（检测技术与自动化装置专业论文）基于labview的过程控制实验平台的设计.pdf

基于l a b v i e w 的过程控制实验平台的设计 摘要 硬件在环仿真技术以实物取代数学模型，与实际情况接近、且成本低，是 未来仿真技术的发展的重要方向。l a b v i e w 是一种功能强大的图形化编程软 件，与传统的编程软件相比，开发效率更高，对硬件的支持性更好，是目前测 控领域应用最广泛和最有前途的软件之一。本文基于l a b v i e w 软件和天煌科 技实业有限公司的t h j 一2 型过程控制实验装置开发可同时用于数字仿真和硬件 在环测试的过程控制实验平台，完成了以下工作： 1 利用实验室t h j 2 型过程控制装置构建实验平台的硬件。由于t h j - 2 型 过程装置使用的1 7 0 0 0 智能采集卡属于非n i 公司产品，l a b v i e w 软件没有提 供驱动程序。本文完成了l a b v i e w 软件系统与1 7 0 0 0 智能采集卡的通讯模块设 计，实现了l a b v i e w 软件与硬件设备的通讯。 2 系统软件按照模块化设计，将各功能模块设计成子v i ，完成了存储模块、 参数设定模块、登陆界面、帮助模块等子模块的设计。 3 设计了水箱特性测试、常规p i d 控制、串级控制、模糊控制等多个实验， 每个实验都由实时实验和仿真实验组成。实验平台提供了仿真实验，用户不必 再使用其他软件进行仿真，使用仿真实验可以使用户能够快速的掌握实验。实 时实验可以让用户更深刻的认识理解实验过程。 经过测试，实验平台具有良好的可视化界面和交互性能，使用方便灵活， 并且具有良好的开放性，方便用户设定参数，完成实验。该实验平台为自动 控制理论和过程控制系统等课程教学提供了仿真和实时控制的实验环境， 为先进控制策略的研究提供了硬件在环实验平台。 关键词过程控制实验平台l a b v i e w 实时仿真 d t g no fp a n t r o le x p e n t a lp latfodesign o p r o c e s sc o n t r o le xe r i m e n t a l l a t f o r m b a s e do nl a b v i e w a b s t r a c t h a r d w a r e i n - l o o ps i m u l a t i o nt e c h n o l o g yi sc l o s et or e a le x p e r i m e n ti n s t r u m e n t sa n dl o w - c o s t ， i tw i l lb ea ni m p o r t a n tr e s e a r c hd i r e c t i o no fs i m u l a t i o nt e c h n o l o g yi nt h ef u t u r e 。l a b v i e wi sa p o w e r f u lg r a p h i c a lp r o g r a m m i n gs o f t w a r e ，c o m p a r e dw i t ht h et r a d i t i o n a lp r o g r a m m i n gs o f t w a r e ， l a b v i e wi sm o r ee f f i c i e n ta n db e t t e r s u p p o r th a r d w a r e t h i ss o f t w a r ei sw i d e l yu s e di n m e a s u r e m e n ta n dc o n t r o la r e a sa n dw i l lb eo n eo ft h em o s tp r o m i s i n gs o f t w a r e t h i sp a p e rb a s e d o nl a b v i e ws o f t w a r ea n dt h j - 2 t y p ep r o c e s sc o n t r o le c o n t r o le x p e r i m e n t a lp l a t f o r mw h i c hc a nb eu s e df o rb o t h t h i sp a p e rc o m p l e t e dt h ef o l l o w i n gw o r k ： x p e n m d i g i t a l e n t a ld e v i c ed e v e l o p e dap r o c e s s s i m u l a t i o na n dr e a l t i m ec o n t r o l ， 1 u s i n gl a b o r a t o r yt