基于仿真參數(shù)的過程控制綜合性實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

基于仿真參數(shù)的“過程控制”綜合性實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

朱笑花(閩南師范大學(xué)物理與信息工程學(xué)院，福建漳州363000)基于仿真參數(shù)的“過程控制”綜合性實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)朱笑花

(閩南師范大學(xué)物理與信息工程學(xué)院，福建漳州363000)“過程控制”是自動(dòng)化專業(yè)的主要專業(yè)課之一,具有專業(yè)性和實(shí)踐性較強(qiáng)的特點(diǎn)。課程不僅涉及許多控制理論知識，而且與工業(yè)生產(chǎn)實(shí)際緊密聯(lián)系。學(xué)生通過實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蚋玫乩斫夂蛻?yīng)用理論知識。筆者針對“過程控制”實(shí)驗(yàn)教學(xué)的現(xiàn)狀，設(shè)計(jì)一個(gè)集模糊PID參數(shù)自整定、傳統(tǒng)PID控制、DDE通信等技術(shù)為一體的綜合性實(shí)驗(yàn)，旨在提高學(xué)生的動(dòng)手能力和綜合應(yīng)用知識的能力，培養(yǎng)創(chuàng)新型人才。過程控制；綜合性實(shí)驗(yàn)；參數(shù)整定“過程控制”是自動(dòng)化專業(yè)學(xué)生的專業(yè)必修課之一。該課程具有實(shí)踐性、專業(yè)性、應(yīng)用性較強(qiáng)的特點(diǎn)，因此，實(shí)踐教學(xué)是很重要的環(huán)節(jié)之一[1]。目前，各大高校均采用大型過程控制實(shí)驗(yàn)裝置來開設(shè)實(shí)驗(yàn)。如筆者所在學(xué)校采用的是天煌教儀THJFCS-1型現(xiàn)場總線高級過程控制對象系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)裝置，開設(shè)的實(shí)驗(yàn)有被控對象特性實(shí)驗(yàn)、單回路控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)、串級控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)、比值控制、解耦控制等。但是存在兩個(gè)問題：第一，實(shí)驗(yàn)很少涉及先進(jìn)的技術(shù)，例如模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制等，開設(shè)的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容落后于理論，沒有與時(shí)俱進(jìn)；第二，在實(shí)驗(yàn)過程中，PLC控制器的PID參數(shù)整定不管是逐步逼近法、兩步整定法，還是一步整定法，通常只是根據(jù)工程整定公式進(jìn)行反復(fù)的試湊觀察，學(xué)生很難在規(guī)定時(shí)間里取得較滿意的控制參數(shù)，如在做雙容水箱液位串級控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)時(shí)，在兩個(gè)學(xué)時(shí)內(nèi)學(xué)生很難完成實(shí)驗(yàn)，從而影響了實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果，影響學(xué)生的積極性[2]?；谝陨戏治?，同時(shí)為了順應(yīng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的趨勢，即減少實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書指定的傳統(tǒng)驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn)，增加設(shè)計(jì)型與綜合型實(shí)驗(yàn)的比例，筆者根據(jù)自己多年來的實(shí)踐教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合模糊技術(shù)、PID、MATLAB/Simulink仿真技術(shù)、DDE數(shù)據(jù)通信技術(shù)開發(fā)設(shè)計(jì)出一個(gè)綜合性實(shí)驗(yàn)，組織自動(dòng)化專業(yè)學(xué)生參與體驗(yàn)實(shí)驗(yàn)，學(xué)生的積極性普遍較高，80%～90%的學(xué)生都能在規(guī)定時(shí)間內(nèi)獲得較滿意的結(jié)果，明顯提高了實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果。1綜合性實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)總體思路本綜合性實(shí)驗(yàn)不需要改變原來的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，原系統(tǒng)下位機(jī)為西門子PLC控制器，上位機(jī)為安裝組態(tài)王的工控計(jì)算機(jī)。