（检测技术与自动化装置专业论文）三容水箱液位控制与网络虚拟实验研究.pdf

山东建筑大学硕士学位论文 摘要 实验课是理论与实践紧密结合的桥梁，为提高教学质量，必须建设完备的实验环境， 向学生提供良好的实验条件。基于网络的虚拟实验室安全、生动，它以计算机技术和网 络技术为基础，充分利用了有限的物理实验设备，是对现在实验条件的有益补充。从虚 拟实验室现状来看，大多采用纯软件仿真形式。这种形式的虚拟实验室结构简单，物理 信号完全理想化，脱离了实物被控对象。 本文综述了国内外虚拟实验室研究与使用现状，提出了构建的虚拟实验室的建设目 标，即：以三容水箱液位系统作为实物被控对象，建设一个具有b s 结构的，开放的远 程网上实验室。 首先，研究了被控对象串接式三容水箱系统。三容水箱是典型的非线性大时延开环 稳定对象，为相关控制策略的研究提供了平台，对工业生产中液位控制系统的研究有指 导作用。分析了三容水箱液位系统的组成、结构以及数学特性，采用混合建模法对被控 对象进行了数学建模。 其次，对三容液位系统控制策略进行了详细研究，主要分为传统过程控制策略和先 进过程控制策略两部分。传统过程控制主要采用p i d 控制，p i d 控制器结构简单易实现， 但从单p i d 控制器在本文研究的三容液位控制系统的实际应用效果来看，响应时间长， 稳定性差，这是由于p i d 参数不可变造成的。解决这种p i d 控制参数不可变的缺点有两 种方案，一是采用先进控制策略，二是对单p i d 算法进行改进。在研究先进过程控制策 略时，分别采用模糊控制和单神经元进行调整，详细论述了模糊p i d 控制和单神经元自 适应p i d 控制的工作原理和工作过程，并作了仿真，仿真结果表明，超调量小，稳态误 差可以得到有效控制。 再次，构建了过程控制网上虚拟实验室，主要包括控制回路的结构、组成以及b s 结构的实现过程。采用l n 2 0 0 0 d c s 系统作为控制回路，视频服务器、摄像机、电动云 台组成监控回路。系统采用的b s 结构，可以使用三维力控组态软件的网络发布功能来 实现，这涉及到l n 2 0 0 0 d c s 与组态软件进行通信问题。本文采用工业领域常用的o p c 通信，o p c 通信技术是实现系统架构的关键技术。构建了p i d 三闭环算法并在实物对象 上作了验证，实验结果表明，p i d 三闭环控制算法超调量小，在系统进入稳态以后可以 将稳态误差控制在5 以内。 最后，总结了研究课题的特色和创新点，即本系统是一个以非线性大时延开环稳定 山东建筑大学硕士学位论文 对象一三容水箱液位为实物被控对象，采用b s 结构构建的网上虚拟控制实验室。本 系统不仅可以提供常规性实验，还可以作为进一步开发、研究、验证先进过程控制策略 的实验平台为科研人员服务。 关键词：三容水箱，虚拟现实，网上实验 山东建筑大学硕士学位论文 r e s e a r c ha b o u tw e bv i r t u a lc o n t r o l l i n ge x p e r i m e n t a n dc o n t r o ls y s t e mo ft h r e e t a n k s u ny o n g j i a n ( t e s t i n gt e c h n o l o g y & a u t o m a t i ce q u i p m e n t ) a b s t r a c t e x p e r i m e n tc a 3 u r s e sa r et h eb r i d g eb e t w e e nt h e o r ya n dp r a c t i c e i no r d e rt oi m p r o v et h eq u a l i t yo f e d u c a t i o n ，c o l l e g es h o u l dc o n s t r u c ts e l f - c o n t a i n e dc i r c u m s t a n c e ，s u p p l y i n gs t u d e n t sw i t hg o o de x p e r i m e n t c o n d i t i o n t h ev i r t u a ll a b o r a t o r yw h i c hi sb a s e do nn e ti ss a f ea n dl i v e l y ，a n di ta l s om a k e sg o o du s eo ft h e r e a le x p e r i m e n td e v i c e t h i sp r o j e c ti sag o o dc o m p l e m e n tt oc u r r e n te x p e r i m e n tc o n d i t i o n v i e w i n gt h e v i r t u a ll a b o r a t o r i e sw h i c hh a v eb e e nu s e d ，l a r g ep r o p o r t i o na d o p t st h es t y l eo fs o f t w a r e - s i m u