h j 2 - t y p ep r o c e s sc o n t r o ld e v i c ec o n s t r u c t e de x p e r i m e n t a lp l a t f o r m h a r d w a r e a s1 7 0 0 0i n t e l l i g e n tm o d u l ea r en o n - n ip r o d u c t ，l a b v i e ws o f t w a r ed o e sn o tp r o v i d e d r i v e r s t h i sp a p e rc o m p l e t e dal a b v i e ws o f t w a r es y s t e ma n d1 7 0 0 0d e v i c ec o m m u n i c a t i o n s m o d u l ed e s i g n 2 s y s t e ms o f t w a r ei sd i v i d e di n t ov a r i o u sf u n c t i o n a lm o d u l e s ，i n c l u d i n gs t o r a g em o d u l e ， p a r a m e t e rs e t t i n gm o d u l e ，t h el o g i nm o d u l e ，h e l pm o d u l e sa n ds o0 1 1 3 s o m ee x p e r i m e n t sw e r ed e s i g n e di nt h i se x p e r i m e n t a lp l a t f o r m ，s u c ha st e s to ft h ew a t e r t a n kf e a t u r e s ，c o n v e n t i o n a lp i dc o n t r o le x p e r i m e n t ，c a s c a d ec o n t r o l ，f u z z yc o n t r o la n do t h e r e x p e r i m e n t s e a c he x p e r i m e n t i s c o m p o s e db yr e a l - t i m ec o n t r o le x p e r i m e n ta n ds i m u l a t i o n e x p e r i m e n t u s e r sd on o th a v et ou s eo t h e rs o f t w a r e ，a n ds i m u l a t i o nc a ne n a b l eu s e r st oq u i c k l y m a s t e rt h ee x p e r i m e n t r e a l t i m ee x p e r i m e n tp r o m o t eu n d e r s t a n d i n go ft h ee x p e r i m e n to fu s e r s t h ee x p e r i m e n tp l a t f o r mi so p e na n dh a sag o o di n t e r f a c e i tp r o v i d e st h es i m u l a t i o na n dt h e r e a l - t i m ec o n t r o le x p e r i m e n te n v i r o n m e n tf o rc o u r s e so f ”a u t o m a t i cc o n t r o lt h e o r y ”a n d ”p r o c e s s c o n t r o ls y s t e m ”a n ds oo n a tt h es a m et i m ei tc a nb eas u i t a b l eh a r d w a r ei n t h e - l o o pe x p e r i m e n t a l p l a t f o r mf o ra d v a n c e dc o n t r o lt h e o r y sr e s e a r c h k e y w o r d s s i m u l a t i o n p r o c e s sc o n t r o le x p e r i m e n t a lp l a t f o r ml a b v i e wr e a l t i m e c o n t r o l 表格清单 2 17 0 1 7 参数1 0 2 27 0 2 4 参数1 0 2 37 0 3 3 参数1 1 3 1 传统仪器与虚拟仪器的比较1 3 3 2w 7 0 0 0 数组定义字2 0 3 3 错误代码清单一2 1 4 1 模糊控制规则表4 0 4 2 必。