（控制科学与工程专业论文）高级过程控制实验验证平台设计及算法研究.pdf

西北i ：业大学硕士学位论文摘要 摘要 过程控制是高校自动控制学科的一门重要课程，学生在学习理论知识的同时， 还需要通过实践进行理解消化，并在理解消化的基础上创新。为此，建设一个理 论与实际相结合的过程控制实验平台尤为重要。 本课题将控制理论与控制工程有机结合设计出一种过程控制综合实验平台， 是西北工业大学“网络环境下复杂控制系统实验室”的一个子项目。该平台是以 流量、液位控制为研究对象的全物理实验平台，具有强大的实验验证功能。不仅 可以实现不同阶次的单入单出对象，还可以实现多入多出对象和变参数对象；不 仅可以实现常规的控制方案和控制算法，还可以对先进控制算法进行验证、研究。 文章首先回顾过程控制的现状及教学状况，分析建立过程控制实验平台的可 行性和必要性，介绍过程控制的基本理论。然后，针对目前已有的平台实验功能的 单一性，设计出一套功能完备、结构灵活、能满足不同层次需求的开放实验平台； 完成了硬件设备的选型、采购和安装；并根据硬件平台的特点进行了实验设计和 软件平台设计，平台的数据采集、算法实现、控制输出都是由p c 机实现，运用组 态王实现各种控制系统的监控界面设计，但由于组态王运算功能不强，不能实现 辨识、自适应等复杂的控制算法，因此采用m a t l a b 编写算法软件，v i s u a lb a s i c 作为组态王和m a t l a b 的中间接口程序提供实时数据交换( d d e ) 。最后从理论上对 实验对象建立数学建模并进行特性分析，并通过二阶对象对增量式p i d 控制和自 校正p i d 控制进行了验证。 综上所述，作者设计出了一个既能应用于高校实验教学又能验证研究先进控 制理论的实验平台，极大地丰富了过程控制实验系统的内容。 关键词：实验平台，自适应，组态王，过程控制 西北工业人学硕士学位论文 a b s t r a c t a b s t r a c t p r o c c s sc o 加0 1i s 锄i m p o 胁1 tc o u r o fa u t 伽a t j o fu j l i v e r s i 够a f t e rl 船r n i n g t h et h 剃e si i lt l l ec l 舔s r o o m ，t l l e 咖d e n t sn e e dt 0u n d e r s t a i l da n dd i g e s t 柚dt oi n n o v a 舱 ni s 、唧i m p o r t a n tt oe s t a b i i s hat c s tp l a t f o m lo f p r o c e s sc o m r 0 1 c 咖b i n i n gw i t l la u t o m a t i o nt l l e o r i e s 锄da u t o m a t i o np r o j e c t s ，ac o m p a c tp r o c e s s c o n 缸d lc x p 硝m 即l a lp l 蒯谴mi sd e s i 母刚t h ei t e mb c l 彻g st d n 曲釉幢- b a s e d c o m p l e xs y s t e mc o n 响lla _ b ，o f n o m l w e s t 咖p o l 弘e c h n i c a lu i l i v e r s i 够t h ep l a t f o m i sm m l yf o rm e p u r p o i i lr e a r c h i l l go ns u b j e c tp h y s i c a le x p c r i m e n t a l ，m ek e yr o l 鹤 a r cn o w sa n dl e v e lc o n 仃0 1 nc a i ln o to n l ys e r v e 鼬m u m _ 0 r d 盯s i n g l ei i l p 眦s i n g l e o u t p u ts u b j e c 毽b u ta l s 0s e r v e 嬲m i i l t i p l ei n p u 协m l dm i i l t i p l eo u t p u 馏m i dv a r i a b l c p a r 锄积s u b j e c 协n o to n l y m l a lc o 曲la l g o r i t l l l l l sb u ta l s os o m ea d v 卸c c da n dn e w 枷la i g o c 锄b cr e 辩a 托h c d 锄dv e r i f y e do nt h et c s tp l a 怕r m f i 础y ，c 删yp m c e s sc o 曲0 l 甜u c a l i o ni n g i e r i n gc o l l e g ea 1 1 dt h er e c e n t g t a t l l so fp r o c e s sc o n n d ia r ei t e c a i