（检测技术与自动化装置专业论文）基于web的dmc远程仿真与控制平台开发.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 远程监控技术是一个具有重要研究意义的课题，它在工业、国防等各个方面都有着 广泛的需求和应用。i n t e m e t 作为当代社会的信息高速通道，为远程控制和管理提供了 一个基本的环境和技术支撑，也给人们提供了一个基于w e b 的应用平台。将实时监控 与控制系统构筑于i n t e m e t 之上，通过i n t e m e t 实现对工业生产过程的远程控制和实验， 大大提高了工作和学习的效率。 本文以辽宁省工业装备重点实验室的间歇反应釜为控制对象，设计了一个基于w e b 的釜内温度远程控制平台。将动态矩阵预测控制方法应用于釜内温度控制系统中，利用 其不需要精确的数学模型、又有较高的控制精度和鲁棒性等特点，实现了对釜内温度的 有效控制，同时该平台还提供了一个基于w e b 的动态矩阵预测控制算法远程仿真模块， 建立了一个虚拟的控制过程，以供用户在实际的远程控制之前对其参数进行整定，得到 有效地控制参数。 本文详细的描述了远程仿真与控制平台功能实现所需要的基础搭建，以及远程监控 功能和远程仿真功能的实现方法，在此基础上采用动态矩阵预测控制方法对温度进行控 制，并通过实验的实际运行验证了该算法的有效性。 关键词：远程控制平台；间歇反应釜；预测控制；远程仿真 基于w 曲的d m c 远程仿真与控制平台开发 d e v e l o p m e n to fw e b - b a s e dd m c r e m o t es i m u l a t i o na n dc o n t r o lp l a t f o r m a b s t r a c t r e m o t em o i l i t o r i n g t e c l l l l o l o g y i sas i g m f i c a i l tr e s e a r c h s u 功e c t ，w h i c hh a sw i d e r e q u i r e m e n t sa n d 印p l i c a t i o ni nt h ef i e l do fi i l d l l s 仃y ，i l a t i o n a ld e f e n s ea n ds oo n a sa h i g l l s p e e di n f o m a t i o ns p r e a d i n gc h 猢e li nn l en o w 缸h y ss o c i e t y ，h l t e m e th 勰p r o v i d e d 缸1 d a i i l e n t a le n v i r o 衄1 e n t a la i l dt e c l l l l o l o g i c a ls u p p o nf o rr e l ：i l o t ec o n 仃0 l ，a n da l s os u p p l i e du s 孤a p p l i c a t i o np l a t f o n nb a s e do nt l l ew e b t h ee f ! f i c i e n c yo f 、o r ka n dl e a m i n gi s 伊e a t l y i m p r o v e db yn l er e a l i z i n gr e m o t ec o n t r o la i l di n d 谢a lp r o c e s s e se x p e r i m e n t sb a s e do n i n t e m e t d u et ot 1 1 ea d v 锄t a g eo fr e a j t i m em o n i t o r i n g i nn l i sp a p e r ，c o n s i d 嘶n gt l l eb a t c hr c a c t o ri nl i a o l l i n gp r o v i n c ek k yl a b o r a t o r ) ro f i n d u s t r i 村e q u i p m e n t 嬲t 1 1 ec o n 仃o l l e dp l a n t ，aw e b - b 2 l s e dr e m o t ec o n t r o lp l a t f 0 珊f o rt l l e t e m p e r a ：t u 】r ei n s i d et l l et a n ki sd e s i g n e d t h ed y n a n l i cm a t r i xc o i l t r o l ( d m c ) m e t h o di s 印p l i e dt or e a c t o r t e m p e r a n 肛- ec o n 仃o ls y s t e m ，w h i c ha s s i s t sr e a l i z et l l ea c c u r a t et e m p e r a n l r e c o n t r o lo ft 