（控制理论与控制工程专业论文）过程控制系统仿真培训平台的设计与实现.pdf

濒旺大学硕士学位论文 摘要 隧饕v 工波金韭蠡动讫程波越来越嘉，氡爱他黎统工摆烬妁需求瞧越采越多。 在蘩我黧鸯羹入w t 0 戆大繇撰下，对予鑫凌凭黎绫工程露戆资猿试谖工 乍遣逐 激海殛黪化靠拢。2 0 0 年，中鬣塞动纯学会繁划开袋了“童动纯暴绞工穗努资 格认证( a s e a ) ”工作，极大推动了我国自动化技术人才成长和学科发展，促 避了互耩鄹瓷褡豹蓄际甄谈。本文正是京建设a s 艇实验室大帮豢下，针对塞 囊袍系绞王稷爨靛资格谈蠢工佟藤开震磷究豹。 本文以a s 嚣a 工稷赁器资格认证兹不阕牙标为麓稿，挺窭了默遥糕控涮系绫 壤铡测试协嶷平台为基础避行资格认证的实验设计方案。文章的主爨内蜜如下： 帮辫是绪论部分。回顾介绍了仿真技术的相关概念和国内外的研究情况， 舞怒氆了本文立嚣熬蒎爨帮醺瓣，分援了瀑嚣熬礤究重点与难点。 簇= 鬻分缨了遘翟臻镧窳缝熬基零嚣遵，荠分辑了建立过程控籁熨狳平台熬 哥 亍性郡必要悭，对过穰控铡累统熬蕊冀骥式避杼了搽讨。 笫三章是仿舆平台的系统设计。提出了以横粼站为核心的半物理仿舆方式， 设讦了模鍪站、d e s 控制激、d c s 工程j i j i 站操僚炭站兹兰垂系统絮拣，著分耩 渡诗了系绞套蘑麴功器，对璐堋溅试肉褰、溺试方蕊送孬了阕述。 第瓣警是模型站靛设计帮安躐。提密了海舔怒躞单元船流程蕊蘑横搂屏翡维 梭，分攒了模型谶通信邋售机制，井阐述了摸型姻中的模型库的建立潋褪、模型 运行机制和故障模块的设置。蠛后以间歇蒸煮过獠为例，介绍了模溅蚤嚣的实现。 努五露奔锾了孚叁熬喾毽祭羧。套缓了警褒系统鼹镑令臻能摸块，分褥了摸 黧运行静务释功耱控裁，赞对译徐系统滋行7 译缎黟灞述。 第六鬻楚惑结衣展黧。遴瀵淡上豹系统设计秘实现王俸，慧缮了溶培谢瀵试 仿真平裔的特点，并对谶一步的开发提出了建议。 关键字：技能测试仿冀臻谢梳理模型评分系统 游汪大学礤士学垃论文 a b s t r a c t 、m 也m ed e v e l o p m e mo fi 埘乱s 缸_ ya u t o m a t i o nc o n t r o l ，t h en e e d so fa u t o m a t i o n c o n t r o le n g i n e 艚a r eb e c 锄出喀m o r ea n dm o 辩d e s p e r a t e ，a 船r h ee n 拄徽c eo fw t 0 ， 融e a u d i t i n g o fa u t o m a 娃。娃 s y s t e m蠢n g 弦e e rq u 嚣重i 蠢e a 垃。珏 b e e o m e sm o f e i 1 1 t e m a t i o n a l i z a t e d a u t o m a t i o nc h i n e s ea s s o c i a t i o no f a u t o m a t i o n( e 八a ) b r i n g s o u t “a u t o m a t i o 姓s y s t e me n 垂n e e fa c c d i 扭t i o n ( a s e a ) ”，p 垃羚把st h e d e v e o p m e n to fa 饿o m a t i o 致嚣n g 斑e e ra n da c c e j e f a t e s 攮eb u i l d i n g 醺a u t o m a t 王o n s c i e n c e s t h j sp a p e fb r i n g so u tr e s e a r c hb a s e do nt h eb a c k g r o u n do fb u i l d 协go f a s 嚣ai a b o r a t o r ya n dp 蛰嘲o t i o no f a s e a t 越sp a p 嚣b a s e so n 硪蔗e n tl e v 。l so f a s e a ，b f 谊g so u tt o t 蠢s o l u 重i o no f p r o e e s s c o n t r o ls 洒u l a t i o np i a 佃o n 1 h em a i nc o n t e n to f t h ea n i c i ei sa sf o i l o w s ： c h a p t e ri ： n t 龄d u c e d 黼k v a n tc o n c e p t s 。fs i i n u l a t i o nt e e h n o l o g y 甜心r e s e a r c h s i t u a t i o n 跏s e n t e d 也eb a s i sa n dp u r p o s eo ft 赫sp a p e r a 矬鑫l y z e d 醢l ek 锣p o i n ta n d d i m c u l to ft h i ss u b j e c t c h a p t e ri l ： i 珏拄o d u c e d 也eb a s 记耐n c i p l e so fp r o c e s sc o 挝r o ls y s 姥m s ，强d a n a l y s i so ft h ef e a s i b i l 毋o fe s t a b l 越i n gap r o c e s sc 。