綜合性實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)只需在上位機(jī)上多安裝一個(gè)MATLAB程序，并重新對上位機(jī)組態(tài)軟件程序進(jìn)行局部的修改，原理框圖如圖1所示。MATLAB是MathWork公司于1984年推出的基于矩陣運(yùn)算的強(qiáng)大數(shù)值計(jì)算軟件，Simulink是MATLAB下的面向結(jié)構(gòu)圖方式的仿真環(huán)境，利用Simulink創(chuàng)建過程控制系統(tǒng)仿真模型，通過修改控制參數(shù)，可以方便地看到系統(tǒng)的響應(yīng)[3]。當(dāng)響應(yīng)結(jié)果較滿意時(shí)，此時(shí)的PID控制器參數(shù)就可作為下位機(jī)PLC控制器參數(shù)進(jìn)行實(shí)物的控制，這就是本設(shè)計(jì)的一個(gè)關(guān)鍵所在[4]。當(dāng)要進(jìn)行某個(gè)實(shí)驗(yàn)時(shí)，如雙容水箱串級控制實(shí)驗(yàn)，具體的過程如下：第一，MATLAB與組態(tài)王建立通信任務(wù)；第二，MATLAB通過組態(tài)王獲得現(xiàn)場的雙容水箱階躍響應(yīng)數(shù)據(jù)；第三，MATLAB利用響應(yīng)數(shù)據(jù)根據(jù)一些方法或是經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行實(shí)時(shí)參數(shù)的計(jì)算，獲得被控水箱對象的數(shù)學(xué)模型；第四，利用MATLAB/Simulink的計(jì)算機(jī)仿真功能，進(jìn)行過程控制系統(tǒng)的仿真，PID參數(shù)的設(shè)置包括利用工程方法、經(jīng)驗(yàn)法進(jìn)行反復(fù)調(diào)整整定和利用模糊PID參數(shù)自整定兩種方式[5-6]；第五，通過分析比較仿真結(jié)果的曲線，獲得最佳的PID參數(shù)；第六，將PID參數(shù)傳送到組態(tài)王，接著送到控制器，進(jìn)行被控對象實(shí)物的控制。圖1設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)原理框圖2實(shí)驗(yàn)舉例分析過程控制的被控參數(shù)包括水位、流量、溫度等，其中水箱液位控制是最典型的過程控制，各高校也均圍繞液位開設(shè)了一系列實(shí)驗(yàn)，包括對象特性測試、單回路控制系統(tǒng)、串級控制系統(tǒng)等。因此，本綜合設(shè)計(jì)也圍繞液位控制展開，以雙容水箱液位控制為例，對原有實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了充分利用，并把分散的幾個(gè)液位實(shí)驗(yàn)整合起來。2.1MATLAB與組態(tài)王數(shù)據(jù)的通信MATLAB與組態(tài)王通信通常有以下幾種方法：運(yùn)用COM組件、Axtive控件、OPC技術(shù)、DDE技術(shù)。本文采用DDE技術(shù)實(shí)現(xiàn)組態(tài)王與MATLAB間的數(shù)據(jù)交換。其中MATLAB作為客戶，組態(tài)王作為服務(wù)器[7]。2.1.1組態(tài)王中實(shí)現(xiàn)DDE通信定義DDE設(shè)備，在工程管理器中選擇“設(shè)備DDE”，雙擊“新建”圖標(biāo)，彈出“設(shè)備配置向?qū)А?，按向?qū)Р僮鳎欢x變量，連接設(shè)備為定義的DDE設(shè)備。變量名是在組態(tài)王中使用的，而變量項(xiàng)目名則是供MATLAB引用的。2.1.2MATLAB中實(shí)現(xiàn)DDE通信用ddeinit函數(shù)與服務(wù)器建立對話，建立成功則該函數(shù)返回一個(gè)通道號；用ddeadv請求建立熱鏈；ddereq向服務(wù)器要數(shù)據(jù)，返回的是存有數(shù)據(jù)的矩陣；Ddepoke函數(shù)向服務(wù)器發(fā)送數(shù)據(jù)。2.2被控對象特性模型的獲取要獲取模型，首先，MATLAB通過通信方式發(fā)送指令給組態(tài)王，通過組態(tài)王啟動(dòng)已經(jīng)開發(fā)好的“雙容水箱特性的測試實(shí)驗(yàn)”；接著，通過通信方式將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)返回MATLAB，MATLAB完成模型參數(shù)計(jì)算雙容水箱液位的階躍響應(yīng)曲線如圖2所示，具體的計(jì)算實(shí)例如下描述。圖2雙容水箱液位的階躍響應(yīng)曲線(1)(2)(3)由上述兩式中解出T1和T2，圖2中的直線為經(jīng)過P點(diǎn)的切線，切線與時(shí)間軸的交點(diǎn)為A，OA之間的時(shí)間即為對象滯后的時(shí)間，得到如式(4)所示的傳遞函數(shù)。(4)其中，τ為對象滯后的時(shí)間常數(shù)。2.3PID參數(shù)整定模糊控制采用的是擬人的思考判斷辦法，它將人已有的經(jīng)驗(yàn)與控制方案表達(dá)為模糊控制規(guī)則，很適用于具有非線性、大滯后特性的復(fù)雜系統(tǒng)，如液位串級控制系統(tǒng)。為了克服常規(guī)PID調(diào)節(jié)器的不足，本綜合性設(shè)計(jì)在常規(guī)PID控制基礎(chǔ)上引入模糊控制，形成模糊PID參數(shù)自整定控制。