l c d ，t h e 角嬲i b i l i 锣锄d c e s s n yo fe s t a b i i s h i n g p i d c c s sc t r o lp l a t f b n ni sa l l a l y z e d a n dm eb 鹊i cp r o c e s sc o n 打o l1 1 1 e o r i e s 黜 i n 仃o d u c c d t h e i l ，i nv i e wo f z h em m o i l i c i t yo f o 丘! i l l e s h c l f t e s tp l a t f o m ，t l 圮如n c d o n c o m p l e l c ，c o n s 咖c tn e x i b l e ，舭dv a r i o 鹏d e m a n d sc o n t 锄t c dt e s tp l a t f o mi sd e s i 驴e d t h eh 眦h r a e q u i p i n e n t s a l e c t c d ，p u r c h 船e da n di n s t a l i a t e d ，觚da c c o r d i n gt h e p l 砒f b mk 叭h sc b a 墙c 蜘s t i c ，m et c s t sa d e s i g i l e d a n da c c o r d i n gt h ep l a t f b n n l l a r d w a r e sc l l a 豫c t e r i s t i c ，t h e n w a p l 蜘i sd e s i 印c d 1 kd a _ t ac o l l e c t i o i l ， a l g 耐t l l m 托a l i z a t i o l l ，o u t p u tc o m r o l sd a t ao fc x p e 痂 i le 1 1 _ t a lp i a t f o 哪i s 北a l i z c db y p 盯i l a lc o m p u t e r u s i n g n g v i e w t or e a l i z cm o n i t o ri n t c 嘞s u s i n gm a t l a bt od o n 坨a l g o 枷_ l i i lp r o 印h n l n i n gf o rk i n g v i e wi sn o tg o o da t 面t l 蚰e t i c 1 1 l ev i s l l a lb 邪i c 即g r a mi se d i t e d 船ad y l l a m j cd a t ae x c h a n g ei n t e 缸eb e c 、憎nk i n g v i e w 锄d c ) 曲跚lp f o 掣a m e x p c r i m e n t sp f o v et l l ep l a t f b 舯m e c te x p t ，c t e ds t a l l d a r da n dr e s 嵌叭h d c m 觚do fc o l l e g e f i n a l l y ，t h em o d c l so fs y s t c ma r ct l l e o r e t i c a l l yc r e a t e d ，锄d c h m c t e r i s t i c si s 卸i a l y d ，m i a lp i dc o m r o la l g o r i t l l m 觚ds e l f 二a d 印t a _ c i o n a lc o m r o l a l g o r i t l l ma 陀r e a l i z e do n t l l ep l a t f o n i l i naw o r d ，t l l i st c s tp l a t f o n nh 嬲b e e nf o 肋e dt os a t i s 鸟l a b o r a t o r ye d u c a t i o na i l d p r o v i d eap l a n e f o r 咖d yo f a d v a c e dc 0 曲l t h e 0 血s hd o i n g ，t l l e p r o c e s s 舳l 麟p e r i 删m t a l 粕咖f yi se 血c h e d h 西北t 业大学硕士学位论文 a b s t r a c t k c yw o r d s ： t c s tp l a t f i o 皿，s e l f - a d a p t i t i o i l ，k i n g v i e w ，l e v e lc 嘶l i i i 西北工业大学业学位论文知识产权声明书 本人完全了解学校有关保护知识产权的规定，即：研究生在校攻读学位期间 论文工作的知识产权单位属于西北工业大学。学校有权保留并向国家有关部门或 机构送交论文的复印件和电子版。本人允许论文被查阅和借阅。