控制规则表4 4 4 3a k i 控制规则表4 4 4 4a k n 控制规则表4 5 表表表表表表表表表表 插图清单 1s i s o 控制系统图2 2 系统过渡过程性能图3 1 实验平台总体结构原理图7 2 实验平台总体结构：8 1 典型v i 示意图1 4 2 正弦信号发生器前面板1 5 3 正弦信号发生器框图1 5 4 系统软件功能模块结构1 6 5 库与可执行程序面板1 7 6c l f 控件参数设置界面1 8 7 串口初始化框图1 9 87 0 17 模块主要程序框图2 0 9 调用a n a l o g o u t ( ) 函数主要程序框图2 1 1 0 数据存储模块程序框图2 4 1 1 q u i c k c h m 软件界面2 4 1 2 调用帮助文件的程序框图2 5 1 3 打开的帮助文件2 5 1 4 参数设置模块2 6 1 5 采样时间设定的程序框图2 6 1 实验平台的登录界面2 7 2 实验平台的登录界面程序框图2 8 3 实时系统原理图2 9 4 单容水箱阶跃响应曲线3 0 5 双容水箱阶跃响应曲线一3 1 6 水箱特性测试实时实验界面3 1 7 模拟p i d 控制系统的原理框图3 2 8p i d v i 3 z i 9 水箱液位p i d 实时控制实验界面3 4 1 0p i d 实时控制实验程序框图3 5 l l 模糊控制器的基本结构3 6 1 2 三角形隶属度函数分布3 6 1 3 等分三角形隶属度函数3 7 1 4t e s tf u z z yc o n t r 0 1 v i 界面4 0 1 5f u z z yh o g i cc o n t r o l1 e rd e s i g n 界面一4 1 1 6 隶属度函数编辑界面4 1 l l乙乙文文文文文文孔文文n奠文文文文钆乱乱乱乱乱乱乱乱乱乱乱乱钆乱乱 图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图 1 7r u l e b a s ee d i t o r 工具模糊规则编辑界面4 2 1 8 液位模糊实时控制界面4 3 1 9 模糊p i d 控制器结构4 3 2 0 模糊实时控制界面4 5 2 1 单容水箱结构4 6 2 2 水箱模型程序框图4 7 2 3 水箱特性测试仿真实验界面4 8 2 4 模型设置界面4 8 2 5 水箱液位p i d 仿真控制实验界面4 9 2 6 水箱液位p i d 控制仿真曲线对比一5 0 2 7 模糊控制仿真操作界面5 0 2 8 中下水箱出水阀开度为3 2 和2 8 时响应曲线5 1 2 9 中下水箱出水阀开度为6 0 和2 0 时响应曲线5 1 乱乱乱乱钆乱乱乱钆乱乱乱乱 图图图图图图图图图图图图图 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得金月曼王些厶堂 或其 他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做 的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名： 尹7 l 呼。 签字日期：2 0 1o g 丫月l 7 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解佥日垦王些太堂 有关保留、使用学位论文的规 定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被 查阅和借阅。本人授权金月曼王些盍堂 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、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学 位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：牙 夕 签字同期：2 0 1 0 年阳卵日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 诵讯地匀e ： 一缸 _ ， 导师签名： 签字日期：上d p 年p 唧日 电话： 邮编： 致谢 在论文完成之际，首先向我的导师方敏教授致以衷心的感谢。从进实验室 以来，我始终得到方老师的悉心关怀和指导。方老师不但从各方面关心学生， 更以渊博的知识，严谨的治学态度，认真的工作作风，向我展示了一位师长的 可敬风范。从她那里，我不仅学到了宝贵的知识，学到了实际工作的许多技巧， 还学到了很多为人处世的道理，这些将使我终身受益。同时，也对实验室的秦 剑老师表示感谓j _ ，感谢他为我的论文提出的宝贵意见。 