基于網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)的DTS

1、基于網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)的DTS-200三容液位過程控制仿真實驗1. 課題來源及研究的背景和意義 過程控制即對連續(xù)生產(chǎn)過程的自動控制，作為自動化技術(shù)的重要分支，已廣泛應(yīng)用于石油、化工、制藥、輕工、紡織、冶金、環(huán)境工程等國民經(jīng)濟領(lǐng)域。在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)過程自動化中，過程控制技術(shù)正在為實現(xiàn)各種最優(yōu)技術(shù)經(jīng)濟指標、提高經(jīng)濟效益和社會效益、提高勞動生產(chǎn)率、節(jié)約能源、改善勞動條件、保護環(huán)境衛(wèi)生、提高市場競爭力等方面起著越來越巨大的作用，先進過程控制技術(shù)已成為國內(nèi)外高校及企業(yè)的研究熱點。在這樣的背景下，過程控制也成為國內(nèi)高校自動化專業(yè)的重要專業(yè)課程。掌握好這門課程對于學生來說，即是今后科研工作的理論基礎(chǔ)，也是提高分析

2、解決實際工程問題的重要機會。 對于專業(yè)課程教學而言，理論與實際的結(jié)合是至關(guān)重要的，重視實踐性教學環(huán)節(jié)，著眼培養(yǎng)學生的動手技能對學生的專業(yè)能力提高具有重大意義。本文主要研究對象為德國Amira公司的DTS-200三容水箱過程控制實驗系統(tǒng)，它是一種可以模擬多種對象特性的實驗裝置，同時配備了相應(yīng)的軟件平臺。作為典型的過程控制實驗設(shè)備，其在國內(nèi)外很多大學和實驗室都已得到了廣泛的應(yīng)用，在過去幾十年中，三容水箱系統(tǒng)作為研究故障診斷與容錯控制問題的基準系統(tǒng)被學術(shù)界廣為接受。同時三容液位控制是綜合實驗系統(tǒng)，該系統(tǒng)為集于了自動控制原理、計算機控制、傳感器技術(shù)、過程控制等理論知識，可以進行數(shù)學建模、單容、雙容、三

3、容PID液位控制以及解耦、模糊、預測控制等高級算法實驗，是高校自動化課程中重要且實用的實驗教學設(shè)備。但是，在高校實際課程教學中，仍存在許多問題亟待解決：（1） 類似這樣進口儀器設(shè)備價格昂貴，大部分高校沒有經(jīng)費購置，無法開展相關(guān)實驗；而在少數(shù)配置了設(shè)備的高校內(nèi)，由于課程設(shè)置原因儀器確長期閑置不用，造成資源得不到合理利用，效率低；（2） 由于過程控制實驗是連續(xù)過程，學生大量時間浪費在等待上；另外，如果課程時間沖突，學生則會失去做實驗的機會；（3） 教學儀器通常只有一套，由老師演示完成，學生實際動手實踐機會極少，難以獲得感性認識，實驗效果難盡人意；在這樣的背景下，網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)三維實時仿真實驗室(3

4、D-NCSLab)應(yīng)運而生。NCSLab是基于互聯(lián)網(wǎng)的三維虛擬現(xiàn)實的實時仿真控制系統(tǒng)實驗室。它集成了多種三維虛擬現(xiàn)實的實驗設(shè)備，可以對各類經(jīng)典控制、現(xiàn)代控制、先進控制系統(tǒng)等進行實時仿真。它可針對各種三維虛擬被控制對象，在互聯(lián)網(wǎng)瀏覽器中對控制方法和策略進行閉環(huán)控制系統(tǒng)的可視化組態(tài)設(shè)計；然后自動生成可執(zhí)行代碼，經(jīng)網(wǎng)絡(luò)下載到實時仿真控制器中執(zhí)行，實現(xiàn)控制系統(tǒng)的實時仿真；同時經(jīng)網(wǎng)絡(luò)化可視監(jiān)控組態(tài)設(shè)計可實現(xiàn)遠程監(jiān)視和遠程調(diào)試。這樣一來，各高校學生只需要登錄WEB瀏覽器，輸入相應(yīng)域名即可登錄網(wǎng)絡(luò)實驗室操作實驗，而不受時間地點的限制，極大地促進了高校間實驗資源的合理利用，也便利了學生的實驗和學習。另外，該平