学校可以将本学 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。同时本人保证，毕业后结合学位论文研究课 题再撰写的文章一律注明作者单位为西北工业大学。 保密论文待解密后适用本声明。 学位论文作者签名：盆孕址 加7 年；月f ；日问年 指导教师签名： ；月纷 西北工业大学学位论文原创性声明 秉承学校严谨的学风和优良的科学道德，本人郑重声明：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 中已经注明引用的内容和致谢的地方外，本论文不包含任何其他个人或集体 已经公开发表或撰写过的研究成果，不包含本人或其他已申请学位或其他用 途使用过的成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以 明确方式表明。 讨；黯 西北工业大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 课题背景和任务 第一章绪论 近年来生产过程控制技术发展异常迅速，随着生产连续化、大型化的不断强 化，随着人们对生产过程内在规律的进一步了解，以及智能仪表、计算机技术的 不断发展，过程控制获得了前所未有的发展。可以说在控制系统领域中，过程控 制已独树一帜。它不仅在传统的工业改造中起到了提高质量，节约能源和材料， 减少环境污染等作用。而且正在成为新建的大规模、结构复杂的工业生产过程中 不可或缺的组成部分。因此，各工科院校为满足社会生产发展对于人才和技术支 持的需要都纷纷开设了过程控制课程，并投入了大量的人力物力研究各种先进的 控制理论。力图研究出更为先进更为实用的控制理论，并将其应用实际生产中。 然而如何培养出合格的工程技术人员既能迅速掌握理论知识的同时又能迅速 的把它应用到实践中，是自动化行业面临的一个重大课题。由于我国的高等教育 长期以来遵循的是“应试教育”路线。学校缺少相应的实验平台培养学生的实际 动手能力，所以培养出来的大学生，大多数与现代化工厂企业以及现代化建设工 程脱节，学生毕业后，不能很好的胜任工作。对于过程控制系统，其控制方案的 确定、控制系统的设计、控制参数的整定都要以被控对象的特性为依据，而实际 对象由于存在复杂性、非线性，时变性、不确定性和不完全确定性等特点而难以 充分认识，要完全通过理论计算进行控制系统设计与控制参数的整定，是难以实 现的。因此，有必要设计一种将过程控制理论与实践相结合的高级实验平台，以 利于高校的人才培养，并为现有理论的验证和新理论的研究提供一个可靠的实物 平台。 1 2 过程控制的概念 过程控制【6 】习惯上又称为仪表控制，其控制系统的主要功能就是进行回路控 制。所谓回路控制就是对最小过程单元进行闭环控制。回路控制一般有l 2 个现 场输入和一个现场输出，现场输入和现场输出之间有计算单位，此外，还有一个 给定值用于设定控制目标。回路控制的作用就是保证被控对象的基本运行单元能 够按照预定参数正常运行。控制器有两个输入：一个设定值和一个测量值，控制 器的输出是对被控对象的控制量。被控对象的输出就是被控变量，检测元件得到 被控过程的输出值，并作为检测元件的输出值传递给控制器，用以产生控制变量。 控制器的输出作为被控过程的输入，而被控过程的输出作为控制器的输入，形成 两耗工照大学颈 = 学侥论文第一章绪论 一个闭环。在闭环控制系统中，控制器将根据既定控制算法处理测量值与设定值 之润瓣编熬，输出控锲爨菝傻过程瓣输篷篷与设定篷懿馕差达到最枣，这裁楚瑟 路控制的慕本作用，也怒过程控制的簇本目豹。 1 3 过程控制的发展概况 自2 0 世纪3 0 年代以来，自动化技术获得了惊人的成就，已经在工业缴产和 国民经济的各行各业中起着关键的作用。自动化水平已经成为榭孱各国生产力现 代纯的一个熏妥标志。 过程羧制是指在生产过程中，逡用合适的控制策略，采麓囱动化仪表及系统 来代替操作人员部分或众部的直接劳动，使生产过程不同程度的自动进行。他广 泛应用于稿油、化工、魄力、冶金、机械、轻工、纺织、建材、原子能等领域。 _ 逑程控剃系统是缮蠡动控镶麴被弪囊楚遗废、疆力、漉量、滚袋、残份、獬发， 湿度以及p h 值这样一些过程变量的掇制系统。过程控制是提高社会生产力的有力 工具之一。它确保生产正常运行，对提高产品质爨，降低能量损耗，降低擞产成 本，改善劳动条馋，减轻劳动强度傲爨7 重大贡献。 自2 0 世纪7 0 年代以来，随着羧制理论静发餍以及电子计舞机的出现过程控 制系统己成为大型生产平台不可缺少的重要组成部分。可以说，如果不配置适合 的过程控制系统，大型歙产过程根本凭法正常运行。 王敛建疆生产由夺瀵蘩大垄，盘筏攀鬟复杂，矗至今鑫，现健毒乏、大黧纯或 多品种、精细化的工业，生产出各种各样的产品满足人们的日常生活需要。对于 这些工业生产要求做到硪确化、自动化和高效化。由于工业生产中实际问题的不 甄提出，鬣馊理论磺究不颧发展，翳瓣理论磅究戆缝象变残鞠痰戆叁动必z 暴产 品，用来解决生产实际闷题。这样缴产实际问题、理论研究和控制系统三者藏同 作用，推动着过程控制技术的发展。 过程擦制技术作为巍动控制理论在工业过程控露领域中的皮用分支，与控雠 理论一群瑟薪发震着。