基于A3000的“過程控制系統”教學方法探索

摘要：過程控制系統是自動化專業的一門重要專業課，其理論性和實踐性很強。在過程控制系統的理論教學和實踐教學過程中，以A3000過程控制仿真平臺為基礎，建立過程控制系統的仿真模型，使學生更好地掌握課程的應用理論和工程技術，實踐表明此措施可取得較好的教學效果。

關鍵詞：過程控制系統；A3000；教學改革

作者簡介：商志根（1979-），男，江蘇鹽城人，鹽城工學院電氣工程學院，講師。（江蘇 鹽城 224051）

中圖分類號：G642.0 文獻標識碼：A 文章編號：1007-0079（2013）32-0095-02

“過程控制系統”是自動化專業的重要課程，其先修課程包括自動控制原理、傳感器及檢測技術、可編程控制器等，在專業培養方案中起加強學生專業知識學習的作用。[1]“過程控制系統”作為一門綜合性很強的課程，學生通過對該課程的學習，掌握過程控制系統的基本概念、基本組成環節和基本控制規律及自動控制系統中調節器的工程設計方法，應對控制理論在實際過程控制系統的運行和設計中的應用有較全面的認識了解，培養學生利用過程控制課程所學知識，從事電力、冶金石化、輕紡及其它工業企業生產過程自動化裝置的研究、設計和開發的能力。如果課程教學僅以理論推導和證明為主，不與實際對象聯系，會使學生出現厭學情緒。針對上述問題，結合筆者的教學體會，利用A3000仿真平臺完成專家PID控制算法設計、[2]預測控制算法[3]等，擴寬學生的理論深度，激發學生的學習興趣。在課堂上講解復雜控制原理，豐富學生知識，鼓勵學生通過實驗來驗證算法的效果。

一、A3000的應用實例

A3000過程控制系統仿真平臺總體物理系統如圖1所示（控制系統有30多種，現場系統具有現場總線）。在此平臺上，學生可完成單閉環流量控制、單容和雙容液位定制控制、鍋爐水溫定值控制等簡單實驗，也可完成閉環雙水箱液位串級控制、專家PID液位控制、管道壓力和流量解耦控制等復雜實驗。A3000過程控制系統可幫助學生熟悉過程控制對象。

1.實例要求

以基于可編程控制器（PLC）和變頻器的下水箱液位控制為例，在已利用組態王建立下水箱液位控制工程的基礎上，引導學生在組態王的應用程序命令語言中實現專家PID控制，即依據誤差和誤差的變化趨勢實時改變PID的三個參數。此實例的難度在于變頻器使用、PLC程序編程和專家PID規則的實現。

所用到的變頻器為三菱變頻器，它具有幾種不同的工作模式，它可以實現對電機的啟停以及調速控制。而控制變頻器的是PLC，系統中所使用的是S7-200系列PLC具體型號為S7-200 CPU222N。PLC的主要工作是完成數據采集并控制變頻器，從而控制電機的運行。對PLC進行編程的軟件為STEP7 Micro/WIN，該軟件可直接在計算機上使用。

2.組態王與PID

組態軟件選擇組態王（Kingview），以此在計算機上實時顯示運行參數。組態王是一個具有開放、易用等特征的通用組態軟件。使用組態王，學生可將注意力集中在控制對象的分析。在課時數有限的情況下，組態王使得學生實現更復雜的控制算法成為可能。

可編程控制器和變頻器的相關知識都已通過過程控制系統的先修課程掌握，學生可快速完成編寫PLC的PID控制算法程序。

在組態王中編寫應用程序之前，需使用臨界比例度法進行PID參數整定，并得到PID的三個參數為：Kp=20、TI=17、TD=4。普通PID控制器的運行結果如圖2所示。

3.專家PID及其運行

對實時改變PID參數的專家經驗不做過多介紹，僅以其中一條規則做詳細說明。當且時，其中表示離散化的當前采樣時刻的誤差值；和分別表示上個和上上個時刻采樣的誤差值，說明此時誤差處于極值狀態，并將此條件再分為兩種情況：若，也就是誤差的絕對值比較大，要加強控制作用，PID的三個參數變為、、；若，也就是誤差的絕對值比較小，要減弱控制作用，PID的三個參數變為、、。

設計與此規則對應的組態王的應用程序命令，得到程序：

if （（＼＼本站點＼errk*＼＼本站點＼deltaerrk）<0 （＼＼本站點＼deltaerrk*＼＼本站點＼deltaerrk1）<0）

{if（Abs（ ＼＼本站點＼errk ）>15）

{＼＼本站點＼S7200P=20*1.2；

＼＼本站點＼S7200I=9999；

＼＼本站點＼S7200D=0；}

else

{＼＼本站點＼S7200P=20*0.8；

＼＼本站點＼S7200I=9999；

＼＼本站點＼S7200D=0；}}

學生可依據上述程序寫出整個專家PID控制的應用程序命令，通過A3000仿真平臺，得到專家PID控制的液位控制運行結果，如圖3所示。由圖2和圖3可知，與普通PID相比較，專家PID的控制更精確、更快速，在設計中采用專家PID控制可改善控制效果。在實現專家PID控制過程中，無需掌握被控對象的數學模型，只需實時計算誤差和誤差的變化趨勢。通過此例，學生可理解專家PID控制算法的原理，并掌握如何實現專家PID控制算法，可提高學生的理論分析能力和實踐能力。