5、臺不局限于過程控制，集成了包括倒立擺、伺服系統(tǒng)、球桿系統(tǒng)等的20種三維虛擬實驗設(shè)備，可以對各類經(jīng)典控制（例如基于傳遞函數(shù)的PID控制、頻率響應(yīng)法、根軌跡法）、現(xiàn)代控制（基于狀態(tài)空間方程的LQR控制）、先進控制系統(tǒng)（例如神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制等智能控制系統(tǒng)）進行實時仿真，它可針對各種三維虛擬被控制對象，在互聯(lián)網(wǎng)瀏覽器中對控制方法和策略進行閉環(huán)控制系統(tǒng)的可視化組態(tài)設(shè)計；然后自動生成可執(zhí)行代碼，通過網(wǎng)絡(luò)下載到實時仿真控制器中執(zhí)行，實現(xiàn)控制系統(tǒng)的實時仿真；同時經(jīng)網(wǎng)絡(luò)化可視監(jiān)控組態(tài)設(shè)計可實現(xiàn)遠程監(jiān)視和遠程調(diào)試，極大的豐富了教學內(nèi)容。國內(nèi)外在該方向的研2. 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及分析1.網(wǎng)絡(luò)實驗室的研究現(xiàn)狀 當今，隨著網(wǎng)

6、絡(luò)技術(shù)的發(fā)展和網(wǎng)絡(luò)規(guī)模不斷擴大，網(wǎng)絡(luò)越來越成為人們生活的一部分，在這種前提下，基于Web的遠程實驗室應(yīng)運而生。網(wǎng)絡(luò)實驗室由于其具有資源共享、拓展靈活、有利于個性化實驗和操作簡單等方面的優(yōu)勢，無論在國內(nèi)還是在國外都受到越來越多的重視，越來越多的國家都在積極開發(fā)網(wǎng)絡(luò)實驗室，包括美國、德國、新加坡等。幾年前，在米蘭理工大學就建成能夠提供課程討論和輔導的遠程教育系統(tǒng)。在德國的埃朗根-紐倫堡大學建成了介紹VHDL工具的虛擬實驗室，它可以作為輔導教學的手段，可以給學生演示如何對實驗設(shè)備進行控制。 在國內(nèi)，中國科學技術(shù)大學信息網(wǎng)絡(luò)實驗室為無線網(wǎng)絡(luò)通信安徽省重點實驗的成員單位之一，由李津生教授創(chuàng)建于 1988

7、 年，原名 ISDN 實驗室。實驗室自成立以來，一直致力于網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)理論研究和關(guān)鍵技術(shù)開發(fā)，先后承擔了國家自然科學基金、科技部重大專項、863 課題、中國下一代互聯(lián)網(wǎng) CNGI 項目、國家攻關(guān)課題等 20 余項國家、軍隊和省部級重大課題。實驗室是國內(nèi)較早從事 IPv6技術(shù)研究和應(yīng)用的科研單位之一。目前，在對新一代網(wǎng)絡(luò)技術(shù)及其應(yīng)用的研究中，實驗室主要課題方向包括：P2P、流媒體傳輸、無線分布式網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)（包括無線 Ad Hoc 網(wǎng)絡(luò)、無線 Mesh 網(wǎng)絡(luò)、DTN 網(wǎng)絡(luò)等）、移動 IPv6、網(wǎng)絡(luò)編碼、網(wǎng)絡(luò)安全等。實驗室還承擔學校本科生和研究生的教學工作，教學內(nèi)容注重與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展同步，并及時將科研