簌某静意义童说，建程控麓是获工翌生产实舔窭发瑟牙剖 的自动控制方法与技术，而对于每个发展阶段的出现，都是生产实际问题、理论 研究和控制系统三者共同作用的结果。过程控制的发展主要经过了以下几个阶段： ) 仪袭纯窝嚣郏囊溺纯( 5 0 秘年代) 殓毅 5 0 年代前后。过稷控制开始得到发展，一些置厂企业实现了仪表化和髑部自 动化，这怒过程控制发展的第一个阶段。这个阶段的主要特点足：采用过糕检测 控制仪表为基地式仪表鞠部分单元缀会式仪表，蕊且多数是气动仪表；过程擦裁 系统豹结季奄绝大多数楚罄输入单狳磁系统；被控参数主要是潺魔、压力、瀛鬣和 液位四种；控制的主要目的是保持这蝗工艺参数的稳定、确保难产安全；过程控 2 两北1 。业大学硕士学位论文 第一章绪论 制系统分析、综合的理论基础是以频率法和根轨迹法为主体的经典控制理论。 2 ) 集中控制阶段( 2 0 世纪6 0 7 0 年代) 6 0 年代，随着世界范围内化学工业的蓬勃发展肛j ，平台规模的不断扩大，生 产的复杂性和对产品质量要求的严格，迫切要求单元生产过程集中管理与控制。 电子技术的迅速发展，半导体产品取代了电子真空管，集成电路取代了分离元件， 电子仪表的可靠性、可使用性大大提高，从而逐步代替了气动仪表。在这一期间， 计算机进入控制领域，引发了控制技术从模拟技术到数字技术的变革。计算机可 以很方便的完成各种复杂、智能的控制算法，不需要对控制器的计算单位进行改 装。为集中控制提供了强大的技术基础。这一阶段，人们通过长期的生产实践和 经验积累，研究出了克服参数干扰、提高系统控制品质的过程控制方法，如串级 控制、前馈控制等；以及在生产过程中实现特定生产任务的过程控制系统，如比 值控制、选择控制等。大多数的测量仪表通过电动或者气动变送把信号统一送到 区域内的集中控制室操作人员通过现实和控制仪表对生产过程的各种参数进行集 中监视和控制。 。 在过程控制理论方面，除了仍然采用经典控制理论解决实际生产中遇到的问 题外，现代控制理论开始在过程控制领域内应用。 3 ) 集散控制阶段( 2 0 世纪7 0 年代中期至今) 随着办公自动化、数字化技术、通信和网络技术的持续发展，人们对控制系 统的要求不断提高，过程参数日益增多，致使控制回路更加复杂。工业生产进入 微机化、数字化和网络化的时代嘲。2 0 世纪7 0 年代中期，以电子仪表和微型处理 器为基础的集散控制系统( d c s ) 逐步应用于工业过程控制中，它作为一种自动设 备结束了以特定位速率工作的数字仪表控制，允许以较低的位速率直接交换各种 元件的信号。集散控制系统是集计算机技术、控制技术、通信技术和图形显示技 术为一体的平台。这种系统在结构上是分散的，就是将计算机分布到车间或平台。 这不仅使系统的危险分散，消除了全局性的故障点，而且提高了系统的可靠性， 同时能方便灵活地实现各种新型的控制规律与算法。由于它采用标准化、模块化、 系列化设计，由过程控制级、控制管理级和生产管理级所组成的一个以通信网络 为纽带的集中显示操作管理，控制相对分散，具有灵活配置、组态方便的多级计 算机网络系统结构，所以一经出现就受到了工业控制界的青睐，实现了过程控制 最优化和生产调度与经营管理自动化相结合的集散控制系统，使生产过程自动化 的发展达到了一个新的水平。 近年来，被控过程日趋复杂，工业过程严重的非线性和不确定性，使许多系 统无法用数学模型精确描述。这样建立在数学模型基础上的古典和现代控制方法 将面临空前的挑战，同时也给新的控制方法的发展带来了良好的机遇。”复杂系统” 及”智能控制”成为近年来控制理论研究的热点。 两北t 业大学硕士学 奇论文 第一章绪论 1 4 过程控制的现状及发展趋势 目前过程控制正处于第三发展阶段，生产过程正在向大型化和精细化两个方 向发展。随着计算机科学、网络和智能信息处理技术的进步，以及社会生产力发 展的强烈需求，在如何解决日益增加的复杂系统、网络系统、多传感器信息融合 等重大问题上，控制科学与工程正面临着更重大、更迫切的挑战。 传统控制理论面临的问题1 2 l ： 1 ) 控制对象的复杂性 传统控制理论的思想是建立在精确数学模型基础上的，然而对实际应用中的 非线性、时变性、不确定性和不完全性的系统，一般无法获得精确的数学模型。 对含有对象复杂性和不确定性的控制过程，很难用传统数学建模方法来解决建模 问题。 2 ) 控制方法和手段单一性 传统的控制对象往往局限于单一的，有确定的物理规律的系统。对于复合型 系统，传统的控制方法就会出现片面性、单一性而显得力不从心。 3 ) 无法满足控制性能的高要求 通常，控制系统需要具有所期望的控制精度、稳定性及动态性能。为了提高 系统性能，传统控制系统可能变得相当复杂，从而使得系统的可靠性与其它系统 性能成为不可调和的矛盾。由于实际系统的复杂性，人们往往很难( 或不可能) 从基本的物理定律出发直接推导出系统的数学模型，这就需要利用可以测量的系 统输入和输出数据，来构造系统内结构及参数的估计，并研究估计的可靠性和精 度等问题，这就是系统辨识的任务。控制系统能够处理数值的、符号的、定性的、 定量的、确定的和模糊信息等各类信息，即要求控制系统具有多层次的信息处理 结构。传统的控制方法是很难做到这一点的。 