實(shí)踐表明，串級模糊PID控制由于它的超前控制作用和主控制器PID參數(shù)實(shí)時(shí)調(diào)整，能夠大大克服系統(tǒng)的各種延遲，如容積延遲，縮短系統(tǒng)的控制時(shí)間，使系統(tǒng)響應(yīng)加速，工作頻率也有所提高，控制品質(zhì)得到較大改善，實(shí)現(xiàn)雙容液位的較高精度控制[8]。利用MATLAB/Simulink的仿真功能，完成各個(gè)過程控制系統(tǒng)的仿真，包括串級控制系統(tǒng)、前饋—反饋控制系統(tǒng)、單閉環(huán)比值控制系統(tǒng)、雙閉環(huán)比值控制系統(tǒng)、解耦控制系統(tǒng)、模糊PID參數(shù)自整定控制系統(tǒng)等，比較仿真曲線結(jié)果即可獲得最佳PID參數(shù)。其中，有三個(gè)模塊采用的是MATLAB提供的封裝技術(shù)進(jìn)行模塊的封裝：PID控制器、FUZZY控制器和被控對象[9]。封裝后的模塊可以通過幾個(gè)接口和外界其它模塊交流或是連接，PID控制器模塊接口包括偏差、偏差變化率、PID參數(shù)等；FUZZY控制器模塊與其它模塊的接口為偏差、P輸出、I積分輸出、D微分輸出；被控對象模塊與其它模塊的接口為對象傳遞函數(shù)的各個(gè)系數(shù)。兩個(gè)典型的仿真圖如圖3和圖4所示，圖3是串級控制系統(tǒng)，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)觀察或是工程經(jīng)驗(yàn)，手動(dòng)輸入PID參數(shù)，即傳統(tǒng)的PID控制；圖4引入了智能控制技術(shù)，利用MATLAB自帶的模糊控制工具箱獲得PID參數(shù)，即模糊自整定PID串級控制系統(tǒng)。其中，副控制器采用PID控制器，主控制器采用模糊自整定PID控制器[10]。圖3串級手動(dòng)調(diào)節(jié)PID參數(shù)仿真圖圖4模糊自整定PID參數(shù)仿真圖3綜合性實(shí)驗(yàn)平臺實(shí)例本設(shè)計(jì)根據(jù)使用的實(shí)際情況，利用MATLAB的GUI功能開發(fā)了用戶界面。方便使用者調(diào)出各個(gè)控制系統(tǒng)的仿真結(jié)果圖形、控制系統(tǒng)框圖、主副PID參數(shù)、控制對象的模型參數(shù)等各項(xiàng)信息，實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互。在仿真平臺的GUI界面中，每一按鈕或選擇框均有一個(gè)回調(diào)函數(shù)，如標(biāo)簽為“開始仿真”按鈕回調(diào)函數(shù)為“starts.m”，完成調(diào)用MATLAB的“Simulinkmodelfile”，標(biāo)簽為“控制選擇”的選擇框，回調(diào)函數(shù)為“huatu.m”，完成控制系統(tǒng)框圖顯示功能，標(biāo)簽為“獲取對象數(shù)學(xué)模型參數(shù)”的按鈕，回調(diào)函數(shù)為“models.m”，完成模型參數(shù)計(jì)算功能，最后得到的運(yùn)行界面如圖5所示。使用步驟如下：(1)選擇控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，如模糊PID串級控制系統(tǒng)、串級控制等；(2)點(diǎn)擊獲取對象數(shù)學(xué)模型參數(shù)按鈕，則最后的參數(shù)顯示在文本框內(nèi)；(3)點(diǎn)擊開始仿真按鈕，則在仿真圖形坐標(biāo)上可以看到系統(tǒng)的仿真圖形。圖5仿真平臺的GUI界面圖6串級控制實(shí)驗(yàn)界面綜合分析各個(gè)仿真結(jié)果輸出圖的快速、準(zhǔn)確、穩(wěn)定性等的對應(yīng)參數(shù)，獲得最佳的PID參數(shù)，將PID參數(shù)送到組態(tài)王，以這個(gè)PID參數(shù)為基準(zhǔn)，進(jìn)行實(shí)際系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)操作。由于仿真平臺采用的是比例系數(shù)、積分系數(shù)、微分系數(shù)，而組態(tài)王使用的是比例度、積分時(shí)間、微分時(shí)間，所以參數(shù)送到組態(tài)王之前要進(jìn)行換算。串級控制實(shí)驗(yàn)界面如圖6所示。4實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果分析學(xué)生可單獨(dú)使用本設(shè)計(jì)的GUI仿真軟件。該仿真軟件不僅可以使學(xué)生加深對控制系統(tǒng)相關(guān)概念的理解，同時(shí)可以讓他們體驗(yàn)PID單獨(dú)控制或結(jié)合控制對系統(tǒng)的影響和PID控制參數(shù)對響應(yīng)的影響，進(jìn)而加深對PID控制規(guī)律的理解和掌握，還可以培養(yǎng)學(xué)生工程設(shè)計(jì)及實(shí)施能力(MATLAB仿真是控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重要組成部分)。通過仿真系統(tǒng)得出的合理控制方案，既提高安全性又取得更好的控制效果，顯示出巨大的經(jīng)濟(jì)效益。