l a t i o n w i t h i d e a lp h y s i cs i g n a l ，t h i ss t y l eh a sa ne a s yc o n s t r u c t i o n ，a n di ti ss e v e r e df r o mt h er e a lo b j e c t t h i st h e s i sv i e w st h es t a t u so fc u r r e n tr e s e a r c ha n du s a g eo fv i r t u a ll a b o r a t o r i e sd o m e s t i c a l l ya n d a b r o a d b a s e do ni s ，i tb r i n g sf o r w a r dt h ec o n s t r u c t i o na i mo fi t so w nv i r t u a ll a b o r a t o r y ，t h a ti s ，u s i n g t h r e e - t a n kw a t e rl e v e ls y s t e ma st h er e a lc o n t r o l l i n go b j e c t ，c o n s t r u c t i n gar e m o t en e tl a b o r a t o r yw h i c hh a s ab ss t r u c t u r ea n da no p e n i n g - u ps t y l e f i r s t ，t h i st h e s i st a l k sa b o u tt h et h r e e - t a n ks y s t e m t h r e e - t a n ks y s t e mi sat y p i c a ln o n l i n e a ra n d o p e n i n gl o o ps y s t e mw h i c hh a sb i gd e l a y t i m e m e a n w h i l e ，i tc a l lf u n c t i o na sap l a t f o r mf o rs t u d y i n g c o r r e l a t i v ec o n t r o ls t r a t e g y ，i ta l s od i r e c t st h es t u d yo fw a t e rl e v e rc o n t r o l l i n gs y s t e m r e s e a r c ht h e c o n s t i t u t i o n 、c o n s t r u c t i o na n dm a t ht r a i to ft h r e e - t a n ks y s t e m ，a n dc o n s t r u c tt h em a t hm o d e lo fi t ， a d o p t i n gm u l t i - m o d e l i n gm e t h o d s e c o n d ，t h i st h e s i sm a k e sar e s e a r c ha b o u tt h ec o n t r o ls t r a t e g yu s e di nt h et h r e e - t a n ks y s t e m t h e c o n t r o ls t r a t e g i e sc a nb ed i v i d e di n t ot w ok i n d s ：t r a d i t i o n a lp r o c e s sc o n t r o ls t r a t e g ya n da d v a n c e dp r o c e s s c o n t r o ls t r a t e g y i nt h ep a r to ft r a d i t i o n a lp r o c e s sc o n t r o ls t r a t e g y ，i tt a j l ( sa b o u tt h ep i dc o n t r o l ，t h ep i d c o n t r o l l e rh a sa ne a s yc o n s t r u c t i o n ，b u tv i e w i n gf o r mt h er e s u l to fi t su s ei nt h i ss y s t e m ，i tl a c k ss t a b i l i t y ， t h i si sc a u s e db yt h eu n t u r n e dt r a i to fp a r a m e t e ro fp i dc o n t r o l l e r t h e r ea r et w os o l u t i o n st ot h i su n t u r n e d f a u l to ft h ep a r a m e t e r ，o n ei sa p p