由于系统的数学模型与实际系统存在着参数或结构等方面的差异，而我们设 计的控制律大多都是基于系统的数学模型，为了保证实际系统对外界干扰、系统 的不确定性等有尽可能小的敏感性，导致了研究系统鲁棒控制问题；现代工程技 术、生态或社会环境等领域的研究对象往往是十分复杂的系统，对这类系统难以 用常规的数学方法来建立准确的数学模型，需要用学习、推理或统计意义上的模 型来描述实际系统，这就导致了智能控制的研究。 不管是从过程控制的历史和现状看，还是从其发展的必要性和可能性看，过 程控制是朝综合化和智能化方向发展。 4 西北工业大学硕七学位论文 第一章绪论 1 5 过程控制的特点”1 过程控制除具有其它控制系统的特点之外还具有一些自己的特点： l 、被控过程的多样性过程控制系统是面向生产的自动控制系统，由于生 产规模不同，工艺要求不同，产品品种多样，因此过程控制的形势也是多样的。 2 、系统由过程检测控制仪表组成如图l l 所示是过程控制系统框图，它 反映了过程控制系统的基本组成。 图卜1 过程控制系统框图 由图可以看出一个完整的控制系统，一般有调节器、调节阀、被控对象和测 量变送元件四部分组成。用户根据工艺要求选用适当的过程检测控制仪表组成控 制系统。通过整定调节器参数使控制系统运行在最佳状态。 3 、控制方案十分丰富由于过程控制的多样性，决定控制方案的多样性。 4 、控制过程多属于慢性过程参量控制被控过程大多具有大惯性，大时延等 特点，因此，决定过程控制是一个慢过程。 5 、定值控制是过程控制的主要控制形式过程控制的目的主要是消除或减少 外界扰动对被控量的影响，使被控量能控制在给定值上，使被控对象稳定，从而 达到被控目的。 1 6 过程控制的分类及其性能指标 1 6 1 过程控制的分类例 过程控制的分类方法有很多。例如，按被控变量的不同，可以分为温度，压 力和流量等控制系统，按照调节器的调节规律又可分为比例、比例积分等控制系 统；如按工艺要求分又可以分为比值、均匀等控制系统。通常情况下主要有以下 几种分类方法： 1 按克服系统的干扰的方法分 两北t 业大学硕士学位论文 第一章绪论 1 ) 反馈控制系统反馈控制系统是根据系统的给定值与反馈值之间的偏差 进行工作的，偏差值是控制的依据。控制的最终目的是减小或消除偏差。 2 ) 前馈控制系统前馈控制是直接根据扰动的大小进行工作，扰动是其工 作的依据。前馈控制不构成闭合回路，也就是开环控制回路。 3 ) 前馈一反馈控制系统前馈一反馈控制系统是前馈控制系统和反馈控制系 统相结合构成的负荷控制回路。前馈控制迅速克服主要扰动对被控量的影响，反 馈控制克服剩余扰动对系统的影响，二者结合能使系统在稳态时比较精确的稳定 在给定值上。 2 按给定值的特点分 1 ) 定值控制系统定值控制系统是过程控系统中应用最为普遍的一种控制 系统。控制系统的被控变量( 如温度、压力、流量、液位等) 应稳定在给定值对 应的工艺指标上，或者根据工艺要求可以在工艺指标上下很小偏差的范围内变化。 给定值是恒定不变的所以称为“定值”。 2 ) 随动控制系统随动控制系统的给定值随时间而变化的，系统的主要作 用就是被控量迅速、准确的跟踪给定值的变化，这类系统也叫自动跟踪系统。 3 ) 程序控制系统程序控制系统的给定值是由程序按照时间的顺序预先给 定好的，控制目的是使被控量按照规定的程序自动变化，如生产过程中常用的升 温、保温等间歇性控制。 1 6 2 过程控制的性能指标 2 1 当过程控制系统的给定值发生变化或系统受到干扰时，人们总是希望被控变 量能够迅速、准确地跟踪或回复到设定值，并稳定在设定值附近。系统给定值定 变化等可以看成是控制参数的一个阶跃，其完成控制任务的过程即是系统的一个 过渡过程，其过渡过程可以用图卜2 表示； 用来表述单位阶跃输入的暂态响应的主要性能指标有：最大超调量、上升时 间、峰值时间、调整时间、衰减比、稳态误差、震荡周期。 最大超调量盯：对于定值控制系统，最大超调量是指过渡过程中第一次波峰 值与给定值的偏差。它反映了调解过程中被控参数与给定值的偏离程度。 盯：兰竺! 二兰! 竺! 。1 0 0 j ，( ) 峰值时间f 。：过渡过程第一次到达波峰的时间。 上升时| 、日j f ，：过渡过程中第一次达到对应的输入的终值的时间。 调整时间f 。：输出与其对应的输入的终值之问的偏差到达容许范围( 3 1 0 ) 所经历的时间。 6 两北f 业大学硕士学位论文第一章绪论 、蚺 e ) ：厂、 一 图1 - 2 系统过渡过程性能图 衰减比：衰减比是过渡过程中相邻的两个波峰值之比。一般情况下衰减比在 4 ：1 一l o ：1 的范围内比较好。 稳态误差p ( 。o ) ：过渡过程终止时( 被控过程达到稳态时) ，被控变量的实际值 与给定值之差。 震荡周期：第一个波峰与相邻第二个同向波峰之间的时间间隔，其倒数为震 荡频率。在相同的衰减比条件下，震荡过程与过渡时间成正比。因此，震荡周期 短些比较好。 在控制系统的设计过程中如果同时满足上述性能指标是几乎不可能的。因为 这些性能指标对应的量都是互相联系的，而在控制系统的设计过程中人们往往会 孤立地提出控制指标。因此，控制规律( 如p i d ) 的设计必然会成为一个凑试的过 程，寻找出一组比较折衷的参数使系统的控制性能达到一个可以接受的程度。