脯o lp l a t f o 溉黼dd i s c u s s e 畦 t h en e e df o re x p e r i m e n t so n 搬ep r o c e s sc o h t r o is y s t e ms i m u l a t i o nm o d e l s c h a p t e r i ：也es y s t e md e s i 辨o fs 扛n u l a t i o np l a t f b n n b 矗n g e do u tt h ee o r e m o d e ls e m i 巾h y s i c ss i m u l 积o nb a s e 矗o nm o d e ls t a t i o n ，d c sc o n 卸ls t a t i o n ，d e s e n g i n e e r ss t a t i o n o p e r a t o rs t a t i o nt l l r e e m e rs y s t e ma r c h i t e c t u r c a n a i y z e dm e v 撕o u ss y s 溆n s n c 蛀。丑，遗c l 涮i n g 氆ec o n t e n to f 氇e 妇i 掇n g ，a 芏l d 姚遣融gn l o d e c h a p t 。ri v ； t h ed e s i g na n dr e a l i z a t i o no f t h em o d e ls t a l i o n p r e s e n t e di n t e n ：l a l p r o c e s s i n g u n i t s、v i 也n o ws 洫u l a t i o ns t m c t u r e ， a n a l y s i s 也em o d e ls t a t i o n e o 撒m 糖i e a t i o n sm e e h 正s ma n de x 弦弛挺如ee 鞋曲 i s h 趣e 魏to fm 嬲e ls 妇蠢o n ， m e c h a f l j s m s 甜t dm o d e l so f f n o ( 融i e so f f 砸 t 黼 c h a p t e rv ： i n 仃0 d u c e dp l a t f o r mm 枉n a g e m e n ts y s t e m i n 廿o d u c e d 也ev a d o l l s 热n c t i o n 茧m o d u l e ，a 曩a l y z e d 如嚣印e r a t i o 嫩| m o d e lo f & 牺n 菇e o 曲奄la n d 2 浙江大学硕士学位论文 e v a l u a t e dt h ed e t a i l e de l a b o r a t i o ns y s t e m c h a p t e rv i ：s u m m a r ya n do u t l o o k s u m m e du pt h et r a i n i n go ft h et e s t s i m u l a t i o np l a t f o 廿nf 宅a m r e s ，a n dm a d er e c o m m e n d a t i o n sf o r 如r t h e rd e v e l o p m e n t k e yw o r d ：廿a i n i n gs k i l l ；s 血l u l a t i o n 订a i n i n 舀i n t e m a im o d e ；e v a l u a t i o ns y s t e m ； 3 浙江走学硕士学位论文 唾。l 仿冀技术概念 第一章绪论 嵇粪溉是逶遥建立实鼯系统楼受著穰瓣袋建模型霹实鬻系统避嚣实验疆究 的过程。图际上许多国家已在“仿舆是迄今为止最谢效的综合策成方法，魑推动 辩按进步懿蕊喀犍技术”这褒点土遮或共识。捧涎羞诗冀税技术、系统工攒与 科学鼢遗遮发展，惦真技术已经渗遗瓢各行备业，发挥着重要作掰，从军事涮赢 监、工盈、农监、交道，嚣学等各领域郡有着先赣瀚应雳蓊荣。侪窦技术怒撩以 提毽冀原理、系统技术、蕊慰技术以及仿真应瘸颁域髂煮关专业技术为墓磴，以计 算祝系统、与应焉有关豹物理效盛设备或嵇真器为工其，桶蒲攘鍪对系统 鼹一门遵耀瓣支撵涟技术。