。
11.作为本发明的一种优选技术方案：所述控制平台设置了三种控制模式，所述三种控制模式包括自动控制模式、手动控制模式和半自动控制模式。
12.作为本发明的一种优选技术方案：所述可编程控制模块控制半自动控制模式实现对系统的调试与运行。
13.作为本发明的一种优选技术方案：所述可编程控制模块控制半自动控制模式的过程中，系统通过自适应控制算法实现对可编程控制模块输入的指令进行自适应调整。
14.作为本发明的一种优选技术方案：所述自适应控制算法搭建pid控制算法模型，通过改进的萤火虫算法对pid控制算法模型中的可调参数的自适应率进行寻优代入pid控制算法模型中，获得自适应控制算法。
15.作为本发明的一种优选技术方案：所述pid控制算法模型u(t)搭建如下：
[0016][0017]
其中，e(t)为t时刻标准模型与真实模型的偏差，k
p
为可调比例参数，ki为可调积分参数，kd为可调微分参数；
[0018]
e(t)＝ym(t)-y
p
(t)
[0019]
其中，ym(t)为t时刻输入标准变量对应的输出，y
p
(t)为t时刻输入真实变量对应的输出；
[0020]
pid控制结构的输出为：
[0021][0022]
其中，分别为可调参数k
p
、ki、kd对应的自适应率，分别为pid控制可调参数k
p
、ki、kd对应的初始值，λ为自适应增益因子，α1、α2、α3分别为参数k
p
、ki、kd对应反馈增益，ε(t)为自适应误差信号；
[0023]
ε(t)＝-ge(t)
[0024]
其中，g为首一赫瓦兹多项式。
[0025]
作为本发明的一种优选技术方案：所述改进的萤火虫算法对pid控制算法模型中的可调参数的自适应率进行寻优具体如下：
[0026]
所述pid控制算法模型中的可调参数的自适应率中λ为变化因子，对d维空间中的自适应增益因子λ进行初始化映射得到一个混沌变量，并通过下式获得n个混沌变量：
[0027][0028]
其中，x
n，d
表示第n个自适应增益因子个体d维的位置，x
n+1，d
表示第n个自适应增益因子个体d维的位置；
[0029]
以自动控制算法中信号误差的导数为适应度函数，将所述n个混沌变量映射至目标函数的搜索空间中，获得n只萤火虫个体的初始位置x
′i以及变换位置x
″i：
[0030]
x
″
i，d
＝x
′
i，d
+x
n，d
[0031][0032]
其中，x
i，d
为萤火虫i在d维的位置，f(x
′i)和f(x
″i)分别为x
′i和x
″i对应的个体适应度值；
[0033]
当萤火虫i比萤火虫j更亮时，萤火虫i向j移动，第t次迭代d维位置更新公式为：
[0034][0035]
其中，x
i+1
为萤火虫i更新的位置，ω为权重系数，xj为萤火虫j的位置，xi为萤火虫i的位置，β0为萤火虫自身吸引力，r
ij
为萤火虫i和萤火虫j的距离，γ为吸引力因子，e为数学常量，r为均匀分布在[0，1]的随机数，α
t
是第t次迭代的步长参数；
[0036]
其中，步长参数α
t
满足：
[0037][0038]
其中，α0表示初始步长参数，t表示当迭代次数，t表示最大迭代次数，f(xi)表示第t次迭代个体i的适应度值，f
max
(xi)、f
min
(xi)分别表示个体i在当前迭代次数中适应度最大值和适应度最小值。
[0039]
作为本发明的一种优选技术方案：所述自适应控制算法中，根据萤火虫算法设置的最大迭代次数寻优获得最优自适应增益因子λ，并代入至pid控制结构的输出及pid控制算法模型中获得自适应控制算法。
[0040]
作为本发明的一种优选技术方案：所述可编程控制模块控制的半自动控制模式根据反馈模块反馈的设备运行数据进行系统的自适应调试及运行。
[0041]