量l er e a c t o r nh a sb l a c km o d e i i n gc h a r a 鼬e r i s t i ca n dr e l a t i v em g h e rc o n 订d l p r e c i s i o n m e a i l w h j l et 1 1 ep l a t f b 肌a l s op r o v i d e saw e b - b a s e dr e m o t es i m u l a t i o nm o d u l e e m b e d d e dd y n a i i l i cm 删xp r e d i c t i v ec o n t r o la j g o r i t ，w m c he s 协b l i s h e sav i m l a ic o n t r o l p r o c e s st oh e l pu s e r ss e tc o r r e s p o n d i n gp a r 锄e t e r s ，s ot h a tt h ee f i f e c t i v ec o n t r o lp a r a m e t e r s c o u l db eo b t a i n e db e f 0 r et l l ea c t i l 2 l lr e m o t ec o n t r 0 1 t h i sa r t i c l ed e s c r i b e st h ef o u n d a t i o n a ls t r u c t u r er e q u i r e db yr e m o t es i m u l a t i o na i l d c o n t l o lp l a t f o 肌，a sw e l l 舔m ei m p l e m e n t a t i o n m e t h o do fr e m o t em o 血t o r i n gf h c t i o na n d r e m o t es i m u l a t i o nc a p a b i l i t i e s o nt | l i sb a s i s ，t 1 1 ed y n a i l l i cm a t r i xp r e d i c t i v cc o n t r o lm e t h o di s a d o p t e dt o 也et e 】n p l e r a t u r ec o n t r 0 1 i nt l l ee n d ，t h ee f j l e c t i v e n e s so ft 1 1 ep r o p o s e da l g o r i t i s v e r i f i e db yt 1 1 ea c t u a le x p e r i m e n tn m i n gr e s u l t s k e yw o r d s ： r e m o t ec o n t r o lp i a 竹o r m ：b a t c hr e a c t o r ：p r e d i c t i v ec o n t r o l ： r e m o t es i m u i a t ；o n i i 大连理工大学学位论文独创性声明 作者郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行研究 工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用内容和致谢的地方外， 本论文不包含其他个人或集体已经发表的研究成果，也不包含其他已申请 学位或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献 均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文题目：茎支监垒垒塑三童丝塾望垦垫圣塑鳖 作者签名： 0 洼 日期：三竺! 年上月旦日 大连理 二大学硕士研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本人完全了解学校有关学位论文知识产权的规定，在校攻读学位期间 论文工作的知识产权属于大连理工大学，允许论文被查阅和借阅。学校有 权保留论文并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，可以将 本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印、或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 学位论文题目： 作者签名： 导师签名： 翦收讯m ( i 搬髓。与蝴钾笈 日期：竺z 年，三月j 上日 日期：竺z 年二l 月二l 日 大连理工大学硕士学位论文 1绪论 1 1 课题研究的背景 当今的信息社会，随着计算机技术的不断进步和网络技术的快速发展，尤其是 i n t e m e t 技术的成熟与发展推动了科学技术诸多方面的巨大进步，人类社会进入了信息 时代，跨入网络社会。