感谢实验室的刘震、罗来豹、喻海军、程良燕同学，与他们建立的良好的 学习氛围、愉快的合作经历，给我留下了美好的记忆。感谢丁康、张明、任文 娟、吴镇宇几位师弟师妹，祝他们学业有成。 在此也深深的感谢我的父母，他们一直默默的在身后对我的研究工作和论 文写作给予莫大的支持和鼓励。 作者：尹一鸣 2 0 1 0 年4 月 第一章绪论 1 1 引言 实验是将理论知识和实践结合的过程，实验巩固和加深了对理论的理解， 提高学习效率和效果，增强学生的工程实践意识和能力。实验是教学中必不可 少的环节，尤其在工科院校，实验的价值和意义更为重大。实验不仅能够提升 学生的分析问题解决问题的能力，更重要的是实验可以培养学生的创新能力和 创新意识。过程控制是控制理论与工业过程设备，自动化仪表以及计算机工具 相结合的工程应用科学。过程控制在工业生产中有大量的应用，直接和人们的 生产生活息息相关。过程控制是一门紧密结合生产实际的工程技术性课程，实 验对这门课程的重要性和必要性是不言而喻的。过程控制实验使学生对控制 理论和过程控制有深刻的认识，把握过程控制系统的特征，了解工业中常用传 感器的工作原理和特性，理解整个系统的工作过程，提高解决工程实际问题的 能力嘲。 过程控制技术是不断发展的学科，而以往的实验室过程控制实验装置，开 放性差，实验陈旧，没有提供仿真功能，难以满足现在过程控制实验的要求。 本文的目的是设计一个硬件在环实验平台，不仅提供开放的实验环境，同时还 提供仿真功能，让使用者在实验之前能对实验有直观感性的认识，可以快速的 掌握实验要领，更好的完成实验。实验平台不仅可以供自动控制和过程控制教 学使用，也可以方便用户进行硬件在环仿真和测试，对控制算法进行验证。 1 2 过程控制系统概况 1 2 1 过程控制的发展 自动控制是指不需要人的直接参与，而是通过计算机直接控制生产设备和 装置，使其工作状态按照预先设计的轨迹发展的过程，称为自动控制1 。在工 业生产中，以物质和能量相互作用过程中的参数为被控量的自动控制系统称为 过程控制系统。即在生产中，在无人参与条件下，控制系统中物质或能量参数， 使其按照预先设定轨迹发展的控制系统，称为过程控制系统。过程控制系统发 展分为以下几个阶段： 上世纪5 0 年代出现的基地式仪表控制系统，该系统通采用简单的仪表控制 单个独立设备，控制系统间缺少联系，不能协调处理解决问题，多是采用p i d 控制策略的定值控制。 到6 0 年代由于生产设备的复杂化和生产过程对工艺要求的提高，早期的控 制系统由于体积大，不便于安装，同时控制系统分散，不便于操作人员观察， 不适合大型和复杂设备的需求。在这种情况下出现了单元组合式仪表控制系统。 该系统根据功能分解成各个仪表单元，对各单元进行集中控制。这种模式解决 了早期系统不能集中管理的缺陷，这种模式一直延续使用3 0 多年，至今仍然在 使用。 到7 0 年代由于生产过程中对控制系统多样性和控制精度的要求，出现了计 算机控制系统。计算机控制系统又分为直接数字控制( d d c ) 阶段和集散控制系统 ( d c s ) 阶段。直接数字控制与常规模拟控制结构相似，但是由于使用了计算机系 统，不仅使得系统小巧轻便，操作便利，同时还可以实现多任务的处理和控制。 而集散控制系统是多微处理器分级系统，将控制系统分散，可以避免集中控制 系统中，部分系统出现故障而导致的整个系统瘫痪的问题。同时该系统在控制 策略的应用上也有所提高，不仅可以实现简单的p i d 控制，还能实现解耦等控制 方法。 8 0 年代末期以后出现了现场总线网络控制系统( f c s ) 。该系统是以现场总线 为标准，以微处理器为基础的，是一个全数字化、双向和多站通信控制系统。 与以往的系统相比较，f c s 系统更加的开放，打破了集散系统结构，将控制权完 全的交给底层网络。但是f c s 系统的标准有1 3 个之多，非常的繁杂，影响了该技 术的发展，f c s 系统必然朝着统一融合的方向发展。 随着科技的发展，不仅过程装置得到了迅速的发展，控制策略也受到普遍 关注和发展h 1 。 1 2 2 自动控制系统的结构和性能要求 自动控制系统最简单的形式如图1 1 所示，其突出特点是系统只有一个输 入和一个输出量，因为输入量和输出量单一，所以易于分析和控制。这种简单 结构系统使用一直延续至今，仍然大量出现在使用的各种控制系统中。 测量值 图1 1s i s o 控制系统图 被控变量 对于系统性能的分析，主要从系统的稳定性、准确性和快速性方面进行。 通过测试系统对典型信号的响应分析其特性，在生产活动中，阶跃信号是最为 典型和具有代表性的，因此，通常以系统的阶跃响应作为判断其性能的指标， 其系统过渡过程性能如图1 2 所示。主要指标有峰值时间、衰减比、调整时间、 最大超调量等。 2 最大超调量o r ：过渡过程中第一次波峰值与给定值的偏差。 仃：y ( t p ) - y ( o o ) 1 0 0 仃= 一l u u y ( o o ) 峰值时间t 。：过渡过程第一次到达波峰的时间。 