通過整個(gè)綜合性實(shí)驗(yàn)的實(shí)踐，學(xué)生得到了綜合訓(xùn)練，提高了分析、解決實(shí)際問題的綜合能力，深刻體會(huì)仿真系統(tǒng)與實(shí)際系統(tǒng)在控制上的區(qū)別，感受實(shí)際工程控制時(shí)可能遇到的難題。而且，綜合性實(shí)驗(yàn)涉及較多的內(nèi)容，如DDE通信技術(shù)、模糊控制、對象特性參數(shù)的計(jì)算、MATLAB/Simulink仿真、封裝技術(shù)、模糊PID控制器等，擴(kuò)大了學(xué)生的知識面，大大提高了他們的學(xué)習(xí)熱情,激發(fā)了其學(xué)習(xí)潛能。在該綜合性實(shí)驗(yàn)中，80%～90%的學(xué)生可以順利得到較滿意的控制器參數(shù)和控制效果，實(shí)驗(yàn)效率和教學(xué)效果明顯得到提高。5結(jié)語本文從目前實(shí)踐教學(xué)存在的問題出發(fā)，結(jié)合已有實(shí)驗(yàn)室平臺條件，開發(fā)設(shè)計(jì)一個(gè)基于軟硬件結(jié)合、實(shí)物控制與仿真控制結(jié)合、基于真實(shí)模型的MATLAB/Simulink仿真、融合較多學(xué)科知識的一個(gè)綜合性實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)證明，該平臺提高了實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的質(zhì)量,加強(qiáng)了學(xué)生對知識的消化與融合,提高了整個(gè)教學(xué)質(zhì)量。對于自動(dòng)化專業(yè)的學(xué)生來說，核心知識為控制與系統(tǒng)，在本文設(shè)計(jì)的綜合性實(shí)驗(yàn)充分得到體現(xiàn)，達(dá)到培養(yǎng)自動(dòng)化專業(yè)人才的目的。[1]杜海順,鄒大勇.過程控制教學(xué)改革探索[J].中國現(xiàn)代教育裝備,2015(9):58-60.[2]白杰,潘常春,杜文曾,等.基于LabVIEW平臺的可配置過程控制教學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索,2015(12):97-100.[3]陽武嬌.基于Simulink的“過程控制系統(tǒng)”仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)研究[J].高校實(shí)驗(yàn)室工作研究,2011(3):52-53.[4]郭陽寬,王正林.過程控制工程及仿真[M].北京:電子工業(yè)出版社,2009.[5]馮鵬輝,譚兮,劉國營.三容水箱液位控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與仿真[J].湖南工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2011(6):51-55.[6]吳興純,楊燕云,吳瑞武,等.基于參數(shù)自整定的雙容液位模糊控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].自動(dòng)化與儀器儀表,2011(4):41-43.[7]李敏,鄒濤,楊馬英,等.基于組態(tài)王與MATLAB的監(jiān)控軟件實(shí)現(xiàn)[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào),2011(6):100-104.[8]朱笑花,谷凌雁.先進(jìn)PID控制工具箱的開發(fā)與應(yīng)用[J].自動(dòng)化與儀器儀表,2009(3):42-44.[9]王淑欽,徐博文.過程控制系統(tǒng)仿真軟件的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索,2002(1):53-55.[10]郝莉紅,王志騰,陳洪.基于MatlabSimulink對半主動(dòng)懸架的Fuzzy-PID控制仿真研究[J].河北工業(yè)科技,2013(1):42-46.DesignofComprehensiveExperimentforProcessControlBasedonSimulinkParameterZHUXiao-hua(CollegeofPhysicsandInformationEngineering,MninanNormalUniversity,ZhangzhouFujian363000,China)Thecourseofprocesscontrolisoneofthemaincoursesofautomation.Ithasthecharacteristicsofprofessionalandstrongpracticality.Thecoursenotonlyrelatestomanycontroltheoryknowledge,butalsohasclosecontactwiththeactualindustrialproduction.Thestudentscanbetterunderstandandapplytheoreticalknowledgethroughtheexperiments.Therefore,accordingtotheteachingstatusofprocesscontrolexperiment,acomprehensiveexperimentsystem,basedonthefuzzyself-tuningofPIDparameters,thetraditionalPIDcontrolandtheDDEcommunicationtechnol