借助计算机网络人们可以访问全球的信息，计算机、通讯和多媒 体技术将成为连接未来信息的社会纽带。网络把世界的不同地区联为一体，促进人类的 共同发展。w e b 技术正在从信息共享平台向服务共享平台发展。基于w e b 的控制平台 的研究和开发，就是在这个大的发展趋势下提出的。 开放的软件平台是信息的交互领域从工厂的现场设备层到控制、管理的各个层次， 覆盖从工段、车间、工厂、企业及各地的市场，为实践控制系统的网络化和体系的开放 性创造了必要的条件【2 1 。i n t e m e t 作为当代社会的信息高速通道，为企业的远程控制和管 理提供了一个基本的环境和技术支撑，也给人们提供了一个基于w e b 的信息平台。将 实时监视与控制系统构筑于1 1 1 t e m e t 之上，通过1 1 1 t 锄e t 实现对工业生产过程的实时远程 控制，远程实验，将实时生产数据与实时用户需求相结合，管理人员可以远程监视生产 运行情况，根据需要及时发出调度指令控制反应生产过程和现场设备的运行状态和各种 参数，大大的提高了生产效率【3 】。 面对上述情况，本文针对辽宁省工业装备先进控制系统重点实验室的控制对象间歇 反应釜，开发了一个基于w e b 的远程监控平台。采用基于动态矩阵的预测控制方法， 利用其不需要精确的数学模型、又有较高的控制精度和适应性等特性，实现对反应釜釜 内温度的有效的远程控制。通过远程仿真模块的开发，实现了对控制参数的有效验证， 从而为学习和实验带来了很大的方便。 1 2 远程控制系统的发展现状 远程监控是一个具有重要研究价值的课题，它在工业、国防等各个方面都有着广泛 的需求【引。现今i n t e m e t 正在把全世界的计算机系统、通信系统逐渐集成起来，为控制 系统的远程监控提供了便利的条件，由于i n t e m e t 的发展使得远距离通信成为现实，采 用i n t e m e t 作为远程监控通信媒介的研究越来越得到人们重视【4 】。采用i n t e m e t 作为远程 监控平台，是一项很有潜力的技术，可以应用到设备的远程监测、控制等领域，成为当 前工业监控领域的研究热点。 在工业控制领域，1 9 9 6 年美国麻省n o m l a n d o v e r 公司首先将p l c 与i m e m e t 相连， 现在许多用户从中受益。1 9 9 7 年，首届基于i r l t e m e t 的工业远程诊断研讨会有斯坦福大 基于w e b 的d m c 远程仿真与控制平台开发 学和麻省理工学院联合主办。由斯坦福大学和麻省理工学院合作开发的基于i n t e m e t 的 下一代远程诊断示范系统，这项工作同时得到了制造业、计算机业和仪表业的s u n 、 h p 、b o e i n g 、i n t e l 等1 2 家大公司的热情支持和通力配厶l 引。基于以太网，客户只需要 拥有浏览器，即可方便的进行通信。虽然可以用浏览器来进行远程参数的设定和控制对 象的关闭与开启，但是浏览器不能用来控制设备，因此设备的实际控制是由p l c 或p c 机来实现的。在美国太平洋科学仪器公司用于测量半导体内部杂质的设备控制系统综合 了检测、过程控制、传感器总线及w e b 网络服务器技术f 6 】。通过w e b 的网络技术使控 制器与机床传感器进行通信，利用以太网端口传递数据，由计算机提供原始数据，并与 生产过程的实际数据相结合，以探测故障、控制现场及决定统计过程控制参数。 国内对于远程监控技术也开展了积极的研究，许多研究机构和高校一开始或准备开 始从事工业领域的远程监控与诊断技术的研究与开发【7 8 】。西安交通大学、哈尔滨工业 大学、清华大学、华中科技大学等单位都先后推出了各具特色的监测控制系统【9 1 。近年 来，随着网络技术以及集散控制思想的快速进步，西安交通大学轴承所等单位推出了基 于t n t a 、i n t e m e t 网的组态式集散检测与诊断系统；哈尔滨工业大学的“微计算机化 机组状态检测与故障诊断专家系统m m m d e s ”；同济大学开展了制造企业远程服务系 统的研究等。目前远程监控技术在远程实验室、水电站监控、石油管道监测、电网运行 监控、和机器人的远程控制领域都得到了广泛的应用，实现了将工业生产过程的的监控 信息直接接入i n t e m e t ，管理人员远程监视运行情况，根据需要及时发出调度指令控制 生产过程和现场设备的运行状态和参数，大大提高了生产效率l l 0 。 总之，基于i n t e m e t 的远程监控系统已经投入到实际的应用领域中，并取得了一定 的经济效益。伴随着远程监控技术的发展，在工业领域中实现信息网络和控制网络的融 合，对生产过程的监测和控制、环境监测、电网监控等各个方面的发展起到巨大的推动 作用。 1 3 本文研究的内容 本文的主要工作是通过对辽宁省工业装备先进控制系统重点实验室的实验对象间 歇反应釜来开展的，根据实际的工艺要求，提出了远程仿真与控制平台的总体设计方案， 对平台的结构设计，软件的选择、硬件的配置以及平台功能等进行了分析设计，并详细 的阐述了实现的方法。本文的研究重点如下： ( 1 ) 针对间歇反应釜对象的工艺特点，将鲁棒性强，控制精度高，易于工程实现 的动态矩阵预测控制算法，应用于间歇反应釜的釜内温度控制之系统中。