调整时间t s ：输出与其对应的输入的终值之间的偏差到达容许范围所经历 的时间。 衰减比7 7 ：衰减比是过渡过程中相邻的两个波峰值之比哺1 。 八 一：垡 ， 一丁一2 图1 2 系统过渡过程性能图 1 2 3 过程控制的特点 过程控制属于自动控制的范畴，所以它必然符合自动控制的基本特征和特 性。但是过程控制的被控对象又不同于其他类别的自动控制系统，它具有一些 特有的特性。过程控制系统特点可以归结为以下三点： 1 被控对象多样性。过程控制涉及的行业广，牵涉到人们生活的各个方面， 例如食品加工、石油化工工和污水处理等，且各个行业差异性较大，要求也各 不相同，这就造成了过程控制对象庞杂，形式多样。 2 控制对象多具有时滞现象。过程控制是对生产过程的控制，本身就具有 缓慢的特性，且随着过程控制系统的日益复杂化和大型化，使得时滞现象更为 显著。因此，过程控制过程往往较为复杂。 3 控制方法的多样性。由于对时滞性问题解决具有重要的实际意义，吸引 了大量的科研人员的参与，经过几十年的研究，提出了大量的解决方法和理论。 同时由于被控对象涉及面较广，对象的要求也不尽相同，决定了解决方案也是 千差万别的1 1 3 过程控制中的时滞现象及控制策略发展 时滞现象是指客观事物要经过一段时间的滞后才能对受到的作用产生反应 的现象。在控制系统中表现为系统对加入的控制量或扰动，要经过一段时间的 滞后才能在输出量上得到反应，控制量或扰动不能被及时反应的现象 3 。这种 现象使得系统控制品质下降，稳定性变差。但是该现象存在于工业生产过程的 各个行业中，如长距离的石油管道输送，化工厂污水处理，酿酒发酵过程控制 等隅。，与人们生活息息相关。随着工业设备和系统的复杂化和大型化，系统的 时滞现象更为显著。因此，对时滞问题的研究，有重要的现实意义和价值。经 过几十年的研究和发展，很多解决时滞问题的理论和方法被提出。主要可以分 为3 类：经典控制法、现代控制法以及智能控制法。 1 3 1 经典控制 1 p i d 控制 p i d 控制是利用设定值与过程变量差值的比例、积分和微分系数对系统进行 控制的一种手段。该控制方法经过几十年的工业实践验证，在经验丰富的工程 技术人员的参数整定后，在大部分场合都能取得令人满意的控制效果阳1 。由于 其控制效果较好，结构简单，在现在的设备和装置中仍然被大量的使用。p i d 控制器必须在整定参数后，才能投入使用，并且参数的设置对控制器的性能起 到了决定性的作用，参数设置不好难以取得好的控制效果，甚至会导致系统的 不稳定。参数整定分为离线和在线整定两类。离线法通过对被控对象的模型计 算得出各个参数，由于模型的获取比较困难，该方法的使用难度较大。在线法 通过现场工程技术人员的经验和试凑法获得参数，由于是在线整定，不仅在实 现上比较简单，效果也要好于离线法。因此，在实际的使用中都以在线整定方 法为主，由于过程控制不同于运动控制，其效果显示较慢，所以该整定方法， 需要经验丰富的现场工作人员来操作，且整定过程耗时较多。现在出现的p i d 自整定控制器，参数不需要用户整定，因此得到了用户的青睐和选择。在多数 系统中，p i d 控制器都有良好的表现，但是当系统的时滞特征比较明显时，p i d 控制器很难取得令人满意的效果。近年来，对p i d 的复合控制得到的普遍的关注 和尝试，也取得了良好的效果。 2 s m i t h 预估控制 由于在时滞系统中，p i d 控制的失效，上世纪5 0 年代末瑞典人s m i t h 提出了 s m it h 预估控制。该方法是通过构造的函数减弱或消除系统的时滞特性，使系统 较易控制，这种方法在早期的设备使用中，得到了较好的实现，能明显的提高 时滞系统的可控性。但是该方法对系统的模型要求较高，随着系统的复杂性的 增加，这种要求越来越难以实现，而当模型与实际差别较大时，控制效果较差， 使得这种方法应用受到了极大的约束n0 。但是对s m it h 预估控制的研究并没有 停止，仍然有不少改进的方法被提出和研究。 3 d a h l i n 控制 d a h l i n 控制是上世纪6 0 年代由d a h l i n 提出的与s m it h 预估器等价的用于解决 系统时滞特性的有效控制方法。具有结构简单、鲁棒性强等优点，但容易产生 4 振铃现象，且和s m it h 预估控制一样，对模型要求高，并没有得到大量的应用1 1 2 】 o 1 3 2 现代控制 1 内模控制 上世纪8 0 年代提出的新型控制理论，该控制方法对模型要求不高，可以实 时参数调整，抑制干扰能力强，可以很好的解决时滞问题。内模控制是预测控 制的理论基础，也为其他控制方法提供了新的思路。内模控制难以解决非线性 问题和系统参数突变的问题，而使其使用受到限制，但是其结构设计简单，与 其他控制手段有良好的结合性n 3 1 。 2 预测控制 预测控制是将系统的历史信息作为依据，决定系统的输入量，判断系统的 输出变化的控制方法。