作为本发明的一种优选技术方案：所述响应模块还根据反馈模块反馈的设备故障信息执行设备紧急停止指令，同时发送相应停止信息至控制平台。
[0042]
本发明提供的基于可编程控制器的电气控制系统，与现有技术相比，其有益效果有：
[0043]
本发明提出一种基于可编程控制器的电气控制系统，基于可编程控制的控制平台实现对电气控制系统的不同控制模式，并能够通过编写的控制系统程序对电气控制系统进行动态控制，并通过自适应控制算法使系统灵活地运行在最佳工作状态，提升系统工作性能。
附图说明
[0044]
图1为本发明优选实施例的系统框图。
[0045]
图中各个标记的意义为：100、控制平台；200、可编程控制模块；300、响应模块；400、反馈模块。
具体实施方式
[0046]
需要说明的是，在不冲突的情况下，本实施例中的实施例及实施例中的特征可以相互组合，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0047]
参照图1，本发明优选实施例提供了一种基于可编程控制器的电气控制系统，包括：
[0048]
控制平台100：用于实现实时动态电气控制；
[0049]
可编程控制模块200：用于实现对控制平台的可编程控制；
[0050]
响应模块300：用于响应控制平台发出的控制指令；
[0051]
反馈模块400：用于反馈根据指令响应的设备运行数据。
[0052]
所述控制平台100设置了三种控制模式，所述三种控制模式包括自动控制模式、手动控制模式和半自动控制模式。
[0053]
所述可编程控制模块200控制半自动控制模式实现对系统的调试与运行。
[0054]
所述可编程控制模块200控制半自动控制模式的过程中，系统通过自适应控制算法实现对可编程控制模块输入的指令进行自适应调整。
[0055]
所述自适应控制算法搭建pid控制算法模型，通过改进的萤火虫算法对pid控制算法模型中的可调参数的自适应率进行寻优代入pid控制算法模型中，获得自适应控制算法。
[0056]
所述pid控制算法模型u(t)搭建如下：
[0057][0058]
其中，e(t)为t时刻标准模型与真实模型的偏差，k
p
为可调比例参数，ki为可调积分参数，kd为可调微分参数；
[0059]
e(t)＝ym(t)-y
p
(t)
[0060]
其中，ym(t)为t时刻输入标准变量对应的输出，y
p
(t)为t时刻输入真实变量对应的输出；
[0061]
pid控制结构的输出为：
[0062][0063]
其中，分别为可调参数k
p
、ki、kd对应的自适应率，分别为pid控制可调参数k
p
、ki、kd对应的初始值，λ为自适应增益因子，α1、α2、α3分别为参数k
p
、ki、kd对应反馈增益，ε(t)为自适应误差信号；
[0064]
ε(t)＝-ge(t)
[0065]
其中，g为首一赫瓦兹多项式。
[0066]
其中，自适应增益因子λ是通过混沌变量进行初始化映射得到的，本实施例中基于统计分布的映射方法来提高搜索效果，具体如下：
[0067]
自适应增益因子λ，其取值范围为[-1，1]，本实施例选择正态分布作为统计分布。
[0068]
收集使用pid控制算法模型时所使用的可调参数(比例参数k
p
、积分参数ki、微分参数kd)的取值数据进行统计分布，得到分布d、均值μ和标准差σ；
[0069]
使用所选的统计分布d和参数μ、σ，生成随机数r，r～d(μ，σ)。
[0070]
将生成的随机数r映射到自适应增益因子λ的取值范围[λ
min
，λ
max
]，使用线性变换将r映射到[λ
min
，λ
max
]范围，具体为：
[0071][0072]
其中，λ
min、
λ
max
为自适应增益因子λ的取值范围。
[0073]
所述改进的萤火虫算法对pid控制算法模型中的可调参数的自适应率进行寻优具体如下：
