基于S7-200 PLC的模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法設(shè)計(jì)

摘要：隨著智能信息技術(shù)的發(fā)展，模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制。但該算法尚未應(yīng)用于PLC。針對(duì)這種現(xiàn)狀，給出基于S7-200PLC的模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法設(shè)計(jì)。利用模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法的理論知識(shí)，在S7-200的平臺(tái)上采用梯形圖和指令表兩種模式編程設(shè)置。并利用PLC仿真軟件對(duì)其仿真，仿真結(jié)果達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。
關(guān)鍵詞：PLC；模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)；神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)；模糊控制

1 引言
    模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是模糊邏輯控制和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)兩者結(jié)合的產(chǎn)物。這兩者單獨(dú)使用時(shí)存在一定缺陷。模糊邏輯在一定的論域上具有很好的收斂性，并具有模糊量運(yùn)算優(yōu)勢(shì)；而神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有強(qiáng)自學(xué)習(xí)、自適應(yīng)、并行運(yùn)算和精確計(jì)算的能力。因此，這兩者相結(jié)合可大大提高綜合能力。
    PLC在工業(yè)控制中應(yīng)用廣泛，因此，功能強(qiáng)大，使用方便。因此，將模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法應(yīng)用于PLC中具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值，使PLC在機(jī)械、民用等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。這里提出一種基于PLC的模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法實(shí)現(xiàn)方法。

2 模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
    模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有很多種結(jié)構(gòu)和算法，對(duì)于不同控制對(duì)象，綜合考慮運(yùn)算速度和精度，模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)也有所不同。由于該實(shí)現(xiàn)方法沒有實(shí)際控制對(duì)象，為了說明在PLC上能實(shí)現(xiàn)模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法，故選擇模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，如圖1所示。假設(shè)其中輸入兩個(gè)變量X1、X2，輸出變量為Y。將每個(gè)輸入因子分為：NM，NS，ZO，PS，PM等5個(gè)模糊狀態(tài)。

3 模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的學(xué)習(xí)步驟
    選擇在線學(xué)習(xí)，在線學(xué)習(xí)期間學(xué)習(xí)速度不變。在線學(xué)習(xí)終止條件是性能指標(biāo)E小于等于某一數(shù)值。這個(gè)指標(biāo)值隨控制對(duì)象的改變而改變的。當(dāng)確定控制對(duì)象時(shí)，該指標(biāo)值可根據(jù)經(jīng)驗(yàn)確定。但是為了便于說明問題這里設(shè)置該指標(biāo)值為0．002。具體學(xué)習(xí)步驟是：①θji、σji、ωi及η的初始值在[0，1]之間隨機(jī)選取，η的值為恒定值，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)決定。②根據(jù)模糊神經(jīng)算法計(jì)算出比較理想的θji(k+1)、σji(k+1)、ωi(k+1)值。③根據(jù)模糊神經(jīng)算法計(jì)算E，若E≤0．002，迭代結(jié)束。否則，令θji(k+1)、σji(k+1)、ωi(k+1)為初始值并返回②。