预测控制以系统的响应曲线作为依据，摆脱了系统建模 的复杂过程，降低对模型的要求，因而有良好的发展前景。常用的预测控制方 法种类较多，例如模型算法控制( m a c ) ；动态矩阵控制( d m c ) ；广义预测控 制( g p c ) ；广义预测极点( g p p ) 控制等。但是不管采用何种方法，预测控制 都有三个必不可少的步骤：模型预测、滚动优化和反馈校正。由于预测控制可 以预测系统未来的输出，因而可以作为克服时滞问题良好手段n 4 【。 3 自适应控制 自适应控制是通过测量系统输入输出信息，实时地掌握被控对象和系统误 差的动态特性，根据其变化情况及时调节控制量，使系统控制性能维持最优。 自适应控制具有三个特征：( 1 ) 检测被控对象和系统的变化，实时掌握变化信息， 以降低不确定性带来的风险。( 2 ) 及时调整控制器，使控制量的变化自动适应对 象的变化或减小误差。( 3 ) 维持控制性能最优或者次优。自适应在滞后中的实 现常常是和其他方法结合使用的。虽然在时变系统中具有良好的效果，但是由 于它依赖对象的数学模型，所以实际应用中存在许多制约n 8 1 73 。 1 3 3 智能控制 1 模糊控制 模糊控制的思想就是将人对系统的控制经验设计成控制器的形式，模拟人 对系统进行控制。是上世纪6 0 年代由美国人z a d e h 提出n8 1 ，由于人对设备的操 作完全依靠经验和感觉，不需要了解其模型，所以用这种方式设计出的控制器， 也不需要模型，其控制效果由设计的控制规则决定。模糊控制对系统结构的变 化和干扰敏感性较弱，鲁棒性强，非常适合非线性和时滞系统。但是作为独立 的控制器时，模糊控制存在稳态误差，且精度不高，因此模糊控制多见于复合 控制应用9 1 。 2 神经网络控制 神经网络控制是上世纪8 0 年代以来，由于人工神经网络( a n n ，a r t i f ici a l n e u r a ln e t w o r k s ) 研究与控制理论相结合，而发展起来的自动控制领域的前沿 学科之一乜叫阻。神经网络不需要系统模型，而是通过输入输出样本的训练，完 成对系统的动态特性的逼近，很适合时滞系统的控制。但是神经网络控制对训 练要求较高，学习收敛速度慢，计算量大。 综上所述，各种控制方法都有各自的特点，经典控制方法简单，实现起来 相对较容易，因此在工业过程控制领域使用依然很广泛，但是其精度不高，抗 干扰性较差。智能控制不需要模型，鲁棒性和抗干扰性强，但是由于实现起来 较为复杂，在工业领域没有得到广泛的应用。但是现在还没有一种控制方法可 以完美的解决时滞系统的问题。将各种理论优势相结合的方法，j 下在被广泛的 研究，用于解决时滞问题。随着计算机科技的发展，和各种理论的成熟，复合 控制将会得到越来越广泛的应用。 1 4 本文研究主要内容 本文的主要工作是建立一个基于l a b v i e w 过程控制实验平台。实验平台的硬 件部分采用了实验室已有的t h j - 2 型过程控制实验设备，由于l a b v i e w 高效的编 程方式，对硬件良好的支持，是未来工程应用软件发展的方向，所以系统的上 位机采用l a b v i e w 软件进行设计。该实验平台可以提供仿真或实时的过程控制实 验。实验平台不仅提供传统过程控制实验和智能控制实验供学生教学使用。还 可以让用户进行硬件在环仿真和测试，对控制算法进行验证。 本文结构和各章的详细内容如下： 第一章绪论部分介绍了过程控制概况以及时滞系统的特点和常用的控制手 段，并对本文的工作内容加以简单的陈述。 第二章介绍了实验平台控制系统的硬件组成。 第三章先介绍了虚拟仪器的概念、优点以及与传统仪器的区别。由于实验 平台硬件采用的是非n i 公司的产品，所以需要设计上位机和下位的通信模块。 介绍了使用l a b v i e w 软件设计数据通讯模块的方法。然后介绍了实验平台框架结 构的设计，以及各子模块的设计。 第四章介绍了实验平台仿真实验和实时实验设计过程。实验包括单回路p i d 控制，串级控制，模糊控制等多个实验。详细介绍了设计的思路、方法和过程。 第五章总结了本文的主要工作，以及进一步的研究方向。 6 第二章实验平台系统的构成 本文设计的目的是提供一个开放性较好，可同时提供仿真和实时控制的实 验平台。本文利用了实验室已有的资源进行开发和设计，提高了实验室资源的 利用率，降低了设备成本投入。 2 1 实验平台的总体结构 本文使用的硬件系统为天煌公司开发生产的t h j 一2 型高级过程控制实验装 置，系统的软件部分采用l a b v i e w 软件设计。系统总体结构原理图如图2 l 所 示。 i o 接口 过程装置 图2 1 实验平台总体结构原理图 t h j 2 型实验装置由被控对象、检测装置、执行机构以及接口模块组成。其 结构如图2 2 所示。 2 2 1 被控对象 被控对象由三容水箱和锅炉系统组成。水箱由上中下三个水箱构成。上水 箱和中水箱底面直径为2 5 厘米，高度为2 0 厘米；下水箱底面直径为3 5 厘米，高度 为2 0 厘米。