首先，用一阶 惯性滞后环节近似釜内温度过程特性，将d m c 控制算法应用于被控对象，通过 大连理工大学硕士学位论文 m a t l a b 仿真对控制参数进行整定，得到不同参数对于控制效果的影响，最终确定一 组具有较好控制品质的参数。 ( 2 ) 通过对e s p i s y s 实时数据库各个组件进行配置，建立间歇反应釜远程监控 平台，实现对间歇反应釜釜内温度的远程控制。首先将d m c 控制算法写入上位机监控 软件w i n c c 提供的v b 脚本编辑器中实现釜内温度的d m c 控制。通过对监控平台参数 的位号配置，使其与w i n c c 的数据源地址一一对应，进而实现远程监控功能。 远程监控平台实现的功能模块有： 流程监控模块：模拟实际现场的生产流程，对现场参数实现远程监测。 趋势分析模块：显示设定参数的实时曲线。 数据查询模块：包含实时数据与历史数据查询以及开关量的动作查询功能，并可以 以e x c e l 表格形式下载需要的数据。 用户管理模块：实现个人用户管理，用户组管理及对用户权限进行配置。 实验室信息与实验管理模块：用于实验室信息，实验人员信息的发布和实验申请及 实验管理。 实时报表模块：实现实时数据报表的设计，浏览和下载功能。 d m c 远程仿真与控制模块：实现d m c 算法的远程仿真与远程控制。 ( 3 ) 针对间歇反应釜一阶惯性滞后环节，在远程监控平台上开发基于w e b 的d m c 控制仿真模块。用户采用填表式的输入方式输入相应的参数，提交w e b 服务器，然后 调用对应的m a t l a b 编写的m 文件，完成计算功能后，将计算结果返回到浏览器客户 端。采用对象化的封装技术对m a t l a b 引擎库函数进行封装来解决n e t 与m a t l a b 数据的交互问题。 本文第一章为绪论，分别介绍了课题的研究背景、远程监控系统的发展现状、本文 研究的重点、本文结构进行了阐述。 第二章对远程监控平台的物理结构进行介绍，并根据需要分析了系统的软硬件的选 择。还概括性的描述了建立平台的关键技术。 第三章对被控对象的过程特性和动态矩阵预测控制算法进行研究，通过实验建立了 间歇反应釜釜内温度过程特性模型，将动态矩阵预测控制算法应用于釜温模型，通过 m a t l a b 仿真实验对控制参数进行整定，最后确定符合工艺的控制参数。 第四章为本文重点部分。该部分重点阐述了远程仿真与控制平台的实现方法。本章 首先阐述了系统的基本配置工作，然后详细的阐述了远程仿真模块的设计原理，以及远 程监控平台的具体功能和实现过程。 基于w e b 的d m c 远程仿真与控制平台开发 2 d m c 远程控制系统的结构和关键技术分析 21 平台的物理结构 本文设计的远程仿真与控制平台，首先提供了一个虚拟的反应控制过程，建立远程 仿真应用，避免了安装m a t l a b 软件和繁琐的程序输入与调试的局限性，能随时利用 i n t e m d 方便快捷的进行远程交互仿真实验，d m c 控制仿真模块的建立以间歇反应釜釜 内温度为被控变量，通过建立釜内温度特性的数学模型，以供用户在进行实际远程控制 之前对其设定参数控制效果进行远程仿真柬验证其参数设定是否恰当，得到的控制效果 是否理想并尝试进行适当的修正，来得到较好的控制参数。最后能将有效控制方针的参 数添加到实际的反应釜温度控制系统中进行远程实时控制。采用远程实时控制技术，实 验人员不必亲自到实验室就可以对现场情况进行监控，完成参数的设茸与调整，大大提 高了实验效率，处于异地的人员可以通过网络获得实验监控数据，进行分析和处理并提 出修改意见。 图2 1 平台硬件示意幽 f 罾21h 到w 拊c o n n g u r m i o no f p l 岫丌n 大连理工大学硕士学位论文 如图2 1 为平台的硬件示意图。主要分四个层次进行设计，搭建平台的框架。分别 为现场设备层，上位机监控层，e s p 实时数据库平台层，w e b 客户端应用层。 第一层为现场设备层，主要包括现场间歇反应釜、仪器仪表和可编程控制器p l c ， p l c 直接与现场仪器设备相连接，负责现场设备的输入以及现场设备控制信号的输出。 第二层为上位机监控层，主要实现对现场反应釜的监控与数据采集部分。由工程师 站对反应釜进行监控，操作站进行监视，在上位机监控软件中开发d m c 釜温控制算法， 需调整的控制参数与实时数据库提供的控制界面相对应，从而实现对现场设备的有效控 制。实时数据库通过o p c 服务采集现场数据，为信息与数据交互网提供数据支持。 第三层是e s p 实时数据库平台层，完成从监控层到平台的数据交换，包括从现场采 集实时数据和下载d m c 参数到现场进行实际控制。 在实时数据库平台开发d m c 仿真模块，基于w e b 的d m c 控制仿真模块的功能主 要体现在负责接收远程用户输入所设置的尸，e r 等参数在后台进行仿真计算，将接受 的参数带入传递函数模型，计算出是与响应曲线并以图形或图标的方式将计算结果显示 给用户，使其观看到所设定参数的具体仿真效果，仿真模块的实现利用m a t l a b 强大 的计算功能，以实时数据库平台为依托，仿真结果通过w e b 发布。 第四层为w e b 客户端应用层，客户通过实时数据库平台获取实验数据，调节d m c 控制器参数进行仿真并得到相应仿真结果。 