二、A3000和MATLAB相結合的應用實例

在組態王的應用程序命令語言中，可實現簡單的編程，但對于復雜的控制算法，這種實現方式明顯運算能力不足。MATLAB是一個高精度的科學計算語言，運算能力強大，[4]可彌補組態王運算能力不足的缺點。利用MATLAB可方便實現矩陣運算等任務，可較為容易地實現復雜的控制算法。

1.實例要求

本實例要求學生在A3000過程控制實驗系統的基礎上，設計溫度預測控制系統。利用組態王、MATLAB等相關軟件的功能，建立起組態王與MATLAB之間的DDE通信，并將建立起的工程在A3000平臺上運行調試，從而完成溫度預測控制系統的設計。預測控制的算法有很多種，本實例采用預測控制算法中的動態矩陣控制方法。被控的鍋爐溫度即是一個漸近穩定的對象。預測控制具有多步測試、滾動優化和反饋校正等特征，這些優點使得預測控制在實際應用中能夠產生很好的控制效果和魯棒性，對于一些相對復雜的工業生產過程，預測控制也能起到比較理想的控制作用。掌握預測控制原理，可拓寬學生知識面，幫助學生熟悉過程控制的新技術。

MATLAB是一個優秀的數學軟件，其版本的不斷升級加強和完善了其強大的功能。在數值運算中，數值的穩定性和運算的可靠性要好于其他高級語言。許多在其他高級語言中復雜的編程問題在MATLAB語言編程中，有時只需一條專用的指令就可實現。許多MATLAB指令都以應用為目的設計出來的，從而使得面向對象的計算機程序思想變得很具體。對于自動化專業的學生，MATLAB是其必須掌握的仿真工具，控制系統仿真訓練等課程已使其掌握了MATLAB的基本應用能力。

因為使用的是動態矩陣控制方法，故預測控制的內部模型即溫度的階躍響應。因為學生利用MATLAB可以方便地實現矩陣等運算，并且通過工控機等相關課程的學習，對DDE通信的概念已較為熟悉，所以在學生理解動態矩陣控制算法的基礎上，讓學生編寫算法的MATLAB程序是可行的。

2.DDE通信與預測控制

在工業監控系統中，工控組態軟件通過驅動程序來從工業現場設備中采集數據，然后傳送給MATLAB進行復雜的運算處理，再將結果傳送到組態軟件，最后由組態軟件將數據輸出到工業現場設備上進行控制。組態軟件和MATLAB都可以作為服務器和客戶應用程序，這里MATLAB作為客戶應用程序，組態王充當MATLAB的服務器，同時作為設備驅動程序的客戶。當組態王采集的數據發生變化，希望直接傳給MATLAB進行處理時，雙方動態數據交換以熱鏈的方式完成。

在課堂上完成動態矩陣控制的相關原理的講解，并分析控制算法的MATLAB程序。在講解過程中，突出預測控制的三個基本特征：預測模型、滾動優化和優化控制與反饋。對于預測模型，使學生清楚一些非參數模型，諸如脈沖響應或者階躍響應之類，只要是屬于線性穩定的對象，通常也是能夠用來作為預測模型。對于滾動優化，要讓學生清楚優化性能指標在每一個采樣時刻只會涉及到未來的有限時間，當到達下一個采樣時刻的時候，這一優化時域同時也會向前推移。所以無論在哪一個時刻，預測控制都會有與此時刻相對應的優化功能指標。對于優化控制與反饋，讓學生明白在預測控制中，反饋不但沒有被拋棄，反而得到了更充分的運用。盡管預測控制得到的是全局次優解，但是其優化始終建立在實際的基礎上的，其控制效果可達到實際上的最優。

3.預測控制運行

學生需完成組態王界面制作、變量定義、動畫連接、MATLAB程序編寫等工作。組態王軟件負責從下位機采集數據與向上位機輸出數據，MATLAB負責后臺計算。結合組態王和MATLAB的長處使得動態矩陣控制算法便于應用到實際控制系統中。圖4為學生通過實驗得到的預測控制運行結果。雖然此實例有一定難度，但對于自動化專業的學生而言，本實例設計是可完成的，并且可激發學生的學習興趣。

三、結束語

在A3000控制系統仿真平臺的基礎上設計專家PID液位控制和溫度預測控制等復雜控制。在課程的理論教學中，講解復雜控制的相關原理，拓寬學生的知識面，提高學生在復雜控制方面的理論層次。在實踐教學中，要求學生實現復雜控制算法以驗證其優越性，并要求學生掌握復雜控制算法的多種實現方式，提高學生對過程控制系統課程的興趣，進而提高該課程的理論教學和實踐教學的質量。

參考文獻：

[1]邵裕森，戴先中.過程控制工程[M].第二版.北京：機械工業出版社，2011.

[2]劉金琨.智能控制[M].北京：電子工業出版社，2005.

[3]丁寶蒼.預測控制的理論與方法[M].北京：機械工業出版社，

2008.

[4]王永龍，張兆忠，張桂紅.MATLAB語言基礎與應用[M].北京：電子工業出版社，2010.