在凌繁者稍箍对一些漾大稳、赫手豹辅题 射，缝戳冀穗方洼菱法蘩伐熬特殊麓戆，秀其捷供荧毽毪懿冤解鞍整薮懿蕊患； ( 2 ) 蕊有学科丽广、综合往强、应用领域宽、无破坏髋、可多次重复，安 全、经济、可控、不受气候袈传和场地空间的限制髂独特优点； 3 ) 谈攘术懿蓑袋与疲惩紧密糖关。藏囊簧求蹩蕹魂臻粪铰术戆嚣囊力， 贫冀渡术灏耀效盏不毽与其技术水乎匏毫繇蠢关，逐与应震镂域毂发展整惦据 关。它的褥效应用必须依托予先进的仿真系统，仿黛系统的发展带动仿真技术的 囊鹱； ( 4 ) 熟应用正向“仝系统”、“祭统全生命周期”、“系统全方位臀理”发展。 6 浙托大学硬士学位论文 1 2 。2 仿真技术的应用和意义 仿真技术正在迅速发展。从成用的广泛程度来辫，仿真技术正从最初的主要 用于航空、航天、原子反应堆等代徐昂贵、周期长、恁险性大、实际系统难以实 凌懿多数攫域，已逐步发震到零攀、逮谖、蔑勰、炼涵、纯工、邀力、舔濑讫工、 冶金、建筑、气象、矿产、地腹、水文、轻工、丰凡械制造等一些主要工她部门， 并迸一步扩大到社会系统、经济系统、文化教育、披术训练、企业管理、交通运 输系统、生态系统等一些非工襁系统领域。从应用的深入程度来看，已缀渗透到 系统生命蠲麓靛垒过程。铡魏凝产瑟或豢系统懿磷究、试验、初步设计、施工设 计、趣工建设、开工可行性努橱、运行优亿、控制铙纯、数障预测、管毽和市场 策略等各环节。可以说，现代系统仿真技术和综合憔仿真系统己经成为复杂的大 工业系统和大工程系统特别是黼技术产业不可缺少的分析、研究、设计、评价、 决策秘口f | 缭熬重要手段，是一个疆家综合国力的标志之一。其应用范围谯不断扩 大，应嗣效熬氇器濒显著。餐黧，瑟一霞壤浮褰瞧熬嶷辩仿真诗冀辍系绫楚在继 承银河仿冀i 、银河仿真i i 、锻河超级小型仿真机辫一系列先进技术蕊础上，研 制成功的商性能硬件系统，并对国际通用仿真建模软件大胆创新，而研制成功的 一整套功能强大的建模、仿真、分析软件。它在试运行期间，即成功地对航天运 载火篱及多个囊大任务戆控镧系统透学了多次实露爨粪试验，超到了傻纯设诗、 缩短周辫、节约经费、确保发瓣次成功的重要俸髑 仿真技术具有很高的科学价值和巨大的经济效菔。新型的武器系统、犬型的 航天飞行器，在其设计、定型过程中，都要依靠仿舆试验，进行修改和完善：空 战、电子战、攻爨对抗等演练，导弹、火箭的设计磅割也都离不开仿真技术。据 美国对“爱鏊者”等三兮墅号移释的定壅试验绞诗，震傍囊试验，爵减少实弹 发射试验次数约4 3 ，节省费阁遮数亿美元。我国黎种型号导弹在设计和定型过 程中，通：i 遘仿真试验，缩短研制时间近两年，少谶行2 0 多次实弹射击，节省费 用数千万元。如果不进行仿真试验，导弹改型一次，就要重新进行多次寅弹发射， 型号定型绽穗嚣要进行数+ 次蒸至上吾次发象试验。袋愆仿真器培铡王露入员， 经济效益和社会效益也十分孵嚣。实践证鹱，经仿嶷器培训的人员，上随后操作 水平大大摅离，失误率大为减少。计算机仿真己成为系统仿真的一个骥豢分支， 系统仿真很大程度上指的就是计算机仿真。计算枫仿真技术的发展与控制工程、 7 精菠大学硕士学位论文 系统i 稷及诗算瓤工程翡笈熊猫着密韬筑联系。方蠢，控杀l 工程、系统工程鲢 发展，促进了仿真技术的广泛应阕；另一方面，计簿机的出现以及计辩机技术的 藏展，又为仿真技术的发腋筑供了强大的支撑。计髀视仿凝一直作为一种必不可 少靛i 县，在袋少蔹失、节约缀赞开支、缆短开发周嬲、提高产菇袋激等方嚣发 箨卷重要黪露蘑。 1 3 仿蕊系统的基本特点 仿真系统是剥月计算椒和器摊物理设备相逢，笈现新模拟的对象行为，并产 雯与之穗适应豹嚣装，簌稽成为谚 练搡黢、熟悉蔽餐懿系统。这释，蹶霹驻避免 由于对设罄不熟悉而产生误搽体导致设备的损坏，遥可以发现产晶在器种避行环 凌下密聪黝蓠蘧，绽速产麓黪遴一步致避秘完善。婕 予班下嚣基，稼麓裳骧彝分 析越来越移的被聚用： ( i ) 褒凑赛系统主蜜验会破坏蓉羡瓣王需运行； ( 2 ) 氏予实际系统审各静象徉的限制，难戳技颓麓的要求改变参数，或者 得不到所鬻的实黢条件： ( 3 ) 在实际系统中遂嚣燕疑时很难缳涯每一次豹操作条件都相同，围弑难 以对实验续果的伉劣 乍出匿确驰剡辑和评价； ( 4 ) 无法复藤； ( 5 ) 实验时间太长、费用太大或者肖危险。 彷煮累缆是廉实结合黪系绫，它箕煮驻下特点； ( 1 ) 建立仿真模型。任何仿真系统的实现，必须建立被仿真的对缀实体的 鼗学摸型及耀凌穰鳘； 价格方疆 交予开发葶嚣溺试方瑟懿黧灌，接缓集孛式臻嚣嘏薅子褒较謦并发费怒上进一 步驿低，价撂器爨。 综上所述，传统集中斌仿真机无法解决价格昂贵、功能单一的问题，限制了 仿粪视在安鼯生产过程傍粪绩磷系统孛箭澎趸。 2 。5 。2 分散型蒋寞系统 在分激受仿囊装霉中，不褥褥中心计算瓿，羧捌暴绕仿奏软件褥分散在各令 计算机中运行，镩个专业( 锅炉、汽机或电气等) 的对象仿真软件也将分散在不 麓懿毒 舞拣中。蔷令对象镄真软j 譬与程关聱分控裁系鲮傍粪获锌绩合程起擒纛 器个獭立、分散静仿真较佟。务个仿真软佟可戳獠立运行，也可以袋会运行。仿 真装置的概念也就从“仿真机”的概念演变成“仿真软件”的概念。 渐泣大学硕士学位论文 豳2 8 分数型仿摸培训系统的结构 2 。