三个水箱可以由阀门控制组合一阶、二阶和三阶被控对象。锅炉由 7 加热层和冷却层组成。冷却层可以通过循环水加快加热层的热量散发，使加热 层快速降温。 图22 实验平台总体结构 实验平台的3 个水箱都装配了独立的压力传感器，通过压力传感器来获取水 箱液位高度信息。通过各个阀门的开关组合，可以组成一阶、二阶和三阶系统。 如图22 中所示，f 卜6 ，f 1 7 ，p 卜8 是进水阀门，阀门只有开关两个状态，控制进 水或者阻断水流进入在实验过程中，通常只能打开其中一个阀门。而 f i 一9 f 1 1 0 ，f i 一1 1 三个调节阀可以调节开度大小，通过开度的调节，可以影响 每个水箱的流出量，从而改变被控对象的模型。 222 检测装置 平台中使用的检测装置包括压力传感器、流量传感器和温度传感器。压力 传感器采用工业现场常用的b p 8 0 0 型压力变送器，b p s 0 0 型传感器可以对传感 器温度漂进行跟随补偿。压力传感器用于检测三个水箱的液位产生的压力值， 其量程为0 判5 千帕，可在_ 2 5 度到8 5 度的环境中正常工作，工作电压为2 4 v 直 流电，功耗小于1 w ，精度为0 5 级。温度传感器为六个p t l 0 0 传感器，分布在上 水箱出口、锅炉内胆、锅炉夹套等部位，用以检测这些部位的温度。p t l 0 0 温度 变送器将温度信号转换成4 到2 0 m a 的电流信号。p t l 0 0 传感器有较高的精度和热 补偿性。流量传感器使用了l w g y 1 0 的涡轮流量计，用于检测电动调节阀、变 频器及盘管出口三个支路的流量值。其流量检测范围是o n l 2 _ i f _ 方米每小时， 精度为1 0 ，输出为4 n 2 0 m a 电流信号。 2 2 3 执行机构 执行机构包括电动调节阀、变频器、可移相s c r 调压装置以及水泵。电动 调节阀型号为：q s v p 1 6 k 。其控制信号可以是电流信号，也可以使用电压信 号。采用电流控制时，输入为4 到2 0 m a 电流信号，采用电压控制时，输入为1 到5 v 电压信号。电动调节阀通过4 到2 0 m a 电流信号，反馈给用户当前阀门所 处的位置。 变频器采用日本三菱( f r $ 5 2 0 s 0 4 k c h ( r ) ) 变频器，变频器可以采用手动 控制和外部信号控制两种方式。采用外部信号控制时，输入控制信号为4 到2 0 m a 电流或0 到5 v 电压，输出值为交流2 2 0 v 电压值，用来驱动三相磁力驱动泵。 实验平台采用的磁力驱动泵型号为1 6 c q 8 p ，流量为1 9 2 0 升每小时，扬程 为8 米，功率为1 8 0 w 。实验平台使用了两只磁力驱动泵，一只采用三相3 8 0 v 交流电驱动，与电动调节阀组成一个支路，通过电动调节阀控制管道中的水流。 另一只采用变频器驱动，由变频器输出频率控制水泵转速，控制管道中水流。 可移相s c r 调压装置采用的是可控硅移相触发装置，输入控制信号为4 到 2 0 m a 电流信号。输出电压用来控制加热器，控制锅炉温度。 2 2 4 接口模块 由于传感器输出信号和执行机构的输入信号都是模拟量值，而计算机处理 的是数字信号，所以需要a d 和d a 转换器将数字信号和模拟信号相互转换。 实验平台的a d 和d a 转换模块采用了台湾泓格公司生产的1 7 0 0 0 系列智能数 据采集模块中的i c p 7 0 1 7 7 0 3 3 模块和i c p 7 0 2 4 模块。其中，i c p 7 0 17 模拟量输 入模块用于采集水箱的液位和流量信息：i c p 7 0 2 4 模拟量输出模块用于将输出 信号传递至电动调节阀、变频器以及加热控制器中；i c p 7 0 3 3 模拟量输入模块 用于采集温度信息心2 1 。 i c p 一7 0 1 7 模拟量输入模块提供了8 个模拟量输入通道，模拟量送入a d 通 道后，转换为数字信号并将其与模拟量输入通道号对应，等待计算机查询。当 p c 机通过串口向i c p 一7 0 1 7 发送采集信息指令后，i c p - 7 0 1 7 将采集的信息传送 到计算机中。其主要技术参数如表2 1 ： 表2 i7 0 1 7 参数 序号名称参数 l 通道数8 路 2 分辨率1 6 位 3 输入信号类型m v 。v 1 5 0 m y ，5 0 0 m y ，i v ， 4 输入范围 5 v ，l o v 和2 0 m a 5 采样速率 l o 次秒 6 带宽 1 5 7h z 7 精度 0 1 8 零点漂移 2 0 划 9 满程量漂移 2 5 p p m 1 0 输出阻抗 2 0 mq 1 1 过电压保护 3 5 v 1 2 隔离3 0 0 0 vd c 1 3 过电压保护2 4 0 v r m i c p 一7 0 2 4 拟量输出模块，7 0 2 4 模块接收计算机传送的控制信号，将其转化 为模拟信号并输出，控制执行机构。