l y i n ga d v a n c e dp r o c e s sc o n t r o ls t r a t e g y , a n da n o t h e ro n ei st oi m p r o v et h e p i dc o n t r o l l e r i nt h ep a r to fa d v a n c e dp r o c e s sc o n t r o ls t r a t e g y ，t h i st h e s i ss u p p l i e sat u n i n gm e t h o du s i n g f u z z y - p i da n ds i n g l en e u r a l - p i d m a k ead e t a i l e da n a l y s i so fw o r k i n gp r i n c i p l ea n dp r o c e s so f f u z z y - p i da n ds i n g l en e u r a l - p i dc o n t r o ls t r a t e g y ，i nw h i c hi tm a k e sas i m u l a t i o na n dad i s c u s s i o no ft h e i i i 山东建筑大学硕士学位论文 r e s u l t t h er e s u l ts h o w s ，o v e r s h o o ti sl i t t l e ，s t e a d y s t a t ee r r o rc a l lb ec o n t r o l l e de f f e c t i v e l y t h i r d l y ，t h i sp a p e rc o n s t r u c t st h ep r o c e s sc o n t r o lv i r t u a ll a b o r a t o r y ，i n c l u d i n gc o n s t r u c t i o no fp r o c e s s c o n t r o lv i r t u a ln e t w o r ka n di t sr e a l i t yo fb ss t r u c t u r e l n 2 0 0 0 d c ss y s t e ms e r v e sa st h ec o n t r o lp a r t ， v i d e os e r v e r 、v i d i c o n 、v i d e o - l a n d i n gc o m p r i s et h ew a t c h i n gp a r t t h eb ss t r u c t u r eo fs y s t e mc o u l db e r e a l i z e du s i n gt h en e t w o r k - p u b l i s hf u n c t i o n t h i sn e e dt h ec o m m u n i c a t i o nb e t w e e nl n 2 0 0 0 d c sa n d c o n f i g u r a t i o ns o f t w a r e t h i st h e s i sa d o p t st h eo p cw h i c hi sb r o a d l yu s e di ni n d u s t r y t h eo p c c o m m u n i c a t i o ni st h ek e yt e c h n o l o g yi nc o n s t r u c t i n gt h es y s t e m n o wi tc a l lb es e r v e dw e bu s e r su s i n g t h en e tp u b l i s hf u n c t i o n f o l l o w i n gt h e s e ，i tm a k e sat e s ti nt h er e a lo b j e c tu s i n gt h et h r e e - c l o s e d - l o o p c o n t r o ls t r a t e g y t h es t e a d y s t a t ee r r o ri sl i m i t e dw i t h i n5 。 