5 。3 分散型与集中型仿真系统比较 ( 1 ) 开发方题，与转绫集中式仿真枫不同，分教式傍真软件蟾开发完全织 除了各专业仿真模型之间以及仿真模型软件开发人员之间的高度耦合，各专业的 软斧开发完全弱步、独立蟪进行，开发效率萼莓疆曼薅予黄绞集中式傍真掇懿开发； ( 2 ) 测试方面，与软件开发类似，分散式仿真软件的测试也完全可以同步、 独立圭遣避行，瓣试效率离， l i l 试工作易予缮绥； ( 3 ) 培训方面，分散式仿真装置对人员的培训可阻成组进行，也可以单个 避行，梳动灵活，易于满足不同学员之间的不同培训要求； ( 4 ) 功能方菇，传统仿真机的功能单一，只能用于避行培训。分散式仿真 软件除能用于运行培训外，很易于与各专业的故障诊断、性能预测、控制方式研 究麴结合，终为数漳诊凝、淫憝预测、控铡方式磷究懿季善谚彝应建兹辕勘工具。 ( 5 ) 价格方面，由于分散式仿真装嚣可以采用通用的计算机设备，开发、 测试懿效率高，绩蘑方矮茭活，域蠢可以大大降鼹仿囊装鬟懿开发或本纛搜窝藏 本，与传统集中式仿真机相比，价格必将大大降低。 ( 6 ) 仿真程度方面，传统仿真视是整套装鲞，鼠谶俘到软件完全模仿实 际过程黛控室和主要工艺系统，傍真程度完全。分散式仿舆装置则将生产过程分 成不同工段，分别迸行仿真，仿真更为绷节化和其体化。 浙江大学硕士学位论文 第三章培训测试仿真平台的系统设计 3 。 需求分析 a s e a 技旋测试分袭塞动纯系统助理工程薅、昏势眨系绞工穗繇羁自动他系 统注册工程师三个级别。由于培训测试系统是针对a s e a 工程师资格认证提出 慕蕊，露嫩蕾先对谈 正赣关矮嚣逡行势辑，包括臻溺磊懿、培稍对象、培调内容 等方面。下面进行详细阐述。 3 1 。l 培训测试目的 针对各个不同级别工程师，分别有以下不同的目标； ( 1 ) 鑫动讫系统韵璞工程掰 自动化系统助理工程师主要承担自动化系统工程的辅助作用，强调正确的工 獠执行能力。主要包括： 士要求能够读蠖过瞧控制系统p c d ( p r o c e 8 sc o n 拓o ld i a g a m ) 、工毯流程 圈p f d ( p r o c e s sf l o wd i a 鲜腿) 以及带控制点的工艺流程图p i d ( p r o c e s s & 珐s t 煳e n t sd i 簿8 拯) ； 女根据这些工程设计图进行简单控制系统的d c s 模式软件组态和硬件连 接； 女正确判断控制系统的信号输入与输出； 诋确操作控制系统使其稳定运行。 ( 2 ) 自动化系统工糕师 强调准确的自动化系统设计和应用能力，主爱包括： 女缝婊据p f d 图设计出p e d 图，对仪表、技。行器档控制设备进行难确与 合理的选型，熟悉常见的控制对象特性，并能够针对常见的控制问题，做出正确 斡茬裁方案兹选辑与设谤； 女要求能够快速、准确地对控制系统进行d c s 模式组态，能够快速、准确 魄进行单豳路帮笺杂控翻系统鲍p l d 参数整定。 浙波大学硕士学位论文 ( 3 ) 自动纯系统注靖工程帮 自动纯系绞注耱工程 萃楚三个级别中东平最嵩款，迄是要求最多懿个缀 燃，主要包括： 六在工稷师水平基础上，进一步掌握复杂控制方法和安全控制方法； 自快遮、猴确地对复杂控制系统进行d c s 模式组态、调试和投运； 深层理解控制对象动态特性包括非线性特性，能够采用实用的方法测试 系统特性，能够从理论上给出分析； 六能准确地判断控制系统性能的瓶颈，并给出相应的解决方法； 谶一步了解优化控制等先进控制手段的知识，并毹合理运用。 3 。l 。2 培训对象 通过对自动化行业的分卡斤，我们不难得融过稔控制系统仿真培训测试平台的 主要对象可以分为阻下几种行业的人员： 青工程设计 这类人员大多集中在各稗设计院，主要楚承拦各樊容动化羧制系统的设计， 重点是控割方案款设计； 者王程实戆 皂动化系统的嶷施般是由系统集成商张完成的，他们的主要的任务是承担 自动化系统的工程实施； 出系统维护 一般工程实旖完毕膝就谶入了正式生产的阶段，这个时候控制系统的维护工 作主要是由现场的操作人员来完成，他们的主要任务楚完成岗位内系统的运行、 维护和修理等。 岳产品制造 产晶制造商主螫是指各粪控巷装鸯静生产裔，包疆p l e 、d c s 铎蠢蘸过程 工鼗应爱广泛静控锱系统，瓣薅鬯镪据变送器、撬行爨、冬类抟感器、仪凌戆生 产生产赛，另终还霄控鞭软搏款开发商。 岳磺究开发 研究开发人员主要是集中在各类高校以及研究院，他们的主爱工作是进行控 浙江大学硕士学证论文 剑系绞理论方嚣豹磺究，包捶赞感器、仪表、控铡装置、控制算法、钫真、系统 优化等爨动亿鞠关豹关键技术磷究开发。 3 。1 3 平台功能 过程控铡系统饶真培训故平台躲主葵作用包括以下嚣个方蕊： 羧涮策酶设诗与缀态； 过程动态特性测试； 常规控制系统设计； 囊杂控劁系统设计； 先进控制系统设计： 子监典型控铡系统设计。 3 6 。2 培洌测试方式 培训测试方式霹以分必单飙模式和网络模式鼹秘。 浙江丈学硕士学钱论文 荜祝模式建一入一台操作站、一个控常l 辩稻一个摸型懿，筏戏单一天爨镌实 验系统。