将仿真参数通过实时数据库平台应用于釜内温度控制，进行d m c 远程控制，对比 仿真与实际釜温控制效果。 仿真和控制平台系统采用b s ( 浏览器服务器) 模式结构，把客户机应用程序模块 与显示功能分开，把它放到w e b 服务器上单独组成一层，客户机上统一采用实时数据 库平台提供的易于操作的用户界面，把负荷均衡的分配给w e b 服务器从而是系统更具 可靠性。将系统应用程序集中到服务器端，无需用户开发程序，服务器上应用程序用户 可以通过w e b 浏览器在客户机上运行。 2 1 1硬件选择 根据上一节介绍的平台整体结构，这部分主要分析每一层所需要的硬件。 第一层的硬件设备在反应釜实验室，包括被控对象间歇反应釜、现场仪器仪表和反 应釜控制柜。控制柜中包含西门子的p l c 、空气开关、继电器、电流互感器、变频器和 晶闸管等。仪器仪表部分包含热电偶，涡街流量计、压力计和电动执行机构。 基于w e b 的d m c 远程仿真与控制平台开发 控制柜的核心部分是西门子s 7 3 0 0 型号p l c ，属于模块化的中小型p l c ，c p u 模 块品种众多、信号模块、功能模块能满足不同的控制任务，组态灵活可以扩展，能够实 现高效率的编程和组态。 模块化的s 7 3 0 0 p l c 由以下几部分构成：中央处理单元( c p u ) 、负载电源模块( p s ) 、 信号模块( s m ) 、功能模块( f m ) 、通信处理器( c p ) 、接口模块( i m ) 、导轨。 各种c p u 有不同的性能，有的c p u 集成有数字量和模拟量输入输出点，c p u 集 成有p r o f i b u s d p 等通信接口。负载电源模块用于将a c 2 2 0 v 电源转换为d c 2 4 v 电 源，供c p u 和i o 模块使用。信号模块是数字量输入输出模块和模拟量输入输出模块 的总称，它们使不同的过程信号电压或电流与p l c 内部的信号电平匹配。功能模块用 于对实时性和存储容量要求较高的控制任务。通信处理器用于p l c 之间、p l c 与计算 机和其他智能设备之间的通信，可以将p l c 接入p r o f i b u s d p 和工业以太网，或用于 实现点对点通信等。接口模块用于多机架配置时连接主机架( c r ) 和扩展机架( e r ) 。铝 质导轨用来固定和安装s 7 3 0 0 上述的各种模块。 p l c 是基本控制层的核心，包括反应釜釜内温度控制、反应釜夹套温度控制、进气 缓冲罐压力、釜内压力控制、流量控制以及其他的顺序控制、逻辑控制等。根据流程分 析，采用模块化的编程思想，根据系统的控制要求分成多个功能模块，不同模块对应不 同的功能，便于程序的修改和调试。系统运行过程中，p l c 与现场仪器仪表项链，现场 信号输入p l c ，p l c 输出对现场的控制信号，p l c 也能实现对反应过程的独立控制。 第二层上位机监控层的工程师站、操作站以及第三层的实时数据库服务器都是采用 戴尔产品，具体型号为d e l lo p t i p l e x7 6 0 。 第四层的硬件主要是教师、学生的计算机，根据具体人员采用不同的型号计算机。 2 1 2 软件选择 整个平台的主要软件包括w e b 服务器软件、实时数据库软件和上位机监控软件。 w e b 服务器安装w i n d o w s 2 0 0 3 操作系统，并通过i i s 配置w e b 服务器。w i n d o w s 2 0 0 3 操作系统适合做服务器的操作系统，它具有安全稳定的特点。所有的硬件启动、停止及 故障信息都有归档文件可供查询。使得故障状态有章可循。 实时数据库软件采用浙大中控的e s p i s y s 软件。这套软件的功能是实现现场实时 数据的远程采集。其基本思想主要是通过在平台上配置和工程师站以及操作站上的o p c 服务器及o p c 项来存取数据。e s p i s y s 实时数据库的核心软件由实时数据库核心、应 用组件、组态组件等模块组成。这个系列软件通过其组态软件进行配置后，可以实现流 大连理工大学硕士学位论文 程的w e b 监控、实时数据的实时显示、w e b 报表的生成、实时数据及历史数据的查询 实时数据向关系数据库的转存。e s p i s y s 实时数据库系统的体系结构如图22 所示。 ! s p 柏p c je s p 柏o 3 自s 丑* ；i ；。一一_ ；：! 墅：jc = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = 壹 盏墨盎叠盥。”“ 圈22e s p l s y s 实时数据库体系结构图 f 嘻22 f r 扪eo f e s p j s y sr e a n i m ed a 【a b 转 实时数据库核心分为权限管理组件、组态组件、接口管理组件、实时组件、应用组 件、历史数据库组件、虚拟机组件七个模块。 上位机的监控系统有西门子公司的产品w l n c c 来实现，w i n c c 系列控制软件是西 门子公司的主打组态软件与同是西门子公司的p l c 兼容性好是一种基于w i n d o w s 平 台设计的、易用的、开放式的h m l 控制系统。