8、成果反映到課堂教學和實驗中。3.主要研究內(nèi)容作為一門實驗課程，主要目的是鍛煉學生的動手操作和獨立思考能力，將所學的理論與實際情況結(jié)合，加深理解并學會應(yīng)用。因此，本課題的主要任務(wù)即設(shè)計適合本科生的過程控制實驗，讓學生驗證和應(yīng)用過程控制課程中所學的理論知識。在設(shè)計實驗中，主要基于以下幾個原則：Ø 與上課所學的理論緊密相連，利用實驗課程理解和檢驗知識；Ø 以實驗目的為導向，讓學生親自動手，Ø 由于實驗課時較少，保持每個實驗的內(nèi)容在合理范圍內(nèi)。在這幾個原則的基礎(chǔ)上，設(shè)計了以下實驗內(nèi)容：n 液位系統(tǒng)的數(shù)學建模 包括機理建模與測試建模，目的是通過實驗讓學生了解常用工程數(shù)學模型

9、建模方法，用階躍響應(yīng)測試被控對象建立數(shù)學模型的基本步驟。n 液位過程系統(tǒng)的PID控制 掌握過程控制中最常用的PID控制算法，熟悉該方法的控制器設(shè)計與實現(xiàn)。并且通過實驗理解PID各參數(shù)的具體作用。n 雙容液位系統(tǒng)的串級PID控制 熟悉串級回路的結(jié)構(gòu)特點，與單回路PID控制比較，了解串級控制在抑制干擾和非線性特性、改善動態(tài)性能方面的作用。n 純滯后系統(tǒng)的Smith預估控制 了解純滯后環(huán)節(jié)的系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響，掌握預估控制器的傳遞函數(shù)推導過程n 模糊自適應(yīng)整定PID控制n 模型預測控制（MPC）n 解耦控制了解以上高級算法的原理，并與傳統(tǒng)PID控制的效果比較 4.研究方案及進度安排，預期達到的目標4.

10、1課題研究方案1. 對液位控制系統(tǒng)進行數(shù)學建模，并與實驗測得的曲線比較，驗證其正確性。2. 采用工程實際中常用的數(shù)字PID控制，設(shè)計不同的液位控制實驗。主要包括位置式PID和增量式PID的控制效果比較，單回路PID控制與串級回路PID控制的控制效果比較，分析各種控制算法的優(yōu)劣。通過MATLAB軟件中的SIMULINK工具，搭建仿真系統(tǒng)，觀察實驗結(jié)果，以便在網(wǎng)絡(luò)化實驗室平臺上實現(xiàn)。3. 設(shè)計適合液位控制系統(tǒng)的高級控制算法，主要有模糊自適應(yīng)整定PID控制，多入多出解耦控制和預測控制。4. 將上述仿真結(jié)果與實際液位控制實驗所得的曲線進行比較，以驗證正確性。4.2進度安排2014年3月1日2014年3

11、月15日熟悉MATLAB軟件以及SIMULINK工具的使用，在此期間通過圖書館資源以及網(wǎng)上資料了解過程控制系統(tǒng)特點以及液位控制系統(tǒng)常用控制方案，2014年3月16日2014年3月31日推導和建立液位控制系統(tǒng)的數(shù)學模型，并與實際實驗測得的液位曲線比較，驗證模型的正確與準確性，并查找問題來源，2014年4月1日2014年4月15日學習常用高級PID控制算法，并嘗試在SIMULINK中搭建并仿真，2014年4月16日2014年4月30日研究所需的高級控制算法，如預測控制，解耦控制等，設(shè)計液位控制系統(tǒng)所需的控制器并仿真，2014年5月1日2014年5月15日將上述仿真結(jié)果與實際DCS-200的實驗結(jié)果相比較，若有出入，分析為題來源，2014年5月16日2014年5月30日 2014年6月1日2014年6月15日撰寫畢業(yè)論文，準備畢業(yè)答辯。6.預計研究過程中可能遇到的困難和問題，以及解決的措施1. 現(xiàn)有的服務(wù)器中MATLAB軟件版本較低，MDL文件在不同版本間的兼容性很差；1. WEBCONSIM上可供設(shè)計用的模塊較少，很多高級算法例如模糊控制器、