f i n a l l y ，t h i st h e s i ss u m su pt h ef e a t u r ea n di n n o v a t i o n ，t h a ti s t h i ss y s t e mi sav i r t u a ln e t w o r k l a b o r a t o r yw h i c ha p p l i e sb s s t r u c t u r ea n du s e st h en o n l i n e a r 、l a r g ep r o p o r t i o no p e n i n gl o o po b j e c t 一- t h r e e - t a n ks y s t e m t h i ss y s t e mc a n n o to n l ys u p p l yt h eo r d i n a r ye x p e r i m e n t ，i ta l s oc a ns e r v e sf o rt h e r e s e a r c h e rt od e v e l o p 、r e s e a r c ha n dv a l i d a t et h ea d v a n c e dc o n t r o ls t r a t e g y k e y w o r d s ：t h r e e t a n k ，v i r t u alr e a l i t y ，w e be x p e r i m e n t i v 原创性声明 本人郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师的指导下，独立进行研究 取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，论文中不含其他人已经发表或撰 写过的研究成果，也不包含为获得山东建筑大学或其他教育机构的学位证书而 使用过的材料。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确 方式标明。本人承担本声明的法律责任。 学位论文作者签名：二到二叠垡：日期坦量：亟：夕 学位论文使用授权声明 本学位论文作者完全了解山东建筑大学有关保留、使用学位论文的规定， 即：山东建筑大学有权保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和 磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权山东建筑大学可以将学位论文的全部 或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其它手段保存、 汇编学位论文。 保密论文在解密后遵守此声明。 学位论文作者签名：么l 盘鱼 日期壁盟：笸：理 导 师签名： 窖篮垦 日期 2 丑：磊：绶 山东建筑大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 概述 目前，高等工科院校中存在大量的实验课程，包括电子电路，自动控制，过程控制， 计算机应用等，这些实验课是理论与实践紧密结合的桥梁，为提高教学质量，必须建设 完备的实验环境，向学生提供良好的实验条件1 】【2 】。但是9 9 年以来，全国各大高校不断 扩招，加上教育经费有限与现代电子仪器价格昂贵的矛盾，使得实验室问题目益突出。 很多高校实验室场地和实验设备的资金投入都严重不足，没法做到让每个学生都获得充 足的时间亲自动手实践，更多的情况下学生是在“看实验”，而不是在“做实验 。目前 国内各高校的实验教学也面临着矛盾：实验形式、要求对设备要求越来越高与器材相对 落后的矛盾：设备利用率不高与设备更新过快的矛盾；新设备需要大量资金与经费无法 形成有力保障的矛盾。保障无力势必会限制教学改革目标的实现，势必会对实验教学的 开展和学生实践能力的培养造成影响【3 】1 4 】。在这种背景下，面对这些现实而又短时间难 以解决的情况，开发基于网络的虚拟实验室是一条经济、便捷、有效的途径，因此，众 多高校开始建设经济而高效的基于网络的虚拟实验室【5 1 1 6 7 】【8 】。网络虚拟实验室可以缓解 仪器设备不足等问题，对降低实验室建设费用，减少实验教学对客观物质条件的依赖都 有着积极的作用。同时，基于网络的虚拟实验室自身还有灵活、可变、经济等优势，在 促进实验教学改革，提高学生素质等方面将发挥重要的作用，是实验教学的发展方向。 具体结合我校的情况，我们着手过程控制网络实验室的研究，逐步探索适合我校的 实验室建设方案。走建设虚拟实验室的道路，不仅可以充分利用有限的教育资源，而且 具有更高的灵活性，突破了传统的、封闭的实验教学模式的限制。 一般来讲，网络虚拟实验室的基本框架和概念可定义如下：即在i n t e m e t i n t r a n e t 上 采用远程数据( 图像、声音等) 采集，利用远程控制技术，虚拟现实技术，计算机网络 通信技术，计算机多媒体技术构建的，为实验者提供实验条件，反馈实验数据模拟真实 实验过程的系统。 1 2 选题背景与意义 在现代教育中，尤其是在现代理工科教学中，实验教学具有不可忽视的作用，它是 教学中一个非常重要的环节。实验课程的形象化，生动化，逼真化对于提高学生得动手 操作能力，加深学生的印象，激发学生的学习兴趣，起着不可替代的作用。随着近年来 教学计划的改革和素质教育的深化，实验教学的作用正日趋显现出来。只有通过实验教 山东建筑大学硕士学位论文 学与课堂教学相结合，才能全面培养学生自学能力、创新能力；只有通过实验教学，学 生才能够做到理论联系实际，加深理解和掌握课程的理论知识。在教育部高等教育司颁 布的高等学校工科本科基础课程教学基本要求中明确指出：“实验是本课程重要的实 践性教学环节，实验的目的不仅要帮助学生巩固和加深理解所学的理论知识，更重要的 是要训练它们的实验技能，树立工程实际观点和严谨的科学作风。 