基于仿真参数的过程控制综合性实验设计

基于仿真参数的“过程控制”综合性实验设计

朱笑花(闽南师范大学物理与信息工程学院，福建漳州363000)基于仿真参数的“过程控制”综合性实验设计朱笑花

(闽南师范大学物理与信息工程学院，福建漳州363000)“过程控制”是自动化专业的主要专业课之一,具有专业性和实践性较强的特点。课程不仅涉及许多控制理论知识，而且与工业生产实际紧密联系。学生通过实验能够更好地理解和应用理论知识。笔者针对“过程控制”实验教学的现状，设计一个集模糊PID参数自整定、传统PID控制、DDE通信等技术为一体的综合性实验，旨在提高学生的动手能力和综合应用知识的能力，培养创新型人才。过程控制；综合性实验；参数整定“过程控制”是自动化专业学生的专业必修课之一。该课程具有实践性、专业性、应用性较强的特点，因此，实践教学是很重要的环节之一[1]。目前，各大高校均采用大型过程控制实验装置来开设实验。如笔者所在学校采用的是天煌教仪THJFCS-1型现场总线高级过程控制对象系统实验装置，开设的实验有被控对象特性实验、单回路控制系统实验、串级控制系统实验、比值控制、解耦控制等。但是存在两个问题：第一，实验很少涉及先进的技术，例如模糊控制、神经网络控制等，开设的实验内容落后于理论，没有与时俱进；第二，在实验过程中，PLC控制器的PID参数整定不管是逐步逼近法、两步整定法，还是一步整定法，通常只是根据工程整定公式进行反复的试凑观察，学生很难在规定时间里取得较满意的控制参数，如在做双容水箱液位串级控制系统实验时，在两个学时内学生很难完成实验，从而影响了实验教学效果，影响学生的积极性[2]。基于以上分析，同时为了顺应实验教学改革的趋势，即减少实验指导书指定的传统验证型实验，增加设计型与综合型实验的比例，笔者根据自己多年来的实践教学经验，结合模糊技术、PID、MATLAB/Simulink仿真技术、DDE数据通信技术开发设计出一个综合性实验，组织自动化专业学生参与体验实验，学生的积极性普遍较高，80%～90%的学生都能在规定时间内获得较满意的结果，明显提高了实验教学效果。1综合性实验设计总体思路本综合性实验不需要改变原来的系统结构，原系统下位机为西门子PLC控制器，上位机为安装组态王的工控计算机。综合性实验设计只需在上位机上多安装一个MATLAB程序，并重新对上位机组态软件程序进行局部的修改，原理框图如图1所示。MATLAB是MathWork公司于1984年推出的基于矩阵运算的强大数值计算软件，Simulink是MATLAB下的面向结构图方式的仿真环境，利用Simulink创建过程控制系统仿真模型，通过修改控制参数，可以方便地看到系统的响应[3]。当响应结果较满意时，此时的PID控制器参数就可作为下位机PLC控制器参数进行实物的控制，这就是本设计的一个关键所在[4]。当要进行某个实验时，如双容水箱串级控制实验，具体的过程如下：第一，MATLAB与组态王建立通信任务；第二，MATLAB通过组态王获得现场的双容水箱阶跃响应数据；第三，MATLAB利用响应数据根据一些方法或是经验公式进行实时参数的计算，获得被控水箱对象的数学模型；第四，利用MATLAB/Simulink的计算机仿真功能，进行过程控制系统的仿真，PID参数的设置包括利用工程方法、经验法进行反复调整整定和利用模糊PID参数自整定两种方式[5-6]；第五，通过分析比较仿真结果的曲线，获得最佳的PID参数；第六，将PID参数传送到组态王，接着送到控制器，进行被控对象实物的控制。图1设计性实验原理框图2实验举例分析过程控制的被控参数包括水位、流量、温度等，其中水箱液位控制是最典型的过程控制，各高校也均围绕液位开设了一系列实验，包括对象特性测试、单回路控制系统、串级控制系统等。因此，本综合设计也围绕液位控制展开，以双容水箱液位控制为例，对原有实验进行了充分利用，并把分散的几个液位实验整合起来。2.1MATLAB与组态王数据的通信MATLAB与组态王通信通常有以下几种方法：运用COM组件、Axtive控件、OPC技术、DDE技术。本文采用DDE技术实现组态王与MATLAB间的数据交换。其中MATLAB作为客户，组态王作为服务器[7]。2.1.1组态王中实现DDE通信定义DDE设备，在工程管理器中选择“设备DDE”，双击“新建”图标，弹出“设备配置向导”，按向导操作；定义变量，连接设备为定义的DDE设备。