[0074]
所述pid控制算法模型中的可调参数的自适应率中λ为变化因子，对d维空间中的
自适应增益因子λ进行初始化映射得到一个混沌变量，并通过下式获得n个混沌变量：
[0075][0076]
其中，x
n，d
表示第n个自适应增益因子个体d维的位置，x
n+1，d
表示第n个自适应增益因子个体d维的位置；
[0077]
以自动控制算法中信号误差的导数为适应度函数，将所述n个混沌变量映射至目标函数的搜索空间中，获得n只萤火虫个体的初始位置x
′i以及变换位置x
″
l
：
[0078]
x
″
l，d
＝x
′
l，d
+x
n，d
[0079][0080]
其中，x
i，d
为萤火虫i在d维的位置，f(x
′i)和f(x
″i)分别为x
′i和x
″i对应的个体适应度值；
[0081]
当萤火虫i比萤火虫j更亮时，萤火虫i向j移动，第t次迭代d维位置更新公式为：
[0082][0083]
其中，x
i+1
为萤火虫i更新的位置，ω为权重系数，xj为萤火虫j的位置，xi为萤火虫i的位置，β0为萤火虫自身吸引力，r
ij
为萤火虫i和萤火虫j的距离，γ为吸引力因子，e为数学常量，r为均匀分布在[0，1]的随机数，α
t
是第t次迭代的步长参数；
[0084]
其中，步长参数α
t
满足：
[0085][0086]
其中，α0表示初始步长参数，t表示当迭代次数，t表示最大迭代次数，f(xi)表示第t次迭代个体i的适应度值，f
max
(xi)、f
min
(xi)分别表示个体i在当前迭代次数中适应度最大值和适应度最小值。
[0087]
所述自适应控制算法中，根据萤火虫算法设置的最大迭代次数寻优获得最优自适应增益因子λ，并代入至pid控制结构的输出及pid控制算法模型中获得自适应控制算法。
[0088]
所述可编程控制模块200控制的半自动控制模式根据反馈模块400反馈的设备运行数据进行系统的自适应调试及运行。
[0089]
所述响应模块300还根据反馈模块400反馈的设备故障信息执行设备紧急停止指令，同时发送相应停止信息至控制平台100。
[0090]
本实施例中，控制平台100通过自动控制模式、手动控制模式和半自动控制模式控制系统的正常运作。其中，自动控制模式实现了一键启动，主要是用于系统平稳运行时的控制；手动控制模式是用于控制系统启动或者停止，并可以对各个设备的各个装置进行单独控制；半自动控制模式是用于对整个系统进行联合调试与试运行，通过可编程控制模块200通过自适应控制算法实现对系统的半自动控制，可编程控制模块200向控制平台100发出控制指令，系统通过搭建pid控制算法模型u(t)：
[0091][0092]
其中，e(t)为t时刻标准模型与真实模型的偏差，k
p
为可调比例参数，ki为可调积分参数，kd为可调微分参数，ym(t)为t时刻输入标准变量对应的输出，y
p
(t)为t时刻输入真实变量对应的输出；
[0093]
pid控制结构的输出为：
[0094][0095]
其中，分别为可调参数k
p
、ki、kd对应的自适应率，分别为pid控制可调参数k
p
、ki、kd对应的初始值，λ为自适应增益因子，α1、α2、α3分别为参数k
p
、ki、kd对应反馈增益，g为首一赫瓦兹多项式。
[0096]
pid算法中的可调参数的自适应率中λ为变化因子，对8维空间中的自适应增益因子λ进行初始化映射得到一个混沌变量x
1，d
，并通过下式获得50个混沌变量：
[0097][0098]
其中，x
n，d
表示第n个自适应增益因子个体d维的位置，x
n+1，d
表示第n个自适应增益因子个体d维的位置；
[0099]
以自动控制算法中信号误差的导数为适应度函数，将50个混沌变量映射至目标函数的搜索空间中，获得50只萤火虫个体的初始位置x