其主要技术参数如表2 2 ： 表2 27 0 2 4 参数 序号名称参数 l 通道 4 2输出类型 m a ，v 3输出范围 0 2 0 m a ，4 2 0 m a ， 0 5 v ，+ - 5 v ，0 lo v ，+ - 1o v 4 分辨率14 位 5 精度0 1 满量程 7温度系数 2 0 p p m 。c 8 输出转换 0 1 2 5 2 0 4 8m a 秒，0 0 6 2 5 1 0 2 4v 斜率秒 l o 9 电流外接2 4 v 电源 1 0 负载电阻 10 5 0q 11 功耗 2 4 w 7 0 3 3 是3 通道r t d 输入模块，将热电阻输送的模拟量转换为数字信 号。其主要技术参数如表2 3 ： 表2 37 0 3 3 参数 序号名称参数 1 通道数 3 2 输入类型 p t ，n i 3 采样速率l o 次秒 4 带宽 4h z 5 线接头2 3 4 线 6 精度+ - 0 1 7 零点漂移吣5 蛐 o c 8 满量程漂移 1 0 “v 9 功耗 2 2 w 1 0 光电隔离 3 7 5 0 v r m s 由于实验平台计算机的串行通信接口是r s - 2 3 2 接口，而智能数据采集模块 使用的是r s - 4 8 5 接口，所以需要在计算机串口和智能数据采集模块之间连接一 个r s 一2 3 2 r s 一4 8 5 无源转换器。 第三章系统软件模块设计 系统软件部分采用l a b v i e w 软件设计，l a b v i e w 采用g 语言图形化的编程方 式，简单易用，将繁琐复杂的文本编程方式简化成为图标连线的方式，可以节 省大量的时间。与传统的文本编程方式比较，例如与使用最为广泛的c 语言相比， l a b v i e w 可以节省6 8 的开发时间，其运行速度却只l b c 语言低8 左右，l a b v i e w 开发时间短，使用效率高，因此得到了广泛的应用。 本章对虚拟仪器技术进行了概述，并使用l a b v i e w 软件设计了过程控制实验 平台的软件部分，包括系统的通信模块、存储模块、帮助文件模块等部分。 3 1 虚拟仪器介绍 3 1 1 虚拟仪器的概念 传统仪器多由信号采集模块、信号分析和处理模块，以及信号输出显示模 块几个部分模块组成。传统仪器主要是通过硬件的方式实现信号的采集处理等 功能，其功能被固化，当需要增加新的功能时，只能购买新的设备代替，设备 的重复使用率较低，在技术快速发展的今天，用户对仪器设备的要求不断的更 新，使用传统仪器成本大大的增加。在这种情况下产生了虚拟仪器的概念。虚 拟仪器( v i r t u a li m m m e n t ，简称v i ) 采用一种全新的理念，将计算机技术与仪 器技术深入结合，用软件实现硬件功能，用软件替代部分硬件，完成传统仪器 的功能。在虚拟仪器中，用户自行设计虚拟操作面板和功能，不仅可以满足用 户的个性化需求，同时可以通过改变系统的软件，再辅助更新部分硬件设备， 完成仪器设备的升级更新，这大大降低了设备成本，提高的设备仪器的利用率， 满足了用户的不同需求。虚拟仪器的这些特性使得虚拟仪器受到了越来越多的 关注和应用，随着计算机技术的发展，虚拟仪器也在快速的发展，不断的提高 其性能，使用范围也在日益的扩大，渗透到各个行业乜引。 3 1 2 虚拟仪器的特点 虚拟仪器强调的是“软件构成仪器”的概念，硬件主要用于信号的采集和 输出，软件是整个仪器的核心，用户可以根据自己需要采用相应的硬件，再设 计相应的软件实现仪器的功能。通过修改软件的方法，达到修改、增减仪器功 能的目的，并可方便地同其它设备通讯和连接。虚拟仪器的软件可以使用通用 的文本编程软件，如v c + + 、j a v a 等软件，但更为方便的是使用专用的虚拟仪器 软件，如n i 公司的l a b v i e w 、l a b w i n d o w s c v i ，h e w l e t t - p a c k a r d 公司的v e e 等软 件，其中使用最为广泛的就是l a b v i e w 软件心引。 虚拟仪器的硬件采用了通用计算机和配套的硬件板卡等，通过计算机硬件 板卡等信号采集设备组成测量平台。用户使用计算机输出设备操作显示器上的 1 2 虚拟图形控制界面。测量硬件负责采集信号，将其转换为相应的数字信号，再 经过用户设计的软件程序处理，得到测试结果，最后以曲线、图表的形式在计 算机上显示。传统仪器与虚拟仪器的比较如表3 1 所示： 表3 1 传统仪器与虚拟仪器的比较 传统仪器虚拟仪器 仪器厂商定义用户自己定义 硬件是关键软件是关键 仪器的功能、规模已固定系统功能和规模可通过软件修改 和增减 封闭的系统、与其他设备连接基于计算机的开放系统，可方便 受限地同外设、网络及其他应用连接 多为实验室拥有个人可以拥有一个实验室 技术更新慢技术更新快 开发和维护费用高节省开发和维护费用 价格昂贵价格低，可重复利用 3 2l a b v i e w 介绍 3 2 1l a