变量名是在组态王中使用的，而变量项目名则是供MATLAB引用的。2.1.2MATLAB中实现DDE通信用ddeinit函数与服务器建立对话，建立成功则该函数返回一个通道号；用ddeadv请求建立热链；ddereq向服务器要数据，返回的是存有数据的矩阵；Ddepoke函数向服务器发送数据。2.2被控对象特性模型的获取要获取模型，首先，MATLAB通过通信方式发送指令给组态王，通过组态王启动已经开发好的“双容水箱特性的测试实验”；接着，通过通信方式将实验数据返回MATLAB，MATLAB完成模型参数计算双容水箱液位的阶跃响应曲线如图2所示，具体的计算实例如下描述。图2双容水箱液位的阶跃响应曲线(1)(2)(3)由上述两式中解出T1和T2，图2中的直线为经过P点的切线，切线与时间轴的交点为A，OA之间的时间即为对象滞后的时间，得到如式(4)所示的传递函数。(4)其中，τ为对象滞后的时间常数。2.3PID参数整定模糊控制采用的是拟人的思考判断办法，它将人已有的经验与控制方案表达为模糊控制规则，很适用于具有非线性、大滞后特性的复杂系统，如液位串级控制系统。为了克服常规PID调节器的不足，本综合性设计在常规PID控制基础上引入模糊控制，形成模糊PID参数自整定控制。实践表明，串级模糊PID控制由于它的超前控制作用和主控制器PID参数实时调整，能够大大克服系统的各种延迟，如容积延迟，缩短系统的控制时间，使系统响应加速，工作频率也有所提高，控制品质得到较大改善，实现双容液位的较高精度控制[8]。利用MATLAB/Simulink的仿真功能，完成各个过程控制系统的仿真，包括串级控制系统、前馈—反馈控制系统、单闭环比值控制系统、双闭环比值控制系统、解耦控制系统、模糊PID参数自整定控制系统等，比较仿真曲线结果即可获得最佳PID参数。其中，有三个模块采用的是MATLAB提供的封装技术进行模块的封装：PID控制器、FUZZY控制器和被控对象[9]。封装后的模块可以通过几个接口和外界其它模块交流或是连接，PID控制器模块接口包括偏差、偏差变化率、PID参数等；FUZZY控制器模块与其它模块的接口为偏差、P输出、I积分输出、D微分输出；被控对象模块与其它模块的接口为对象传递函数的各个系数。两个典型的仿真图如图3和图4所示，图3是串级控制系统，根据经验观察或是工程经验，手动输入PID参数，即传统的PID控制；图4引入了智能控制技术，利用MATLAB自带的模糊控制工具箱获得PID参数，即模糊自整定PID串级控制系统。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]。图3串级手动调节PID参数仿真图图4模糊自整定PID参数仿真图3综合性实验平台实例本设计根据使用的实际情况，利用MATLAB的GUI功能开发了用户界面。方便使用者调出各个控制系统的仿真结果图形、控制系统框图、主副PID参数、控制对象的模型参数等各项信息，实现人机交互。在仿真平台的GUI界面中，每一按钮或选择框均有一个回调函数，如标签为“开始仿真”按钮回调函数为“starts.m”，完成调用MATLAB的“Simulinkmodelfile”，标签为“控制选择”的选择框，回调函数为“huatu.m”，完成控制系统框图显示功能，标签为“获取对象数学模型参数”的按钮，回调函数为“models.m”，完成模型参数计算功能，最后得到的运行界面如图5所示。使用步骤如下：(1)选择控制系统的结构，如模糊PID串级控制系统、串级控制等；(2)点击获取对象数学模型参数按钮，则最后的参数显示在文本框内；(3)点击开始仿真按钮，则在仿真图形坐标上可以看到系统的仿真图形。图5仿真平台的GUI界面图6串级控制实验界面综合分析各个仿真结果输出图的快速、准确、稳定性等的对应参数，获得最佳的PID参数，将PID参数送到组态王，以这个PID参数为基准，进行实际系统的实验操作。由于仿真平台采用的是比例系数、积分系数、微分系数，而组态王使用的是比例度、积分时间、微分时间，所以参数送到组态王之前要进行换算。串级控制实验界面如图6所示。4实验教学效果分析学生可单独使用本设计的GUI仿真软件。该仿真软件不仅可以使学生加深对控制系统相关概念的理解，同时可以让他们体验PID单独控制或结合控制对系统的影响和PID控制参数对响应的影响，进而加深对PID控制规律的理解和掌握，还可以培养学生工程设计及实施能力(MATLAB仿真是控制系统设计的重要组成部分)。