′i以及变换位置x
″i，设定最大迭代次数为500次：
[0100]
x
″
l，d
＝x
′
i，d
+x
n，d
[0101][0102]
其中，x
i,d
为萤火虫i在d维的位置，f(x
′i)和f(x
″i)分别为x
′i和x
″i对应的个体适应度值；
[0103]
当萤火虫i比萤火虫j更亮时，萤火虫i向j移动，第t次迭代d维位置更新公式为：
[0104][0105]
其中，x
i+1
为萤火虫i更新的位置，ω为权重系数，xj为萤火虫j的位置，xi为萤火虫i
的位置，β0为萤火虫自身吸引力，r
ij
为萤火虫i和萤火虫j的距离，γ为吸引力因子，e为数学常量，r为均匀分布在[0,1]的随机数，α
t
是第t次迭代的步长参数；
[0106]
其中，步长参数α
t
满足：
[0107][0108]
其中，α0表示初始步长参数，t表示当迭代次数，f(xi)表示第t次迭代个体i的适应度值，f
max
(xi)、f
min
(xi)分别表示个体i在当前迭代次数中适应度最大值和适应度最小值。
[0109]
传统的萤火虫算法中通常采用随机方式对萤火虫种群的个体位置进行初始化，这样容易导致很多萤火虫个体的位置分布存在不均匀、个体相互之间差异比较大、种群多样性存在衰减的问题，不利于算法整体性能的提升，为了尽可能地避免这种情况的发生，本实施例使用混沌映射进行算法的种群初始化，这样能够通过混沌映射来保证萤火虫个体在搜索范围内能够遍历所有的状态，能够有效地保证整个萤火虫种群具有较强的搜索能力，且分布比较广泛的初始种群。
[0110]
根据迭代至500次后获得的最优自适应增益因子λb，代入至pid控制结构的输出中：
[0111][0112]
同时根据搭建的pid控制算法模型进行系统的自适应控制。
[0113]
并根据可编程控制模块200发出的不同控制指令进行相应的控制与调整。
[0114]
响应模块300根据系统做出的自适应控制与调整进行设备的响应操作。反馈模块400实时反馈设备的运行数据，响应模块300还根据反馈模块400反馈的设备故障数据进行设备的紧急停止操作，以保证设备及人员的安全，同时发送相应信息至控制平台100，以便控制平台100及时响应。
[0115]
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
[0116]
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

技术特征：
1.一种基于可编程控制器的电气控制系统，其特征在于：包括：控制平台(100)：用于实现实时动态电气控制；可编程控制模块(200)：用于实现对控制平台的可编程控制；响应模块(300)：用于响应控制平台发出的控制指令；反馈模块(400)：用于反馈根据指令响应的设备运行数据。2.根据权利要求1所述的基于可编程控制器的电气控制系统，其特征在于：所述控制平台(100)设置了三种控制模式，所述三种控制模式包括自动控制模式、手动控制模式和半自动控制模式。3.根据权利要求2所述的基于可编程控制器的电气控制系统，其特征在于：所述可编程控制模块(200)控制半自动控制模式实现对系统的调试与运行。4.根据权利要求3所述的基于可编程控制器的电气控制系统，其特征在于：所述可编程控制模块(200)控制半自动控制模式的过程中，系统通过自适应控制算法实现对可编程控制模块输入的指令进行自适应调整。5.根据权利要求4所述的基于可编程控制器的电气控制系统，其特征在于：所述自适应控制算法搭建pid控制算法模型，通过改进的萤火虫算法对pid控制算法模型中的可调参数的自适应率进行寻优代入pid控制算法模型中，获得自适应控制算法。6.根据权利要求5所述的基于可编程控制器的电气控制系统，其特征在于：所述pid控制算法模型u(t)搭建如下：其中，e(t)为t时刻标准模型与真实模型的偏差，k