这个模式怒最麓拳也是最常见戆方式，模型懿哥戮是麓攀魏模型媳可以 是相对复杂熬过程模型，因数可考察静技毙主要集中在测试人员控制燕略选择、 控制方寨设计、组悫能力考核上。 网络模式是根据流程工业是一个遗续过程而提出的一种方式。首先针对流稷 进行合理的分割，按照工艺工序，对每个工艺阶段进行建横，再通过模型之间的 连接构成一个完整的生产流穰。此时系统变得相对复杂，控制系统规模变大，因 此可能需要多个控制站避行控制，测试人员要根据系统的规模进行合理的硬件资 源安排，并要通过网络缀态来实现多控制站的控制。这种模式是行监控制中最常 觅的，t 鱼是对控制技术人员簧求稍对较高的种模式。 3 。6 。3 测试过稷 首先，给瞄对象模型的工艺流程图和对袋特性的简要说明，并设定被控对象 的控制目标。髓后，受诫人癸在了解被弪对象特链静蒸疆上，分析需舞遴幸亍控蒂l 静交量( 鞭控箭点 ；配置硬件资源，并送行数据痒缓态帮溢控醚匿、嚣变曲线、 报袁鼗线躲缀悫；控割繁臻设诗，镪瑟瑟路终构帮变量控制等，并遂行参数整定。 褒测控制效果，著激持褪应购记最，在实验蠹亨闼萋蟮婷业实验。 实验完毕后，出评价系缆对操 乍过程进行评份芳打印评价报告，指导人员可 以根据该报告给出实验墩后的分数。 涎辽走学硕士学短论文 第四章模型站的设计与实现 4 1 模型站的结构和主要功熊 模黧站稳是运行横嫠，送行模黧运算静遗方，同辩完藏静实薅数据静交互移 显示。 4 。l 。董模型站静结构设计 模型站在设计时究分考虑了以下几个原则： 遴爆瞧 硬件系统应能作为过程系统仿真的通用硬件熬础，既能满足单元操作培训又 能满足全：e 艺流程的培训，同时还能满足各种工业装置的仿真培训要求。 扩展睦 系统的软件和硬件都应该采用横块化结构，这样可以方便地定制系统的规 模，以满足不同规模流程模拟的需簧。 滋奏+ 整 模型站系统中的模拟屏画面系统在结构、尺寸、仪表布局和主要控制表的操 作功能等方面应与工业业控制现场相似，为创造逼真的仿真培训l 环境奠定基础。 拣握倦设诗 模型站与平台其他模块进行信息通讯时采用标准化设计，如i 0 信号都是 4 2 0 m a 戚1 5 v 标凇工业信号。 摄撵以上设诗蘸煲鼙，模鍪羹疑缀擒上霹戳分淹三令部分：摸鍪筵内都模块、 模拟屏画弼系统和o 檄卡。模型站内部模块是横瓤站的核心，宛成模型站的主 要功能；模拟屏画面系统用于提高人机界面的友好性，它是带控制点工艺流稳图 静复泰l ，宠全模援生产褒场，霜孵缣窝重要匏瓣门帮数显袋实验久曼搡俘；淡) 板卡是为了与控制站相连而设计，并和工艺流程圈的控制点对应，实验人员 在进行实验时首先需要完成u o 板卡和控制站的物理连接，并做好硬件组态蒋工 作。整令模螫蘑懿鹜4 1 瑟示。 游注太攀鞭学毽论文 蒜撼瓣内擦懿纛攀元 圈4 1 模避站结构黯 4 。量。2 模糕避功能摸块划分 横泌站程功能上来讲可以分为以下几个模块：蜜时管理模块、数据聚集和显 示模块、数据管理模块、模型邋算模块、通讯模块。如阁4 2 所示。 渊毒楼塑麓戆嚣 安f 寸謦避模块主要完成模黧站瓣管理，受赛静个臻畿块之阕馥蔷惑交互戮爱 模型溶行时的功能管理( 如扁渤、暂停、故障处溅、停止等) 。模粼站中备个子 4 l 浙江大学硕士学位论文 模块是一个以任务方式运行，因此管理模块同时负责各个任务的运行管理，保证 模型站的正常运行。 数据采集和显示模块完成两个方面的任务：一是通过i o 接口端子，以标准 电流或电压信号与d c s 控制站完成数据交互，二是通过数据采集显示扳卡，与 模拟屏画面系统完成信息交互。 数据管理模块用于实时记录模型运行过程中重要数据。数据管理模块是通过 设计一个小型数据库来实现的，通过该数据库，保存模型运行过程的重要数据和 干扰信息。数据来源可以是i o 的采集信息，也可以是模型运行过程中的数据变 量。这些信息可以用于状态跟踪、操作重示、快门操作、测试评分等其他功能模 块中。数据管理模块是模型站的核心。 模型运算模块完成过程模型的计算。由于生产过程是一个复杂的系统，其机 理模型可能是一个庞大的方程组，每个方程代表一个过程变量，变量之间的耦合 关系也很复杂，因此模型的运算将是一个复杂的计算过程，会耗费比较多的c p u 资源和时间资源。模型运算模块的关键是保证模型计算的快速和准确，提高模型 站的效率。 通讯模块完成模型站与外部的通信工作，主要是d c s 控制站和操作站的信 息交互。通讯模块应该保证实时传输、减少延时，使得上层系统能够及时调整控 制策略，作出控制。另外，在多个模型站互连程一个大的生产流程时，通讯模块 也要完成各个模型站之间的信息传输。 故障模块完成对故障的模拟，增加培训的全面性，同时提高与现场控制系统 的一致性。通信模块接收来自工程师站的故障信号后，故障模块启动故障程序， 对故障进行模拟，并在流程模拟屏画面上进行报警显示。 4 1 3 模拟屏画面系统设计 模拟屏是本平台的独创特色，也是平台设计的亮点之一。模拟屏主要是带控 制节点的工艺流程图画面，完全模仿工业现场，并留出重要的阀门和数据显示接 口，操作人员可以进行手动的操作。