通过仿真系统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，显示出巨大的经济效益。通过整个综合性实验的实践，学生得到了综合训练，提高了分析、解决实际问题的综合能力，深刻体会仿真系统与实际系统在控制上的区别，感受实际工程控制时可能遇到的难题。而且，综合性实验涉及较多的内容，如DDE通信技术、模糊控制、对象特性参数的计算、MATLAB/Simulink仿真、封装技术、模糊PID控制器等，扩大了学生的知识面，大大提高了他们的学习热情,激发了其学习潜能。在该综合性实验中，80%～90%的学生可以顺利得到较满意的控制器参数和控制效果，实验效率和教学效果明显得到提高。5结语本文从目前实践教学存在的问题出发，结合已有实验室平台条件，开发设计一个基于软硬件结合、实物控制与仿真控制结合、基于真实模型的MATLAB/Simulink仿真、融合较多学科知识的一个综合性实验。实验证明，该平台提高了实验内容的质量,加强了学生对知识的消化与融合,提高了整个教学质量。对于自动化专业的学生来说，核心知识为控制与系统，在本文设计的综合性实验充分得到体现，达到培养自动化专业人才的目的。[1]杜海顺,邹大勇.过程控制教学改革探索[J].中国现代教育装备,2015(9):58-60.[2]白杰,潘常春,杜文曾,等.基于LabVIEW平台的可配置过程控制教学实验系统[J].实验室研究与探索,2015(12):97-100.[3]阳武娇.基于Simulink的“过程控制系统”仿真实验教学研究[J].高校实验室工作研究,2011(3):52-53.[4]郭阳宽,王正林.过程控制工程及仿真[M].北京:电子工业出版社,2009.[5]冯鹏辉,谭兮,刘国营.三容水箱液位控制系统的设计与仿真[J].湖南工业大学学报,2011(6):51-55.[6]吴兴纯,杨燕云,吴瑞武,等.基于参数自整定的双容液位模糊控制系统设计[J].自动化与仪器仪表,2011(4):41-43.[7]李敏,邹涛,杨马英,等.基于组态王与MATLAB的监控软件实现[J].武汉理工大学学报,2011(6):100-104.[8]朱笑花,谷凌雁.先进PID控制工具箱的开发与应用[J].自动化与仪器仪表,2009(3):42-44.[9]王淑钦,徐博文.过程控制系统仿真软件的设计与实现[J].实验室研究与探索,2002(1):53-55.[10]郝莉红,王志腾,陈洪.基于MatlabSimulink对半主动悬架的Fuzzy-PID控制仿真研究[J].河北工业科技,2013(1):42-46.DesignofComprehensiveExperimentforProcessControlBasedonSimulinkParameterZHUXiao-hua(CollegeofPhysicsandInformationEngineering,MninanNormalUniversity,ZhangzhouFujian363000,China)Thecourseofprocesscontrolisoneofthemaincoursesofautomation.Ithasthecharacteristicsofprofessionalandstrongpracticality.Thecoursenotonlyrelatestomanycontroltheoryknowledge,butalsohasclosecontactwiththeactualindustrialproduction.Thestudentscanbetterunderstandandapplytheoreticalknowledgethroughtheexperiments.Therefore,accordingtotheteachingstatusofprocesscontrolexperiment,acomprehensiveexperimentsystem,basedonthefuzzyself-tuningofPIDparameters,thetraditionalPIDcontrolandtheDDEcommunicationtechnol