为了达到培养高素 质，高水平，具有独立创新能力人才的要求，高校实验教学不断了进行改革。以前的本 科实验，更多的是验证性实验，培养的是聚敛性思维，而现在，目标是培养学生发散性 思维的设计性实验已列入了实验教学改革计划中。同时，实验内容多样化，学生可以在 教师的指导下合理的选择实验项目，也可以申请设计性实验。实验方式多样化，可以不 再以专业、班级为单位统一做实验，而是以小组甚至个人为单位申请实验。 在理论方面，本课题对于探索虚拟现实技术在高校实验教学中的应用，对于高校教 学改革的促进与发展，对于在当前扩招形势下探索高校实验教学新的出路，有着重要的 指导意义。另外，论文还对串接式三容水箱本身进行了详细分析，提出了几种控制策略， 并对其可行性和效果进行比较。 在实际应用方面，本课题在虚拟实验室建设方面作出范例，开拓了高校实验室建设 思路，提供了详细而又有建设性的建议，对工业过程中串接式三容模型及类似系统的构 建和控制具有指导意义。 1 3 国内外研究现状 联合国教科文组织( u n e s c o ) 采用已被广泛接受的虚拟实验室的定义( v i r t u a l l a b o r a t o r y ，简称v l ) ：为了实现远程协作、实验研究或其他创新活动，通过分布式信息 通讯技术产生并发布结果的电子工作室。 网络虚拟试验室是美国u n i v e r s i t yo f v i r g i n i a 的w i l l i a mw o l f 教授在1 9 8 9 年提出的。 当时又称作合作实验室( c o l l a b o m t o r y ) ，用计算机网络来模拟实验室环境，提供各种实 验设备的虚拟模型。在这个环境里，使用者可以利用网络上的各种资源( 数据、信息、 设备等) 从事科研活动。虚拟实验室是基于网络构建起来的，在这种环境下，科研人员 无论所处的地理位置如何，只要通过计算机加入到该环境中，就可以与其他参加人员进 行科研交流，可以共享实验室提供的各种资源。 虚拟实验室实际上是一种分布式计算机系统。整个系统包括共享数据库，在线图书 馆，各种仪器设备的虚拟模型以及支持科研活动的各种工具。 2 山东建筑大学硕士学位论文 虚拟实验室的提出和实现提高了信息、资源的利用率，消除了地理位置带来得不变， 提高了科研效率，降低了科研成本。从概念提出至今，仅仅十几年的时间，网络实验室 就因自身众多优点显示出了强大的生命力和良好的发展势头，特别是在国外的网络实验 室的发展，涵盖了计算机网络、数学、人工智能【9 】、生命科学1 1 0 1 、化学【l l 】、物理、生物 工程【1 2 】、农业科学等科研领域。 1 国外研究现状 早在2 0 世纪9 0 年代初，美国政府就投入了巨大的人力、物力、财力建造了海洋学、 天体物理学和分子生物学三个领域的虚拟实验室作为示范，同时引导众多科研机构进行 了一系列探索性地研究，并取得了实质性的进展。 ( 1 ) v e t l ( v m u a le n v i r o n m e n tt e c h n o l o g yl a b o r a t o r y ) 实验室【1 3 】 由h o u s t o nu n i v e r s i t y 和n a s a j o h n s o n 联合建立。该实验室致力于虚拟现实技术在 教育、科学和工程数据可视化领域的研究和研发工作，它开发了一系列强大的软件工具， 允许大量的数据表格和三维对象的植入。这些工具为非程序员提供了一条途径，允许他 们重组对象和数据，并且可以连接到特定硬件上的多传感的三维环境。 ( 2 ) l a a p h y s i c s ( l e a r na n y t i m ea n y w h e r ep h y s i c s ) 物理实验室【1 4 】 该实验室由美国教育部资助，由n o r t hc a r o l i n as t a t eu n i v e r s i t yg r e e n s b o r o 分校开发 研制。其目标是建立一个开放的、自由的、物理课程实验室，以促进这种基于模型的学 习与研究。他们提出的口号是：“l e a r na n y t i m ea n y w h e r ep h y s i c s 。目前，这个实验室 致力于在网络试验室中( o n l i n el a b o r a t o r y ) 中模拟各种实验设备；能虚拟教师或者指导 者与学生进行交流，学生还可以使用适当的工具设计自己的模型。系统可运行在w i n d o w s 平台。 ( 3 ) e l e c t r o n i ct e a c h i n ga s s i s t a n tl a b o r a t o r y l l 5 】 由c l a r k s o nu n i v e r s i t y 的r c d o f f 和j a s v o b o d a 用j a v aa p p l e t s 设计的基本教学课 程软件e l e c t r o n i ct e a c h i n ga s s i s t a n t 让学生对所设计电路进行仿真，可以对电路中的参 数进行更改，以验证实验结果。该软件系统如同它的名字一样，很快成为了学生学习电 路设计及方针的教学电子助手。 ( 4 ) v r e l ( x r m u a lr e a l i t ya n de d u c a t i o nl a b o r a t o r y t l 6 1 v r e l 创建于1 9 9 2 年，由e a s tc a r o l i n au n i v e r s i t y ，g r e e n v i l l eu n i v e r s i t y 和n o r t h c a r o l i n au n i v e r s i t y 共同创建。v r e 的目标是将虚拟现实( v r ) 技术应用于教育和训练 领域，包括：收集有关虚拟现实技术在教育领域的应用实例；评估虚拟现实技术对教育 山东建筑大学硕士学位论文 和训练的影像；发布广泛的信息。 ( 5 ) n u sl a b o r a t o r y ( n a t i o n a lu n i v e r s i t yo fs i n g a p o r e ) b t 新加坡国立大学虚拟实验室通过i n t e r n c t 提供远程物理实验，最早于1 9 9 9 年开始发 布，其目标是允许学生在任何时间任何地点进行物理实验工作，系统只需要很少的空间 和人力资源去维护，是一种共享昂贵实验器材的理想途径。目前，该实验室共发布了六 个通信与控制领域中的实验，它们是：频率调制实验，双容水箱实验，三维示波器实验， 二维示波器实验，直升机仿真控制实验，足球机器人实验。 此外，在德国汉诺威大学建立了虚拟自动化实验室，西班牙大学电子系开发了电子 仪器虚拟工作平台，英国牛津大学的化学虚拟实验室等。 2 国内研究状况 与国外相比，国内的虚拟实验室建设工作开展还不是很多，目前技术成熟的虚拟实 验室主要局限于几个名牌大学和一流科研院所。但是随着计算机技术的进一步发展，网 络技术的日趋完善，虚拟实验室将逐渐成为国内高校实验室建设的选择方向。 ( 1 ) 清华大学虚拟现实与人机界面实验室【1 8 】 该实验室是工业工程系人因与工效学实验室的分室，主要目的在于研究虚拟现实技 术如何与人机系统分析相结合，以提高分析的可信度和效率，进而改进系统设计以便提 高系统使用的效率、安全性和舒适性。同时致力于研究和开发一些适用于大学和科研机 构教学与研究使用的虚拟现实系统，提供整套解决方案，包括整套系统集成、重要人机 交互设备以及仿真分析软件。 ( 2 ) 清华大学土木工程系数字防灾与虚拟工程实验室【1 9 】 清华大学土木工程系数字防灾与虚拟工程实验室是在国家“2 1 1 项目资助下，由清 华大学土木水利学院负责具体筹建的防灾减灾综合模拟实验室。主要研究领域包括：灾 害对结构物作用的数值模拟和仿真；结构抗震、抗爆、抗火、抗风分析；基于g i s 的灾 害危险性分析和灾害损失预测；基于虚拟现实技术的灾害模拟和仿真；城市防灾减灾决 策与规划。 ( 3 ) 中国科技大学大学物理仿真软件伫o 】 大学物理虚拟实验远程教学系统突破局域网限制，基于目前低速i n t e m e t 网。主要 是在i n t e m e t 网上建立一个实验教学环境，教师与学生都可在任何地点开展网络教学， 4 山东建筑大学硕士学位论文 如在家中，出差旅途中。可灵活实现实时或非实时的全国性网络教学，优化教学资源， 消除地区、学校间教师资源差距。利用该系统，教师可以分布在不同地点上网组织各种 实时或非实时的分布式教学。回答学生问题，批改实验报告等。学生可根据自己的时间 安排通过校园网或在家中利用电话线上网接受教师指导完成各项实验内容，并上交实验 报告。 ( 4 ) 中国科学院网络中心计算化学虚拟实验室【2 1 】 中国科学院计算机网络信息中心理论计算化学虚拟实验室成立于2 0 0 4 年，截至目 前，“计算化学虚拟实验室 成员单位己达3 0 多个，基本涵盖了国内计算化学研究队伍 中的最高水平。其主旨是通过加强各研究所、高校之间的合作，促进理论化学的进步， 提升我国理论化学研究在国际上的地位。其目的是为国内大多数从事理论化学、生物信 息学、计算化学的科研工作人员提供一个科学研究平台，一个软件开发平台，一个学术 交流平台，一个技术培训平台。 ( 5 ) 武汉大学虚拟现实实验室【捌 致力于在有关虚拟地理环境的各个领域，全面综合地进行教学与研究，提供公共服 务，致力于理论与技术的创新、应用及传播，以满足武汉大学及国内外的需要，为社会 发展作出贡献。目标是努力成为全国公认的关于虚拟地理环境第一流的教学与研究机构， 并在研究生教育、学术成果及社会贡献等方面均保持在卓越水平。 ( 6 ) 上海交通大学电子信息学院远程机器人控制系统【2 3 】 该系统采用c s 结构，通过自定义的r p c ( 远程过程调用) 为通信协议基础，对机 器人的运动实现远程控制。客户端发出的请求县调用r p c 存根函数，存根函数把请求转 换为调用请求进行传输，这个过程叫做信号编集。服务器在接受到数据后再将r p c 存根 函数转换为输出命令，这个过程叫信号逆编集。考虑到目前带宽容限，目前系统主要是 在局域网内实现。 1 4 本系统目标和特点 本文构建的虚拟实验室系统的总目标是：在计算机仿真技术，o p c 技术和集散控制 技术支持下，利用现有三维力控组态软件，配置相应的硬件，开发一个基于b s 体系结 构的、易扩充的、易维护的、具有良好人机交互界面的虚拟实验室系统，实现网上虚拟 山东建筑大学硕士学位论文 实验的计算机实验平台。