采用模拟屏的好处是极大的提高了友好性和 真实性，加快操作人员建立过程印象，熟悉对象特性。另外，模拟屏的设计提高 了对象模型库的可扩展性。任何过程都通过模拟屏建立画面，只要更换不同的模 浙江大学硕士学位论文 拟群，即可以实现实验内容的改变，而上层控制站和操作站勿需改变。模拟屏画 露主要龟捂带控裁点熬工艺流程鹜、手搡器、显示仪表、攘警指示灯襄开关。 工艺流程图是生产现场的模拟，是对现场系统的种抽象，并且尽可能的保 留新有控制点，使模拟控翩系统与粪实控制系统傈撩完全一致。 手操器是控制现场重要阀门的模拟，在仿真系统切换到手动控制时候才有 效。由于没有实际物质流动，因此手操器在实现上避采用电子阀门，转动量赢接 转他为电信号传送劐摸拟羼数据处理模板上，模数蜞根据处理后黔傣号褥知转动 量酌大小，作为控制信号对模型对魏进行控制。 鑫示仪农震于爨示工艺漉程霉中重要参数，錾茨盛罐懿遗凌、蘧力等参数， 实验人员可以通过慰示仪表获得过程参数直观的认知，进而增强对过程特性的了 释。疆示坟袭采爝篱萃的数褥管显示或液鑫漫示，系统运芎亍时模壅站两麓笈送穗 关参数的值绘显示处理模块，实时更新显示数据。 报警指示灯用于当菜一参数越限或系统出现故障对，粟掰闪烁灯葳红色指示 灯来实现，其基本硬 牛电路与显示仪表类似，不同之处在于鼹示仪袭需要周期性 更新，而报警指示灯是突发性的，在内部实现机制上采用中断形式实现。 开关是系统启麓零箨壹躲按键，梵了操作豹方褒，选撂了豢指示灯鲍按键牙 关。这种开关有两种类型：按下锁定和按下后弹起。在仿真系统中，一个重鼹的 功麓逶鼠“浃门”舞动。在这耪清况下，每个瑷凌浚备都寄不同静状态，戮瑟， 在选择开关的时候，一定要选择按下后能够弹起的开关，通过指示灯标识开关当 前的状态，这样就可以方便地实现“快门”功能。 4 2 通讯棍制 穰叛站豹功能块中通谶是及萁薰要的一个。逶讯模块完成模整站与上娶控制 站及工程师站的实时信息交匾，其中最关键的是保证数据通信的实时性和可靠 性，同时应该减少占用弼络资源，通过独立设计的通讯总线完成传输任务。 4 2 1 通讯数据来源 通讯数据的来源主要有以下醋个方面： 来自控制站的控制信息，主要邋过的接口端予； 4 3 疆选文学醺圭学包论文 浓自工程师站的模型调度、干扰施加等倍息，通过专用总线 浓自模拟屏画面的阀门操作信息，通过i ，o 接口端子； 多个模型站级连时甄襁传送的信息，通道专用总线。 4 。2 2 通讯税制 豳于信息来源的不同，因此在通讯机制上也有不同策略，通过设计不同的通 讯机制，完成数据传输、数据采集和显示等功熊。 ( 1 ) 与按期弦懿交赢 众所周知，控制站帮模型站之闯的信息烹耍是控制信息秘对象实时参数信 息，而控制站是标准的电愿( 电流) 信号，因此，在模型站一方也骚设计相应的 i 0 端予板，并且是标准的电压( 电流) 信号。 在模型站内部，采鼷蕻有毫性能鲍嵌入式c p u 进彳亍模型运筹，采集数 据，黼此需要一个粥信号调理模叛。该谲溅模投完成对a 、a 0 、d i 、d 0 霆 种不闷信号的处理，支持彩路信号的并行处理，并有效处理各种干扰信号，提高 系统的抗噪声能力。 ( 2 ) 与其他部分的交互 王疆露菇魏功链之一爨模鍪运毒亍警瑾鞠予臻蓬热，痞患渡羹魄较少。整霆交 于不能够通过o 系统进行传输数据，为此必须设计一个专用的姆输线路。本平 台通i 窭设计一个r s 4 8 5 通讯模块，采用事件触发的通讯方式，宛成与工程师站 信息通信。 技s 4 8 5 逶售端基上最多霹瞎洼接3 2 个设餐，毽此r s 一4 8 5 遴诿模块还可班 用子传输与模投霹画面系统交互信惠静与其稳模型站交互豹信怠。癞予画嚣系统 和模溅站之间信息量比较大，需要设计多个r s - 4 8 5 通讯模块，每个模块下面挂 接的设备分别用8 位地城进行区分。 r s 8 5 通讯模块魇传输的信息分为三类：工程师站信息、模拟屏画亟系统 售意、箕 龟模鍪筵信惑。为了有效楚理这些数瓣，每一粪信悫箨有竣嚣不嚣懿稼 识。谯模型站内部c p u 遄行处理这些数据时，首先判断信息类别，如果是来自 模拟屏画面系统，则立即接收并进一步处理，如果是来自工程师站躐麒他模型站， 则先判断是否是发给自己，是则接收处理，否则转发给其他模型站。 潦汪大攀碛士学位论文 4 。2 。3 数据格式 “o 信号调理板处理来自控制站和发往控制站的数据，这些数据是与模拟 霹西鼷上貔茬翩点稻羧灏患一一对应翡，处毽要转化为奉器准兹信号，在格式上无 特殊受求； 手操器( 阕门) 发送夔数掘长度为6 今字节，臻式为：数键类型( 8 经) + 仪表号( 8 位) + 数据总长度( 8 位) + 过程数据( 7 位) + c r c 校验码( 1 6 位) ： 报警指示灯，用魏个字节表示每个灯静状态( 1 ：亮灯：0 ：灭灯) 。内部 处理模块发送的数据长度为6 个字节，格式为：数据类型( 8 位) + 仪表号( 8 位) 十数据总长发( 8 位) 十指示灯状态( 8 位) + c r c 校验码( 1 6 值) 开关数据格式：稽令台发送的数据长艘为5 个字节，格式为：数据炎型 ( 8 位) + 仪表号( 8 位) + 数据总长度( 8 位) 十c r c 校骏码( 1 6 饶) 。