因 此，需要建立一个单一却能反应综合性能指标的最优评价，它与过渡过程代表的 质量指标不同，它是系统动态特性的一种综合性能指标。如误差平方积分( i s e ) ， 和误差绝对值积分( i a e ) 。 令系统的给定值与实际输出值分别为，o ) 和y ( ，) ，则误差为： p o ) = ，( ，) 一y ( d i s e 性能指标，即 艇= c o p o ) 2 西 i a e 性能指标，即 埘e = p ( f ) 防 为评价控制效果还引入了总变差( 曰) 的概念，用来评价控制信号平滑性的， 它的值越小说明控制信号越平滑，控制性能越好。 口= l 暂( d 一甜( _ j 一1 ) l 7 西北t 业大学硕十学位论文第二章控制系统实验装置硬件组成和软件实现 第二章控制系统实验装置硬件组成和软件实现 整个过程控制实验平台是由一台工控机和控制对象平台组成的计算机控制系 统，系统原理如图2 1 所示。 2 1 系统原理图 本系统是用一台工控机取代模拟控制器，在工控机中安装了输入、输出板卡 采集现场信号并把控制信号送入现场控制仪表实现控制作用。平台主要由两大部 分组成即硬件系统和软件系统，下面分别从两个方面详细阐述其硬件和软件系统 的组成及其功能。 2 1 平台硬件组成 2 1 1 对象平台的总体结构及其功能 根据本文的任务、相关专业教学和实验方面的要求，以及为今后科研、教学、 实验的进一步深入和扩展留有余地等多方面考虑，结合流体力学的相关知识设计 了该实验控制对象平台的结构，如图2 2 所示。安装后的实物图见图2 3 。 从图2 - 2 中可知，该实验控制对象平台由动力系统、执行机构、检测变送器、 开关阀、水箱及管路等组成。 其中：v 、v 2 、v 3 、v 4 为水箱容器，其液位和管路的流量一起组成平台的被 控对象；p l 、p 2 、p 3 为离心式水泵用于抽水，是系统的动力部分；u 二l 、u ：2 、 l 1 ：3 、u 为液位变送器，f t - 1 、f t 2 、f t - 3 为流量变送器( 流量计) ，是系统的 检测变送部分；f v - 1 f v 7 为电动调节阀，是系统的执行机构，用于控制各容器 的进水和排水；f o f 3 为手动阀，d z l d z l 5 为电磁阀。 西北工业人学硕十学位论文第一二章控制系统实验装置硬件组成和软件实现 图2 - 2 实验平台基本结构图 图2 3 实验控制对象平台安装实物图 9 两北t 业人学硕十学位论文第二章控制系统实验装置硬件组成和软件实现 从图2 2 所示的结构图可以看出，本实验平台能实现以下主要功能，实现了 预期的设计目的。 ( 1 ) 惯性环节通过对电磁阀的开关切换可构成各种不同的控制回路，如一 阶、二阶和三阶惯性环节。如图2 - 4 所示由泵p 2 、电动阀f v - 3 、f v - 5 、电磁阀d z l o 、 水箱v 2 、v 3 、变送器u 二3 和手动阀f 2 构成的二阶惯性环节的结构图。 ( 2 ) 关联环节过程控制中有许多的被控对象是多输入多输出的，但是在实 际的工业过程控制中，人们都有意识的用多个单变量问题将多变量的问题近似简 化，但是这种人为的近似只能在一定范围内存在，在近年来许多高端的控制系统 中控制要求越来越高，多个单变量对多变量的近似并不能满足控制要求，人们必 须重视并考虑对象内部各个环节之间客观存在的相互作用。本系统中v 2 、v 3 、v 4 三个容器之间通过电动调节阀相互关联，其关联程度可以通过调节阀门开度的大 小来改变，它可以构成多个具有关联的多变量对象，并对其进行解耦控制实验。 如双入双出对象的结构图入下图2 5 所示( 忽略各阀门的开关切换) 。 图2 4 二阶惯性环节 图2 5 双入双出对象 ( 3 ) 灵活多变的回路控制根据用户的需求选择不同的检测、执行元件组成 不同的控制回路，用户可以通过平台将同一控制算法在不同控制回路上运行，以 测试算法的通用性及不同回路之日j 系统常数的差别，导致控制效果的差异。并且 1 0 两北工业人学硕士学位论文第二章控制系统实验装置硬件组成和软什实现 可以通过对同一被控对象在不同控制算法下的控制以观察不同控制效果的。 ( 4 ) 灵活的干扰方式本实验平台可以通过旁路对控制回路旌加干扰，由于 旁路系统由泵、流量计、电动阀组成，干扰的时间、干扰量的大小可以由用户人 为的控制，并且可以由流量计很清楚的测出施加的干扰总量，所以该类干扰是可 控可测量的。此外系统还可以通过对控制电动阀施加电信号干扰如：随机信号、 矩形波等。， ( 5 ) 被控对象参数可变通过控制平台各水箱的出水电动阀的开度来改变水 箱的参数，并以水箱为对象进行被控模型的离线、在线辨识和自适应控制实验。 ( 6 ) 软时延环节在实际的工业生产过程中如温度，由于各种原因使得很多 对象都具有较大时延特性，而已有的许多实验平台都采用传统的机械延时的方法， 这种方法的时间调节范围小，精度都不高。本实验平台除了系统本身的延时之外， 还可以通过编程的方法来添加软延时，具体延时时间可以由程序设定，没有调解 范围的影响，可以实现对大时滞的控制系统实验，进行控制算法的验证和研究。 ( 7 ) 开放的控制算法接口自动控制经过几十年的发展，其控制算法已经越 来越复杂、先进，除了最先发展起来的p i d 控制及其改进的控制算法外，还有各 种智能控制和复杂控制，随着人们对控制要求的不断提高，控制理论将会不断地 向前发展。