依托这个平台，以三容水箱为被控对象，对相应的控制算法进 行研究。工程中广泛采用的p i d 控制算法要在远程实物控制平台上进行验证，近几年出 现的先进控制算法要在s i m u l i n k 环境下进行仿真研究。相比传统实物实验室，网络实 验室具有许多优点： 1 开放性。网络虚拟实验室可以消除空间和时间来的限制，任何实验者可以在任何时间 和地点利用它所提供的设备条件。 2 互动性。实验者可以利用虚拟实验系统提供的各种虚拟器件搭建、设计自己的实验， 可以完全控制实验的进行，并获取服务器对实验的反馈结果。 3 经济性。建设传统实验室，需要投入大量的资金，还需要配套的场地，对于经费不足 的地方工科院校来说，成本相当大。同时，实验设备损耗大，更新过快。而网络实验设 备不存在磨损问题，可以多次重复使用。另外，系统更新升级简单，实验项目建设、添 加成本低。在满足教学要求的前提下，可以节省实验经费，提高效益。 4 安全性。虚拟实验室的设备都是虚拟化的，不存在爆炸、漏电、泄露危险气体等情况。 尤其适用一些会产生有毒有害物质、污染环境和破坏性实验。 5 精准性。虚拟实验可以完全屏蔽外界环境带来的干扰，同时可以避免物理设备由于制 作工艺带来的误差，还可以防止由于线路不通，接插件接触不良、仪器仪表故障带来的 影响。 总的来讲，网络虚拟实验室方案可以充分利用本校的教育资源，为学校节省大量的 实验经费，避免重复投资，对改善办学条件，提高实验教学水平，帮助学生加深理解实 验内容，掌握专业知识，都有着广泛而积极的意义。 1 5 本课题主要工作 从系统整体来看，以串接式三容水箱为被控对象，采用b s 结构构建系统，既是本 课题研究的核心内容和关键技术，又是本课题的创新点。根据检索的情况来看，国内外 开展的虚拟实验研究有很多，使用方法与技术手段也多种多样，但以实物三容水箱为被 控对象，对其进行数学建模，并采用b s 结构访问、控制、监控，这方面做的研究工作 还很少。就本课题来讲，主要工作包括： 6 山东建筑大学硕士学位论文 1 、对三容水箱液位控制系统为模型的三阶过程控制进行数学建模。 2 、搭建三容水箱液位控制网络虚拟实验室控制部分和视频监控部分。 3 、在三容水箱液位控制平台上，对传统p i d 控制算法及其改进进行仿真，并回到实物 被控对象进行验证。 4 、在三容水箱液位控制平台上，对近几年出现的先进过程控制算法，比如模糊控制、神 经元控制等进行仿真研究。 7 山东建筑大学硕士学位论文 第二章三容水箱液位系统及数学模型 2 1 三容水箱液位控制系统简介 液位是工业过程中的常见参数，具有便于直接观察、容易测量和过程时间常数一般 比较小的特点。以液位控制过程搭建实验系统，可灵活的进行过程组态和实施各种不同 的控制方案。三容水箱是典型的非线性大时延开环稳定对象，工业上许多被控对象可以 抽象成三容水箱的数学模型，具有很强的代表性。同时，三容水箱液位控制系统为各种 控制策略的研究提供了平台，对工业生产中液位控制系统的研究具有指导意义。在现实 的工业生产过程中抽象出来的三容水箱模型可以分为有相互影响的三容水箱模型和无相 互影响的三容水箱模型，鉴于本课题设计的被控对象，我们重点讨论无相互影响的三容 水箱，即串接式三容水箱模型。 图2 1 三容水箱液位控制系统 三容水箱液位控制系统的实验装置h 4 - - 容水箱主体、压差变送器、控制器，电磁阀， 水泵组成。该装置被控对象是三个透明的有机玻璃容器，位置编号按从上到下的顺序分 别为1 号，2 号，3 号。由于要实现计算机远程控制，用来更改水路的手动阀门，全部更 换为电磁阀，我们可以通过现场控制器控制各个电磁阀的通断，从而达到远程更改水路 的目的。三容水箱液位控制系统是一个过程计算机控制系统，整个系统控制由计算机实 山东建筑大学硕士学位论文 现，计算机接收设定液位，根据相应控制策略，将控制信号经d a 转换输出到可调式水 泵，对上水流量进行控制。三个水箱均有液位信号，由液位压力变送器产生4 - - 2 0 毫安 电流，送入上位机中。 2 2 三容水箱液位控制系统数学模型的建立 2 2 1 机理建模与辨识建模 不论是对系统进行分析、综合、控制还是决策，都要了解或者为了达到某种目的而 去改变系统的各个变量之间的因果关系。为了实现这些目标，需要对这些因果关系给以 定量的描述。将这些关系用数学关系式定量地表示出来，就是系统的数学模型。在分析 设计一个新系统时，通常先进行数学仿真和物理仿真实验，最后再到现场作实物实验。 数学仿真比物理仿真简单、易行。用数学仿真来分析和设计一个实际系统时，必须有一 个描述系统特征的模型。因此，为了准确有效的对系统实施分析，清楚地认识系统的性 质，就需要对系统进行数学建模，它是研究系统的重要手段。建模涵盖了将一个实际系 统模型化的过程。至于如何实现这一过程，可以用各种不同的手段和方法，可以通过对 系统本身的运动规律的分析，可以根据已有的关于系统的知识和经验，也可以通过对实 验数据的处理，当然也可以几种方法都采用。通常情况下，数学建模的方法有两种：机 理建模法和系统辨识建模法。 机理建模是根据先验的科学知识和对生产过程的深入了解，利用微分方程建立过程 的数学模型，这种方法直到6 0 年代随着计算机的应用才得以进一步发展。