p
为可调比例参数，k
i
为可调积分参数，k
d
为可调微分参数；e(t)＝y
m
(t)-y
p
(t)其中，y
m
(t)为t时刻输入标准变量对应的输出，y
p
(t)为t时刻输入真实变量对应的输出；pid控制结构的输出为：其中，分别为可调参数k
p
、k
i
、k
d
对应的自适应率，分别为pid控制可调参数k
p
、k
i
、k
d
对应的初始值，λ为自适应增益因子，α1、α2、α3分别为参数k
p
、k
i
、k
d
对应反馈增益，ε(t)为自适应误差信号；ε(t)＝-ge(t)其中，g为首一赫瓦兹多项式。7.根据权利要求6所述的基于可编程控制器的电气控制系统，其特征在于：所述改进的萤火虫算法对pid控制算法模型中的可调参数的自适应率进行寻优具体如下：
所述pid控制算法模型中的可调参数的自适应率中λ为变化因子，对d维空间中的自适应增益因子λ进行初始化映射得到一个混沌变量，并通过下式获得n个混沌变量：其中，x
n，d
表示第n个自适应增益因子个体d维的位置，x
n+1，d
表示第n个自适应增益因子个体d维的位置；以自动控制算法中信号误差的导数为适应度函数，将所述n个混沌变量映射至目标函数的搜索空间中，获得n只萤火虫个体的初始位置x
′
i
以及变换位置x
″
i
：x
″
i，d
＝x
′
i，d
+x
n，d
其中，x
i,d
为萤火虫i在d维的位置，f(x
′
i
)和f(x
″
i
)分别为x
′
i
和x
″
i
对应的个体适应度值；当萤火虫i比萤火虫j更亮时，萤火虫i向j移动，第t次迭代d维位置更新公式为：其中，x
i+1
为萤火虫i更新的位置，ω为权重系数，x
j
为萤火虫j的位置，x
i
为萤火虫i的位置，β0为萤火虫自身吸引力，r
ij
为萤火虫i和萤火虫j的距离，γ为吸引力因子，e为数学常量，r为均匀分布在[0,1]的随机数，α
t
是第t次迭代的步长参数；其中，步长参数α
t
满足：其中，α0表示初始步长参数，t表示当迭代次数，t表示最大迭代次数，f(x
i
)表示第t次迭代个体i的适应度值，f
max
(x
i
)、f
min
(x
i
)分别表示个体i在当前迭代次数中适应度最大值和适应度最小值。8.根据权利要求7所述的基于可编程控制器的电气控制系统，其特征在于：所述自适应控制算法中，根据萤火虫算法设置的最大迭代次数寻优获得最优自适应增益因子λ，并代入至pid控制结构的输出及pid控制算法模型中获得自适应控制算法。9.根据权利要求1所述的基于可编程控制器的电气控制系统，其特征在于：所述可编程控制模块(200)控制的半自动控制模式根据反馈模块(400)反馈的设备运行数据进行系统的自适应调试及运行。10.根据权利要求1所述的基于可编程控制器的电气控制系统，其特征在于：所述响应模块(300)还根据反馈模块(400)反馈的设备故障信息执行设备紧急停止指令，同时发送相应停止信息至控制平台(100)。

技术总结
本发明涉及电气控制技术领域，尤其为一种基于可编程控制器的电气控制系统，包括：控制平台：用于实现实时动态电气控制；可编程控制模块：用于实现对控制平台的可编程控制；响应模块：用于响应控制平台发出的控制指令；反馈模块：用于反馈根据指令响应的设备运行数据。本发明提出一种基于可编程控制器的电气控制系统，基于可编程控制的控制平台实现对电气控制系统的不同控制模式，并能够通过编写的控制系统程序对电气控制系统进行动态控制，并通过自适应控制算法使系统灵活地运行在最佳工作状态，提升系统工作性能。提升系统工作性能。提升系统工作性能。


技术研发人员：马伟
受保护的技术使用者：安徽力盈电气有限公司
技术研发日：2023.06.16
技术公布日：2023/8/16