这就要求实验平台具有开放性用户可以根据自己的需要随时嵌入自己 的控制算法并对实验平台进行控制。本系统除了提供典型的p i d 控制算法和自适 应算法外，还提供了一个开放的算法接口，根据协议用户可以嵌入自己的算法程 序可以利用此平台验证用户的控制算法。 2 1 2 执行机构 执行机构是控制系统中不可或缺的重要组成环节，本平台采用的执行机构是 电动调节阀， 它的基本工作原理如图2 6 所示： 图2 - 6 调节阀工作原理 调节阀在控制系统中起直接控制的作用，因此，调节阀选择得是否恰当直接 西北t 业大学硕士学付论文第二章控制系统实验装置硬件组成和软仆实现 影响到过程控制系统的控制效果，如果调节阀选择不恰当，先进的控制理论可能 也不能取得理想的控制效果，甚至系统不能正常运行。调节阀的选择一般应根据 生产工艺要求和被控介质的特点等来选择，应注意的几个主要几个问题如下1 1 7 】： a 阀门口径选择调节阀的口径是选用调节阀的一个重要内容，也是控制系 统设计的一个重要环节，它应该根据水箱的的大小及系统期望的响应时间等因素 来决定，口径选择太大调节阀将不能工作在最佳控制位置，口径太小会使系统的 响应时间太长。 b 调节阀流量特性的选择调节阀的流量特性，是指在一定压力下被控介质 流过阀门的相对流量与阀门相对开度之间的关系，其数学表达式为： ，t j ，- = 厂( ) ，式中，j l 为相对流量，为相对开度。调节阀的流量特性会 口。，。 g 一一 直接影响系统的控制品质和稳定性，必须合理选择。 调节阀的流量特性分有理想流量特性和工作流量特性之分。 1 ) 理想流量特性理想流量特性即是在调节阀前后压差不变的条件下得到的 流量特性。常用调节阀中有四种典型的理想流量特性，分别为直线流量特性、对 数流量特性、快开流量特性、抛物线流量特性。 2 ) 工作流量特性在调节阀前后压差变化时调节阀的相对流量与相对位移 之间的关系，分为串联管道和并联管道两种情况。调节阀在管路中安装的时候一 般不采用并联形式，因为实际应用中各个调节阀之间应该不能相互影响；并且还 要尽量减小管道的阻力，即尽量减小管路的长度和弯转。 在工业过程中，为了保证良好的控制稳定性，大部分情况下都采用具有等百 分比的流量特性的阀门。随着阀门的开启，这种流量特性使得在输出端产生一个 线性变化。 c 最大行程时间最大行程时间即阀门无间断得从o 开到l o o 所需的时间，最 大行程时间反映阀门的响应速度，阀门的响应速度太慢将严重影响系统的控制精 度，系统的稳定性也会降低。一般情况电动阀的响应速度要比气动阀的响应速度 慢，但相应的气动阀的价格要远比电动阀昂贵。 本文选用瑞士b e l i m o 公司的l r 2 4 s r 型控制球阀【2 们，流通能力c 。为 1 6 m 3 加，公称通径d g 为1 5 锄。 通过实验得出阀门的实际流量特性，由于实验条件的限制阀门某一给定开度 的实时流量不是固定，因此在实验时取一段时间的平均流量作为阀门的实际流量， 具体实验数据如下表2 1 所示。 将表中的相对开度和相对流量的关系用图表的形式表示为图2 7 ，该图即为阀 门的实际流量特性曲线。 1 2 西北i ：业大学硕士学位论文第二章控制系统实验装置硬什组成和软件实现 从图2 7 可知，阀门在2 0 至8 0 之日j 其流量特性是呈直线的，因此在实际控制 时应尽量使控制阀的控制点落在2 0 至8 0 之间，并尽量避免死去和饱和区。在实 际控制时要对调节阀进行线性化处理，这些处理在组态软件内部完成。在编写控 制算法时用户为减少调节阀的响应时间，可以根据图2 7 所示的流量特性，采取适 当的限幅措施。在本文中所有调节阀在编写控制算法时都作了限幅处理，由于调 节阀在小于1 7 时没有流量通过调节阀，开度稍微大于1 7 才有细微流量；而在 开度大于8 0 时流量基本变化不大。因此，在充分尊重调节阀本身特性的基础上 幅度限制在1 7 一8 0 之间，当控制器输出( 调节阀相对开度) 大于8 0 令其开度为 8 0 ，小于1 7 时令其开度为1 7 。这样就可以使调节阀工作区间在1 7 8 0 内，使该阀的特性变优，提高了系统的控制效果。 相对开度 上( ) o2 03 04 05 06 07 08 09 01 0 0 k 。 实时流量 0 1 2 6 51 4 82 2 53 0 53 9 14 6 55 2 85 4 8 ( l h ) 相对流量 卫( ) 02 21 1 92 74 1 15 5 77 1 48 4 99 6 41 0 0 g 。 表2 - l 调节阀实际流量数据 图2 _ 7 调节阀的实际流量特性曲线 西北丁业大学硕士学位论文第二章控制系统实验装置硬什组成和软件实现 2 1 3 检测变送器 本系统的检测变送器主要有液位和流量变送器两种。对这两种检测元件的选 择其中主要的一个方面就是对精度的选择。误差【2 l j 除了用于表示测量结果的精度 外，也是仪器仪表重要的质量指标。 液位变送器本系统所使用的液位变送器选用的是西安麦柯尔长力仪表有限 公司的3 3 5 1 智能压力变送器瞄j 。