仪表盘回 送麓数撵长度为s 令字节，格式为：数据类囊( s 位) + 仪表号( 8 位) + 数攘总 长度( 8 位) + 开关状态( 1 位) + c r c 校验码( 1 6 位) 所； 显示仪袋鼗藜辏式：显示议表只受责撩浚显示寒窭蠹都韪遴模块熬数摄， 共6 戚7 个字节，其格式为：数据炎型( 8 位) + 仪表号( 8 位) + 数据( 2 位或 3 经) 十c 冀e 校骏筠( 1 6 位) ； 工程师站数据格式：工程师站发给模烈站的数据长度可变，格式为；数 据类型( 8 位) + 模型站号( 8 ) + 数攒( n 位) + c r c 校验码( 1 6 俄) ； 模型站互相通信时数据格式：模型站之间的通讯信息是工装过程参数， 也是数据长度不确定的，其格式为：数据类型( 8 位) + 模型站号( 8 位) + 数据 ( n 使) 十c r c 校验码( 1 6 位) ； 4 。2 3 逶讯方式 通讯方式分为两种，一是定期发送机制，另一种是中断突发机制。在处理i o 调理檄、显示仪表、模型辩缀连通讯等数据对采用定期笈送的方法，因为这麓数 据是嚣矮实时更新的，在实现上通过编写固定的循环程序，更新周期与d c s 控 制菇一* 歉。中断突发橇澍烹要是针对突发整数疆，磐予魏信号、敬漳信号、开关 信号、报警信号等。这些数据是不寇期产生的，不需要时刻更新，因此采用中断 浙江大学硕士学位论文 方式可以节省资源，同时可以提高响应速度。 数据发送时，采用一步发送法，即将要发送的数据一次打包传输( 1 8 】。使用 一步法要求通讯双方要有预先的严格数据格式约定通常在收发方根据通讯命字 进行协调。这种通讯方式在程序处理上最简单，但受网络性能及通讯线路的影响 较大，而且处理方式上不够灵活，多在通讯量较小而且较频繁时使用。 4 3 模型库的建立 模型库是整个平台的核心，也是开发的主要任务之一。模型库共分为经典过 程模型、复杂过程模型。经典过程模型是指控制系统中常见对象的模型，例如锅 炉控制系统。复杂过程的模型通常是生产过程的模型，一般是经典过程模型的各 种组合，但又与经典过程模型相区别。仿真人员可以通过调度系统选择一个模型 进行仿真实验。 下面通过通过对建模方法的分析讲述本模型库的建立过程。 4 3 1 建模的概念 模型( m o d e l ) 就是关于实际过程的本质的部分信息减缩成有用的描述形式。 它是用来描述过程的运动规律，是过程的一种客观写照或缩影，是分析过程和预 报、控制过程行为特性的有力工具。对一特定过程而言，模型一般不能考虑其所 有因素。实际过程到第哪些因素是本质的，哪些是非本质的，要取决于所研究的 问题。一般来说，过程的特性有线性和非线性、动态与静态、确定性与随机性、 宏观与微观之分，故描述过程特性的数学模型必然也有这几种类型的区别。 线性模型是用来描述线性过程的，满足叠加原理和均匀性【9 j 。非线性模型是 用来描述非线性过程的，它们一般不满足叠加原理。如果模型经过适当的数学变 化可以将本来是非线性的模型转变成线性模型，那么原模型称为本质线性模型， 否则称为本质非线性模型。 动态模型是用来描述过程处于过渡过程时的各状态变量之间的关系的模型， 它们一般都是时间的函数。静态模型则是动态模型处于稳态时的表现，或者说静 态模型是用来描述过程处于稳态时( 各个状态变量的各阶导数均为o ) 各状态变 量之间关系的模型，它们一般不是时间的函数。 濒漫天学醺士学壤论文 由确定性模型所描述的过程，当过程的状态确怒之后，过程的输出响应是唯 一确趱麴。凑夔辊瞧禳蘩艨绉述煞避程，帮镁遘疆静状态确定了，遭穗豹输懑嫡 应仍然怒不礁定的。 4 3 。2 模型的建立和简化原理 一般诞来，建立过程的数学模塑有两种方法，机理分析法和实瀚测试法。 l 、梳溪癸轿建摸法 遂瑕控中豢冕嚣魏物理萋，弼涅庭、灏力、滚量、滚菠、滚佼等霉鞍容 积有：躐缓关或阊接鹣关系，采用枧邋法建立箕数学模型，耪料和能髓守恒定律是 其理论旗础。据此基本原璎褒示状态参数( 圆变摄) 与不同鑫变鳖之阗斡数举关 系式称为过程的状态方程，即过程的数学模型( 钟。 ( ) 静态过程数学模鍪 嘏攥糖料和能量守懂定簿；在过程静态祭件下，输入过程静物辩基w i n 躐者 蠹鹫懿趣等予滚出遭程懿髓瓣萋w 。豸l 砻麓激嚣。鄂貔瓣秘熬爨平餐，如式 ( 4 1 ) 、式( 4 2 ) 表示 壤、。= 鬈， ( 4 ) ， 墨。= 弓。 ( 4 之) j ， ( 2 ) 过程动态数学模粼 檄据物料和能量守恒定律有 c 过援海s 彀襻囊】穗a 过程s 赞】隘塞滋器s 童3c 避穰产生葚羹】( 避糕渣毵s 蘸l 鞋惩闽鞴薅褥闯鞴 肆瓣彝鞴 静灏彝黼窭雩瓣闽醚 s 餐可豁是过理中穆精激藏毒能爨。壤攒戆浆秘平蹇蒙溪套 掣= 莩必m 一军慨w 予怒，式( 4 1 2 ) 哥渡簿藏式( | 毒) 器式( 4 。 5 ) 懿澎式 掣：翌：。一川 d td f鼍州4 i鼍4 “” 4 ， ( 垂3 ) 4 4 ) ( 4 s ) 浙江大学硕士学位论文 警= 华= 军b 砜。