4 模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法在PLC的應(yīng)用
4．1 模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)階段的實(shí)現(xiàn)
    在學(xué)習(xí)階段實(shí)現(xiàn)過程中，利用上位機(jī)向下位機(jī)傳輸樣本數(shù)據(jù)，具體運(yùn)算過程是由下位機(jī)實(shí)現(xiàn)。
4．1．1 學(xué)習(xí)階段上位機(jī)程序?qū)崿F(xiàn)
    根據(jù)模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)理論知識(shí)可知，樣本值是根據(jù)實(shí)際控制對(duì)象的需要而定的。為了說明問題，采用含有兩個(gè)輸入值和一個(gè)輸出期望值的較為簡(jiǎn)單的樣本值。學(xué)習(xí)過程中上位機(jī)程序設(shè)計(jì)流程如圖2所示，具體過程如下：
    (1)初始化初始化樣本值和為后續(xù)傳輸樣本值做準(zhǔn)備，通過PLC指令把樣本值寫入PLC的儲(chǔ)存地址，再次賦值給發(fā)送區(qū)的數(shù)據(jù)區(qū)，并把存儲(chǔ)第一個(gè)樣本值地址分別賦給VD712，VD716，VD720地址指針，這樣可為再次發(fā)送樣本值做準(zhǔn)備。因?yàn)橐l(fā)送的樣本值是不斷變化的，但是發(fā)送區(qū)不能變化，故使用地址指針達(dá)到兩者同步。
    (2)接受請(qǐng)求接收下位機(jī)向上位機(jī)傳送的數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)是告之上位機(jī)是否向下位機(jī)傳送樣本值。
    (3)判斷VB703數(shù)據(jù)請(qǐng)求標(biāo)志位VB703，對(duì)所接收的數(shù)據(jù)，判斷其值是否等于16#FF。而16#FF是通信協(xié)議中規(guī)定上位機(jī)給下位機(jī)傳送數(shù)據(jù)的標(biāo)志。如果等于16#FF，則向下位機(jī)傳輸數(shù)據(jù)；否則就再次返回上一步。
    (4)發(fā)送數(shù)據(jù)通過上位機(jī)通信程序向下位機(jī)發(fā)送樣本值，發(fā)送完后就結(jié)束第一次傳送樣本值，啟動(dòng)新接收，等待下位機(jī)請(qǐng)求數(shù)據(jù)傳送信號(hào)。

4．1．2下位機(jī)程序?qū)崿F(xiàn)
    圖3為下位機(jī)程序流程，從中可以看到學(xué)習(xí)階段下位機(jī)程序的基本構(gòu)想。

    針對(duì)下位機(jī)程序流程這里需要說明的是：
    (1)初始化首先隨機(jī)選取[0，1]內(nèi)θji、σji、ωi及η的初始值，通過PLC指令把這些值賦給存儲(chǔ)單元；其次對(duì)學(xué)習(xí)過程中用到的常數(shù)賦值，同樣賦給存儲(chǔ)單元；最后，要把請(qǐng)求數(shù)據(jù)傳送的標(biāo)志位VB703置位。
    (2)初始值計(jì)算由于初始化中請(qǐng)求數(shù)據(jù)傳送，首先通過下位機(jī)的通信程序取得數(shù)據(jù)，并且接收樣本數(shù)據(jù)后．復(fù)位VB703，告知上位機(jī)不再傳送數(shù)據(jù)。接著利用初始化已賦值的第一組權(quán)值，計(jì)算第一組樣本值為輸入時(shí)輸出值、輸出值與期望輸出值的差值以及后續(xù)計(jì)算所要用到的數(shù)據(jù)。
    (3)權(quán)值、E(性能指標(biāo))值計(jì)算在第上一步的基礎(chǔ)上計(jì)算權(quán)值和E值。具體算法可參考模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法．且易于在PLC平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)。
    (4)E值判斷把計(jì)算的E值與0．002相比較。如果E≤0．002，說明計(jì)算的函數(shù)變量、權(quán)值已達(dá)到預(yù)期目標(biāo)，學(xué)習(xí)過程結(jié)束。結(jié)束的同時(shí)觸發(fā)外接設(shè)備的開關(guān)量，利用外接設(shè)備讀取這些計(jì)算結(jié)果。相反，則需繼續(xù)學(xué)習(xí)過程。并將不滿足性能指標(biāo)第3步計(jì)算出的函數(shù)變量、權(quán)值賦給下一步重新計(jì)算y值所需的地址內(nèi)，把請(qǐng)求數(shù)據(jù)標(biāo)志位VB703置位．并向上位機(jī)發(fā)送，從而為新y值的計(jì)算做好準(zhǔn)備。
    (5)學(xué)習(xí)過程中Y值計(jì)算由于已把請(qǐng)求數(shù)據(jù)標(biāo)志位置位，因此，首先通過通信程序先取樣本，取完樣本值后復(fù)位VB703，告知上位機(jī)不再傳樣本值，接著計(jì)算新的Y值，以便計(jì)算新的函數(shù)變量、權(quán)值以及E值。學(xué)習(xí)過程下位機(jī)主程序?qū)崿F(xiàn)如圖4所示。