其优点是能够 在装置建设之前就开始进行，具有非常明确的物理意义，模型具有很大的适应性，便于 对模型参数进行调整，此外，机理建模还可以充分利用所有的可测信息提高控制性能。 可是由于一些过程的内在机理复杂，对其物理、化学过程还不是完全了解，难以完全从 机理上揭示其内在规律，而且建立机理建模需要建立大量的微分方程，从建立方程、简 化到求解非常困难。 系统辨识建模所得的模型是“黑箱 模型。进行系统辨识时需要对过程施加特定的 测试信号，然后用仪表记录表征对象特性的物理量随着时间变化的规律，得到一系列实 验数据或曲线。这些数据或曲线就可以用来表示对象特性。测试时需要对输入信号的采 样时间、辨识时间进行选择确定，采集到的数据应该尽可能多地包含过程特性的内在信 息。系统辨识建模的优点是无须深入了解过程的机理，避免难以建立的机理数学模型。 系统辨识建模具体的方法有最小二乘法、增广最d 、- - 乘法和极大似然法【2 4 】。利用这些数 学方法，可以对得到的数据或曲线进一步处理，使其转化为描述对象特性的解析表达式。 9 山东建筑大学硕士学位论文 混合建模：将机理建模与系统辨识结合起来，称为混合建模。混合建模是一种比较 实用的方法，它先由机理分析的方法提出数学模式的结构形式，然后对其中某些未知的 或无法用数学推导的手段确定的参数利用实验的方法给予确定。这种在模型结构的基础 上，通过实测数据来确定数学表达式中某些参数的方法，称为参数估计。 本课题对三容水箱数学建模及m a t l a b s i m u l i n k 的仿真和后面进行的先进控制 算法研究中，有必要对其工作机理进入深入分析，利用数学工具把握其内在本质，因此， 在对一些物理器件特性进行必要线性化假设以后，决定采用混合建模法研究三容水箱工 作特性。 2 2 2 三容水箱液位控制系统数学模型 在这种无相互影响的三容过程中，容器之间没有串联的管路，容器底部的流出阀都 是手动阀门，流量q 1 只与容器1 的液位h l 有关，与容器2 、3 的液位无关。水在下落过 程中，会造成液位信号的不稳定，这样在三个水箱中，我们都插入稳流板来改变水的流 动特性，每个稳流板都是根据隙缝式流量计原理进行线性化处理的。系统开始工作后， 在供水压力稳定的情况下，流入量大于流出量，导致液位上升。同时由于出水压力增大 导致流出量增大，其趋势是建立起流入量与流出量之间的平衡关系，当液位上升到一定 高度时，流出量增大到与流入量相等，则建立起平衡关系，液位最后稳定在某一高度上； 反之，液位会下降，最后也会稳定到一定高度。 l 号水 图2 2 三容水箱模型 1 0 山东建筑大学硕士学位论文 由图可知，由上、中、下三个水箱串联组成系统的被控对象，它的传递函数是由时 间常数不同的三个惯性环节来描述，系统的被控制量是下水箱的液位高度。基于系统的 给定量是定值，要求在稳态时，被控制量等于给定量所要求的值，因而调节器的控制规 律应为p i 或p i e ) 。设定系统物理参数如下：进水量q i ，三个容器出水量分别为：ql ， q 2 ，q 3 ，相应液位高度为：h l ，h 2 ，h 3 。 为了在实验时能满足下水箱液位达到设定的高度，要求三只水箱放水阀间的开度必 须满足下列关系：f 1 开度 f 2 开度 f 3 开度，这样，当系统运行于稳态时，三个水箱液 位高度间关系必然会满足下列不等式：下水箱液位h l 中水箱液位h 2 上水箱液位h 3 。 满足上述不等式关系后，系统在稳态时才会出现流量的平衡关系：q i = - q i = q 2 = q 3 由于三容器的流出阀均为手动阀门，故有非线性方程： ig = 口，j l z l 鲮= a 2 办2 ( 2 1 ) i q 3 = a 3 缟 其中，a i 是容器i 的比例系数，与手动阀门的开度有关。 根据动态物料平衡关系，单位时间内进入被控过程的物料减去单位时间从被控过程 流出的物料等于被控过程中物料存储量的变化率。据此，我们有如下关系式： 警= q q i i d v 2 = q q 2 = = = = = = 百d r 3 = q 2 一q p l a ii d h , = q q i p 2 a 2i d h 2 = q q 2 ( 2 2 ) p ，彳，i d h 3 = q 2 一q 3 其中，a i 是容器i 的截面积。令容器l 、2 、3 的线性化水阻分别为r l ，r 2 ，r 3 ，有 2 x h 2 0 ( 2 3 ) 口2 2 a 3 其中，h l o ，h 2 0 ，h 3 0 ，分别是容器1 、2 、3 的初始液位，根据液位、流量、水阻三者的 山东建筑大学硕士学位论文 关系q ( s ) = 乞竽可以推导出过程传递函数 鱼盟： 墨3 q ( s )a l p l r l s + 1 鱼盟： 垒 ( 2 4 ) q 1 0 ) a 2 p 2 r 2 s + 1 鱼盟一 q 2 ( s ) a 3 p 3 r 3 s + 1 ： 盟：丝! 刍盟：! q ( s )扛0 ) q ( s )a l p l r l s + 1 鱼型盟一垒21 兰! 垡! 兰! 一 墨2 q ( s )o l ( s ) q ( s )( a l p l r l s + d ( a 2 p 2 r 2 s + 1 ) ： q 2 ( s ) ：q 2 ( s ) h 2 ( s )