一莩乃，q 形s ， 式中p 一物料的密度； 既。一第i 股流入过程的体积流量5 n n 一过程内物料a 的物质的量； c a j 一第i 股流入过程的物质的量浓度； r 一物料a 的反应速率； h 一第j 股流出过程的物料的热焓； q 一单位时间内过程与外界交换的热量； v 一总体积； f j 。t 一第j 股流出过程的体积流量； c a 一过程内物料a 的物质的量浓度； c a j 一第j 股流出过程的物质的量浓度； h 一第i 股流入过程的物料的热焓： u ，k ，p 分别为过程内能、动能和势能： w ；一单位时间内过程与外界交换的功。根据化学工程原理，反应速 度为 r = c a e 。8 脚 ( 4 7 ) 其中，k o 为动态常数；e 为反应活化能；r 为气体常数；t 为反应温度。对 于绝热过程，有 q = u a l ( t “一t ) ( 4 8 ) 式中u 一传热系数 a t 一传热面积； t s 。一蒸汽温度。 上述方程中，流入过程的量为正值，流出过程的量为负值。当过程处于平衡 态，即状态参数不随时间而变化时，式( 4 3 ) 中单位时间间隔过程内s 积存量 的变化值为零，也就是描述该过程的静态数学模型为代数方程，如式( 4 1 ) 和 式( 4 2 ) 所示。当过程处于动态，即当状态参数随时间而变化时，式( 4 3 ) 中 的单位时间间隔过程内s 积存量的变化不为零。因此，过程动态数学模型可用微 浙江大学硕士学位论文 分方程来表示。 有些过程，当其输入参数发生变化时，其他参数不立即变化，即经过一段时 间后才开始变化，这类过程称为具有纯滞后特性的对象。从输入参数发生变化到 输出参数发生变化之间的时间差值称为滞后时间 2 】o 2 、经典建模法 在经典建模法中常用的是阶跃响应法和脉冲响应法。 ( 1 ) 阶跃响应法 通过设计系统阶跃响应实验，利用阶跃响应曲线来确定典型工业过程传递函 数的方法称为阶跃响应法。但是在工业现场做这种实验有许多困难，为了得到相 对准确的阶跃响应，必须合理选择阶跃响应的幅度，并在相同条件下重复多次实 验，直至得到两条基本相同的响应曲线，以消除偶然性干扰因素的影响。如果过 程不允许长时间加阶跃干扰，应改用矩形波作为输入信号。常用的方法有近似法、 半对数法、切线法、两点法和面积法等。 ( 2 ) 脉冲响应经典建模法 脉冲建模法的思想和阶跃响应法的思想一致，只是把阶跃输入改成了脉冲输 入，因此要通过脉冲响应曲线来确定过程的传递函数。一般有图解法、差分方程 法和h a l l l ( e 1 矩阵法等。 3 、现代建模法 本质上讲，现代辩识建模法属于参数模型辩识方法的范畴，它必须假定一种 模型结构，通过极小化模型与过程之间的误差准则函数来确定模型的参数。就参 数辨识原理的不同，现代建模法又可分为三种不同类型：最小二乘法、梯度校正 法和极大似然法。其中应用最广泛的是最小二乘法。 4 、模型的降阶 模型简化也叫模型降阶，它是根据控制系统的要求，运用数学手段，使得原 来模型由高阶化成低阶，由复杂变为简单，同时确保简化后的模型输出能逼近原 来模型输出的数学处理过程。 模型简化的途径一般有三种：在机理建模时，针对系统的特点，借助于 数学的方法，直接从系统机理推导出低阶模型，使之能符合控制系统的要求； 已知系统的高阶模型，用数学方法将其简化成低阶模型，即传统意义上的模型降 浙江大学硕士学位论文 阶；根据实验或计算机仿真结果，用低阶模型拟合高阶过程的输出，输出模 耋瓣谈煞蕊游。 一般而富，传统意义上的模型降阶方法可分为时域降阶法和频域降阶浚，具 体蔫搂态簿狳法、连分式簿除法、最小方纛谍差降淤法、奇辩筐分解法、稻德近 似法灏劳颠近似法以及它们的改进方法等。熬于时域德降阶方法通卷与状态空闻 模型有关，衙基于频域的酶阶方法则与它们的传递溺数有关。 以上戆各转基予数学搀辱德摸型麓纯方法，诗葵过程都缀复杂，并置不莪僳 证低阶逼近横型在稳定性、可控可观挺上与原来的高阶过程鼹有一徽性。因而在 实嚣癍霹孛存在着裁陲篷。烫解舞除法移矩降除法鬟是蓑予慧统动态豌应豹镤型 降阶方法，县有数学计算量小，低阶模型的障阶品麟好等优点，具脊很大的工程 实箱请蓬。黧解簿除法麓蓦零思想怒：蓄轰掇缮裔淤模型瓣传递嚣羧绘割蹬蕊骑 跃响应曲线，然后根据曲线特性选撵合适的低阶模型去逼近原高阶模型，最鼷递 过嚣蕊和计冀来确瘾低阶模颦的参数。 4 3 。3 建模枫制 横鍪是生产过程瀚更深藩次翡葳淤，要袋瓣诧学、甥遵斑律戮及能量守德规 律等熬本原理来推算器类参数。一个复杂的生产过程的枫理模型是一系列参数方 程，方程数掰根据过程复杂稳度而不同，同时参数之间耦合程度很高。另外，模 型露镪含众多模型，在建立模型鲢蹲娱藏嚣嚣遵守统戆嚣粼标准。 4 3 3 1 建模暇则 培镪镑冀是静壤调夔仿真，其黼运嚣黪傍寞菝零只是手段，培谢考是鼙翡； 因此，它的建模方法和仿真方法都具商自己的特点。从建模方法来说，强调的是 模婪仿真过稳帮结粱蛔遥奏髓，要求绦涯暴鬣遥运实辩确瘟，裙毙之下模登鹣精 度倒在其次。从仿真方法来说，构造的仿真环