其包含如下重要特点：组态方便，并提 供面向对象的动画图形，开放的数据库格式，多形式数据记录，实时与历史趋势，事件 检测以及在m l c m s o 丘w l n d o w s 环境中进行信息管理，内置编程语言a n s i - c 语言、 v b s r i p t 脚本，可以w l n c c 项目的最大扩展。通过d d e 可与m a t l a b 等第三方血用 程序进行数据交换，通过0 p c 等方式可以与更多控制器通信。 对上位机监控软件w i n c c 的二次开发，将d m c 控制算法添加到w i n c c 的v i s u 鲥 b a s i c 脚本编辑器中，实现对问歇反应釜釜内温度的d m c 控制。通过与实时数据库的正 确配置w 曲用户可以实现对宴验室间歇反应釜的远程监控。 基于w e b 的d m c 远程仿真与控制平台开发 2 2 关键技术概述 2 2 1n e t 框架概述 微软公司于2 0 0 0 年7 月首度发表其下一代的互联网平台m i c r o s o r n e t 。微软 公司的目标是把整个i n t e m e t 整合为一个可计算的统一网络；在基于开发互联网协议和标 准之上。实现不同语言和跨平台的交互性而建立的新一代通讯和计算平台i l 。 m i c r o s o r 推出的n e t 平台不同于以往的编程语言，像一个技术结构，可以用不同 的工具来编写程序，包括v i s u a ls t u d i o n e ti n t e 鲥l t e dd e v e l o p m e n te n v i r o l l m e n t ( i d e ) 集成开发环境，用来开发和测试应用程序；n e t 编程语言如v i s u a lb a s i c n e t 和新的 v i s 砌c 撑，用来创建运行在c l r 下并且使用类库的应用程序。 n e t 开发平台是一组用于建立w e b 服务器应用程序和w i n d o w s 桌面应用程序的软 件组件，用该平台创建的应用程序在c o 础m o nl a l l g u a g ei t u l l t i m e ( c l r ) 通用语言运行 环境的控制下运行。c l r 是一个软件引擎，用来加载应用程序，确认它们可以没有错误 地执行，进行相应的安全许可验证，执行应用程序，然后在运行完成后将它们清除。类 库集提供了使应用程序可以读写l 数据、在i m e m e t 上通信、访问数据库等的代码。 所有的类库都建立在一个基础的类库之上，它提供管理使用最为频繁的数据类型如数值 或文本字符串的功能，以及诸如文件输入输出等底层功能j 。 w e b 服务器应用程序通常依赖于a s p n e t ，一个处理w e b 请求的服务器端的库。 a s p n e t 又依赖一个用于发送和接收s o a p 信息的w e bs e r v i c e s 库，以及一个用于以 浏览器接收用户输入并动态地生成w e b 页面以示响应的w e b 用户接口( u i ) 有时称作 w e b 表单。w i n d o w s 桌面应用程序通过使用w i n 表单库可以显示一个图形u i 。 最后，v i s u a ls t u d i o n e t 提供了一个用于在该平台上创建应用程序的图形i n t e g r a t e d d e v e l o p m e n te w i r o n m e n t ( i d e ) 集成开发环境。程序员可以使用一种或多种n e t 编程 语言，来编写他们的代码，利用该开发环境，可以高效、快捷地开发应用程序。 2 2 2a s p n e t 概述 a s p n e t 是用于构建w e b 应用程序的一个完整的框架。这个模型的主要特性之 一是选择编程语言的灵活性。a s p n e t 可以使用脚本语言( 如j s c r i p t 、v b s c r i p t 、 p e r l s c r i p t 和p y t h o n ) 以及编译语言( 如v b 、c 群、c 、c o b 0 1 、s m a l l t a l k 和l i s p ) 。 新框架使用通用的语言运行环境( c l r ) ；先将您语言的源代码编译成m i c r o s o r 中间语 言代码，然后c l r 执行这些代码。 a s p n e t 是n e tf r 锄e w o r k 的一部分。n e tf r 锄e w o r k 是一个用来建立、运行 w e b 应用程序的通用环境。n e tf r 锄e w o r k 包含一个c l r 和通用类库，支持a d o n e t ， 大连理工大学硕士学位论文 a s p n e t 和w i n d o w s 表单支持c + + ，c 撑，v b 和j s c r i p t ( m i c r o s o f t 版j a v a s c r i p t ) 。v s n e t 是一个用于n e tf r a m e 、0 r k 的开发环境。 a s p n e t 开发模式的优点包括： ( 1 ) 世界级水平的开发工具支持。在v i s u a ls t u d i o n e t 的集成开发环境( i d e ) 中，a s p n e t 框架由丰富的工具箱和设计器组成。 ( 2 ) 强大而富有弹性。由于a s p n 吼是基于( c l r ) 的，因此整个n e t 平台的强大和 富有弹性，同样可以应用于w e b 应用程序开发者。n e t 框架的类库、消息以及数据访问 解决方案，都可以无缝集成到w e b 。鲫n e t 也是语言中立的，因此你可以选择你最熟悉 的语言，或者通过几种语言来共同完成一个应用。 ( 3 ) 简单。a s p n e t 使执行常用的工作变得很容易，比如从简单的表单提交、客 户端验证，到部署和站点配置。例如，a l s p n e t 允许你建立用户接口，实现页面和逻辑代 码的分离，同时，就像v b 的表单执行模式那样来处理事件，也就是由页面驱动模式变 成了事件驱动模式。 ( 4 ) 易于管理。a s p n e t 使用一个基于文本的、分层次的配置系统，它简化了服 务器端环境和、e b 应用程序的设置。由于配置信息用纯文本格式保存，新的设置不需要 本地管理工具的支持。这种“零本地支持”的理念也同样应用到了部署弱p n e t 应用程序。 a s p n e t 应用程序部署到服务器，简化为复制必要的文件到服务器。在部署，甚至替换 正在运行的变异代码的时候，也不需要重新启动服务器。 ( 5 ) 可伸缩性和有效利用性。a s p n e t 被设计成可伸缩的，能为集群和多处理器 环境设计提高性能。而且，a u s p n e t 运行时刻密切监视和管理进程。 ( 6 ) 可订制和扩展。a s p n e t 提供一种良好的扩充结构，允许开发者在适当的级 别“插入”他们的代码。事实上，使用自己的编写的组件可以扩展或者替换a l s p n e t 运行时 刻的任何子组件。执行自定义验证或状态服务变得前所未有的容易。 ( 7 ) 安全性。内建的晰n d o w s 验证和每一个应用程序的独立配雹，你可以认为你 的应用程序是安全的。 2 2 30 p c 概述 o p c ( o l ef o rp r o c e s sc o n t r o l ，用于过程控制的o l e ) 是一个工业标准，管理这个标 准国际组织是o p c 基金会，0 p c 基金会现有会员已超过2 2 0 家。遍布全球，包括世界 上所有主要的自动化控制系统、仪器仪表及过程控制系统的公司。基于微软的o l e ( 现 在的a c t i v ex ) 、c o m ( 部件对象模型) 和d c o m ( 分布式部件对象模型) 技术。o p c 包括 一整套接口、属性和方法的标准集，用于过程控制和制造业自动化系统【l 2 1 。 基于w e b 的d m c 远程仿真与控制平台开发 o p c 服务器通常支持两种类型的访问接口，它们分别为不同的编程语言环境提供访 问机制。这两种接口是：自动化接口( a u t o m a t i o ni n t e r ：f a c e ) ；自定义接口( c u s t o m i n t e 血c e ) 。自动化接口通常是为基于脚本编程语言而定义的标准接口，可以使用v i s 砌 b a s i c 、d e l p h i 、p o w e r b u i l d e r 等编程语言开发o p c 服务器的客户应用。而自定义接口是 专门为c + + 等高级编程语言而制定的标准接口。o p c 现已成为工业界系统互联的缺省方 案，为工业监控编程带来了便利，用户不用为通讯协议的难题而苦恼。任何一家自动化 软件解决方案的提供者，如果它不能全方位地支持o p c ，则必将被历史所淘汰。 o p c 是为了连接数据源( o p c 服务器) 和数据的使用者( o p c 应用程序) 之间的软件接 口标准。数据源可以是p l c ，d c s ，条形码读取器等控制设备。随控制系统构成的不同， 作为数据源的o p c 服务器即可以是和o p c 应用程序在同一台计算机上运行的本地o p c 服务器，也可以是在另外的计算机上运行的远程o p c 服务器。 o p c 接口既可以适用于通过网络把最下层的控制设备的原始数据提供给作为数据 的使用者( o p c 应用程序) 的h m i ( 硬件监督接口) s c a d a ( 监督控制与数据采集) ，批处 理等自动化程序，以至更上层的历史数据库等应用程序，也可以适用于应用程序和物理 设备的直接连接。所以o p c 接口是适用于很多系统的具有高厚度柔软性的接口标准。 大连理工大学硕士学位论文 3 被控对象过程特性及控制算法的研究 3 1釜内温度过程特性的获取 3 1 1 阶跃响应分析 尽管在实际的工业生产过程中，生产对象的动态响应往往是比较复杂的，许多高阶 过程可以用一阶纯滞后过程来近似【1 3 】。因此，本文采用一阶纯滞后惯性环节来近似间歇 反应釜的非线性、大滞后、复杂性等特性： g p ( 耻煮p 。5 ( 3 - ) 其中，f 为纯滞后时间，尸为时间常数，k 为静态增益。 本论文选取冷却水流量作为输入量，间歇反应釜釜内温度为输出量，用系统阶跃响 应的动态特征信息辨识被控对象的方法。因系统的输入输出特性近似为具有惯性特征的 一阶滞后环节，在单位阶跃输入作用下，其理想的输出期望响应曲线如图3 1 所示： 稳态 图3 1 阶跃响应示意图 f i g 3 1 s k e t c hm a po fs t e p r e s p o n s e 由于对象( 3 1 ) 的阶跃响应曲线能够具体的反应出研究对象的输入输出关系特征，测 试原理简单，通过阶跃响应曲线即可求得被控对象的过程特性参数静态增益k 、滞后时 间f 、和时间常数弓。 