4．2 模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)場(chǎng)工作過程實(shí)現(xiàn)
    當(dāng)學(xué)習(xí)階段結(jié)束后，通過現(xiàn)場(chǎng)采集數(shù)據(jù)，建立數(shù)據(jù)庫(kù)并把采集的數(shù)據(jù)當(dāng)做輸人，運(yùn)用訓(xùn)練好的權(quán)值和模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法，得到控制對(duì)象所需的控制值。要實(shí)現(xiàn)以上工作步驟。仍然需要上下位機(jī)合作，故而程序設(shè)計(jì)分為上位機(jī)和下位機(jī)兩部分。
4．2．1上位機(jī)程序?qū)崿F(xiàn)
    現(xiàn)場(chǎng)工作中上位機(jī)程序設(shè)計(jì)功能與學(xué)習(xí)階段相一致，主要區(qū)別；在學(xué)習(xí)階段初始化的和需要給下位機(jī)傳送的樣本值變成了通過外接設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)采集到的數(shù)值。在PLC程序的初始化中，把采集值從外接設(shè)備的地址中賦值到發(fā)送區(qū)的數(shù)據(jù)區(qū)。因?yàn)椴杉凳窃谝欢ǖ闹芷趦?nèi)變化的，所以是實(shí)時(shí)的。故無需地址指針使兩者工作同步。
4．2．2 下位機(jī)程序?qū)崿F(xiàn)
    由圖5現(xiàn)場(chǎng)工作過程中下位機(jī)程序流程可知．下位機(jī)在現(xiàn)場(chǎng)工作過程中的具體步驟：

    (1)初始化下位機(jī)初始化首先要把學(xué)習(xí)過程訓(xùn)練好的θji、σji、η的值，通過PLc指令把其賦給存儲(chǔ)單元；其次要對(duì)后續(xù)Y值計(jì)算過程中用到的常數(shù)賦值，同樣也要賦給存儲(chǔ)單元；最后，要把請(qǐng)求數(shù)據(jù)傳送的標(biāo)志位VB703置位。并發(fā)送給上位機(jī)。
    (2)接收采集值 首先接收上位機(jī)的采集值，接著把采集的值賦給即將進(jìn)行Y值運(yùn)算的儲(chǔ)存地址。同時(shí)將請(qǐng)求數(shù)據(jù)傳輸標(biāo)志位VB703復(fù)位，并傳送給上位機(jī)，要求停止繼續(xù)向下位機(jī)傳輸采集值。
    (3)輸出y值計(jì)算利用上一步提供的采集數(shù)據(jù)、初始化步驟中的權(quán)值和模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法，以PLC為平臺(tái)進(jìn)行計(jì)算，將計(jì)算所得值賦給外接輸出設(shè)備的存儲(chǔ)地址．同時(shí)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況控制請(qǐng)求數(shù)據(jù)接收標(biāo)志位VB703是否置位。
    (4)VB703判斷若VB703=16#FF，那么啟動(dòng)新的數(shù)據(jù)接收，即跳轉(zhuǎn)到第二步。如果VB703≠16#FF，則跳轉(zhuǎn)到結(jié)束。但要知道的是這兩種結(jié)果是工作人員根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況在第3步中已確定的?，F(xiàn)場(chǎng)工作過程中下位機(jī)主程序?qū)崿F(xiàn)如圖6所示。

5 結(jié)論
    通過對(duì)模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)過程和現(xiàn)場(chǎng)工作過程的PLC程序的仿真，結(jié)果表明：學(xué)習(xí)過程的PLC程序，利用模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)自學(xué)習(xí)能力，當(dāng)不滿足性能指標(biāo)時(shí)，系統(tǒng)則根據(jù)梯度下降策略自動(dòng)的調(diào)整權(quán)值、隸屬函數(shù)的和，直到輸出滿足要求為止。現(xiàn)場(chǎng)工作過程PLC程序，在采集值確定情況下．能夠得出確定的輸出值，達(dá)到預(yù)期效果。