它是一种带有微处理器的数字式压力差压变送 器，该产品采用完全密封的差动电容作为感测元件，可用来测量压力、流量、液 位等参数，并广泛用于石油、化工、电力、造纸等工业领域的测量和过程控制。 3 3 5 1 型智能压力变送器具有h a r t 协议通讯功能，可在现场或控制室通过远 程手操通讯接口( h t 3 8 8 1 对变送器实现远距离操作，如：变送器诊断，回路测试， 量程、零点调整，线性、开方输出选择输出电流调整等功能。它的工作原理图如 图2 - 8 所示。 振荡器和 解调器 6 室敏 感兀件 榭数 信号转换 微处理器 敏感部件线性 化 调整量程范围 输出形式 t 程单位 阻尼 诊断通信 数，模 信号转换 数字化 通信 蛰i 銎尹 图2 8 变送器工作原理框图 h a r t 协 议遥控接口 该变送器的具体技术性能指标为： 使用对象：气体、液体或蒸气 输出信号：4 2 0 r r a 两线制传输( 输出电流最大为2 0 m a d c ) 电源：外部供电，1 2 4 5 v d c 温度范围：被测介质：- 4 0 1 0 4 环境温度：2 5 8 5 1 4 西北丁业人学硕十学位论文第一二章控制系统实验装置硬件组成和软件实现 储藏温度：- 4 0 8 5 精度：为调校量程的o 1 具体测量范围按情况自行调整，本实验中的有效液位为肌2 0 c m 。 流量变送器本系统选用流量变送器是西安蓝天石化设备有限公司的i t m a g e 电磁流量转换器【1 9 l 。它用来测量封闭管道中流体的体积流量。广泛地应用于 石油、化工、钢铁、冶金、给水排水、水利灌溉、水处理、环保污水总量控制、 造纸、医药、食品等工、农业部门的生产工艺过程流量测量和控制。适用于导电 液体的总量计量。 电磁流量计工作原理：基于法拉第电磁感应定律。当一个导体在磁场内运动， 在于磁场方向、运动方向相互垂直的导体两端，会有感应电动势产生。电动式的 大小与导体运动速度和电磁感应强度大小成正比。 该流量计的具体性能指标为： 公称通径：2 0 i i a 供电电源：单相交流电2 2 0 v a c 输出信号：全隔离抛o i i l a 负载电阻：o 7 5 0 q 环境温度：- 2 5 5 5 重复误差：测量值的0 1 测量范围：上限值的流速可在o 3 m p 1 5 m s 范围内选定，下限值的流速可为 上限值的1 。 本实验中的流量范围为o 加8 矗。 2 1 4 动力机构 本系统选用上海西山泵业有限公司的1 5 w g 1 0 微型家用增压泵【删为整个系统 提供动力。其主要技术参数指标如表2 - 2 所示。 最高扬程1 0 m额定扬程8 m 最大流量 2 0 l m i n 额定流量 8 l m i n 额定电压2 2 0 v额定频率5 0h z 额定转速 2 8 0 0 f m i n 额定电流 o 4 5 a 输入功率 9 0w 进出口内径1 5m m 绝缘等级 b防护等级i p 4 4 表2 2 水泵的主要技术参数 1 5 西北工业大学硕+ 学位论文第二章控制系统实验装置硬件组成和软件实现 2 1 5 计算机控制系统组成 由图2 1 可知，本系统的控制机构主要由计算机、数据采集模块组成，并且所 用的计算机和各种数采卡都是选用凌华公司的相关产品。 一、控制计算机 本系统的计算机选用的工控机是台式工控机，它有独立的显示器不同于一体 式工控机。在此仅对工控机主板作简单介绍，工控机主板采用的是技嘉 g a 一8 1 8 4 8 p - g ，其技术参数如下： 技嘉g a 8 1 8 4 8 p - g 硬件参数： 支持内存类型：d d r 支持内存传输标准：p c 2 1 0 0 p c 2 7 0 0 p c 3 2 0 0 支持内存最大容量：2 g b 内存插槽数量：3 叻rd i 删 显卡接口标：准：a g p8 硬盘接口振准：a t a6 6 1 0 0 + 2 s a t a i d e 接口数量：2 个 s a t a 接口数量：2 个 技嘉g a - 8 1 8 4 8 p g 扩展性能： u s b 接口数量：8 个u s b 2 0 接口 显卡插槽：1 个a g p 插槽 p c i 插槽：5 个p c i 插槽 f d d 接口：一个f d d ，接软驱 p s 2 接口：1 个p s 2 键盘口，1 个p s 2 鼠标口 并口：1 个 串口：1 个 外接端口：1 个g 锄ep o r t 音频接口 该主板扩展的5 个p c i 插槽满足了系统对数据板卡拓展的要求。 = 、数据输入输出模块 1 模拟量输入输出卡1 选用凌华公司p c i 一6 3 0 8 v 该板卡是一种具有1 2 位模 拟输出的高性能板卡，它提供8 相同的电压输出通道，每个通道的输出包括以下 几种情况：( 1 ) 双极1 0 v 电压输出，( 2 ) 单极0 至+ 1 0 v 电压输出，( 3 ) 单极：o 至 用户自定义输出电压。 板卡的主要特性如下： 1 6 西北】业人学硕士学位论文 第_ 二章控制系统实验装置诬什组成和软什实现 3 2 位p c i 总线，即插即用，符合p c i 本地总线r e v 2 1 说明书 8 个1 2 位电压输出通道 与外界设备全隔离电压保护 2 5 0 0 m s 隔离电压 单极和双极电压输出范围 板卡上具有d c d