基于w e b 的d m c 远程仿真与控制平台开发 3 1 2 模型参数的确定方法( 作图法) 通过手动操作使过程工作在所需测试的稳态条件下，稳定运行一段时间后，快速改 变过程的输入量，经过一段时间后，过程进入新的稳态，并记录过程输入和输出的阶跃 响应曲线。 我们将所得的曲线利用做图法确定传递函数模型。设阶跃输入为，- 输出响应为y ， 新的稳态值为y ) ，此处变量均为相对于原稳态值的增量。增益k 可由输入输出的稳 态值直接算出： k ：丛型 ( 3 2 ) ， 而f 和歹的确定是在曲线的拐点做切线，它与时间轴交于a 点，与曲线的稳态渐近 线交于b 点，这样就确定了r 和f 的值，如图所示。 y ( 1 ) 图3 2 作图法确定f 、昂方法示意图r f i g 3 2 s k e t c hm a po ff 、 耳i ns t e p 。r e s p o n s e 3 1 3 实验方案的具体设计 我们实验的目的是获取间歇反应釜釜内温度过程特性参数：k 、f 、乃。具体实验方 法采用阶跃响应曲线作图法。 在实施实验之前，釜内温度设定在p 0 ，1 0 0 】范围内，通过以往的实验，已经对釜温 系统模型的几个参数的范围有了大致的了解：参数k ( 1 5 ，4 ) 、f ( 8 0 ，1 8 0 ) 、 正( 1 0 0 0 1 5 0 0 ) 。 大连理工大学硕士学位论文 当采用阶跃响应曲线的作图法测定过程特性时必须注意，为了保证建立模型的准确 性，在阶跃信号输入之前，要求控制对象的状态是平衡稳定的。为了不损害设备输入阶 跃不能过大，输入阶跃过小，测试结果可能会不准确。根据工艺要求，来设计研究对象 输入输出特性的测试方法。考虑到本实验室设备的工艺特点，同时还考虑到釜内温度还 与其他内部和外界的因素有关，如：测试时夹套内导热油的温度、釜内物料多少、工作 的加热棒组数等，综合考虑后，采用阶跃响应曲线的实验法测试釜内温度的过程特性。 测试示意图见图3 3 。 釜内 温度 温度设 定值 0 图3 3 对象状态平衡调整及特性测试过程示意图 f 培3 3 s k e t c hm 印o f s t e a d y s t a t er e g u l a t i o n 锄dc h a r a c t e r i s t i c st e s t 通过以往实验数据，已经获得了釜温模型参数的范围。在釜温稳定平衡阶段，通过 p i d 控制使釜温平稳。每次试验过程历时6 个小时，每次平衡与测试阶段耗时至少3 个 小时，每次阶跃响应的测试实验可以获得两组有效数据。根据实际的，取阶跃响应信号 为正常输入信号输入量程的5 5 。并且每次加入阶跃信号之前，釜内温度保持平衡 稳定状态。在实验过程中，为克服不同油温对釜内温度模型参数的影响，即保证测试条 件稳定，每次试验过程将油温保持在1 0 0 恒定值。 由图3 3 可知，在特性测试部分1 可以测出输出量在设定值处的各种参数值，在特 性测试部分2 也可以测出输出量在输入设定值处的各种参数值，通过添加不同大小的阶 跃，进行多次实验，对数据分析与计算后可得出各个过程特性参量与反应釜釜内温度之 间的关系。 在阶跃响应测试试验中，釜内温度对阶跃输入反应时间较长，所以采样周期设定在 1 5 3 0 秒之间。在每次试验中记录的数据变量：釜内物料容量厶、釜温初始值 、输 入控制量，、釜温稳态值脚。 基于w e b 的d m c 远程仿真与控制平台开发 由于本文的主要任务是釜内温度的过程特性，夹套对象过程特性只是作为釜温对象 特性测试过程中的一个外部条件，其控制方式采用单闭环p i d 控制跟踪设定值。如图 3 4 所示。 图3 4 满足测试要求的夹套导热油控制方案 f i g 3 4 1 1 1 ec o n s t i t u t ed i 孵狮o fj a c k e tt e m p e r a t u r ec o n 仃0 l 在测试釜内温度特性的过程时，对夹套导热油温度的精度没有太多要求，导热油温 度是从初始温度按设定的斜率上升到设定值1 0 0 ，采用普通的p i d 算法控制晶闸管进 而控制加热棒来实现的设定温度的跟踪控制，相应的控制参数在上位机w i n c c 平台上 根据其上升速率凭经验设定。在实验过程中，导热油温度基本都能稳定在设定值上，超 调量3 ，对釜内温度影响可以忽略。 表3 1 实验数据统计表 t a b 3 1s t a t i s t i c s 协l ef o r1 1 1 er e s u l to fe x p e r i m e n t s 由上表可求： f = ( 9 0 + 1 0 0 + 9 5 + 1 3 5 ) 4 = 1 0 5 ； k = ( 2 1 2 + 2 0 7 5 + 1 9 7 + 2 1 2 ) 4 2 ； 丁= ( 1 0 2 5 + 1 0 6 0 + 1 0 9 8 + 1 2 2 5 ) 4 = 1 1 0 2 ； 将上面的到的f 、丁、k 代入到式子可得釜内温度的模型为： g ) = 志p 圳叫3 0 矧0 0 ) ( 3 3