基于仿真參數(shù)的“過(guò)程控制”綜合性實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

朱笑花(閩南師范大學(xué)物理與信息工程學(xué)院，福建漳州 363000)

基于仿真參數(shù)的“過(guò)程控制”綜合性實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

朱笑花
(閩南師范大學(xué)物理與信息工程學(xué)院，福建漳州 363000)

“過(guò)程控制”是自動(dòng)化專業(yè)的主要專業(yè)課之一,具有專業(yè)性和實(shí)踐性較強(qiáng)的特點(diǎn)。課程不僅涉及許多控制理論知識(shí)，而且與工業(yè)生產(chǎn)實(shí)際緊密聯(lián)系。學(xué)生通過(guò)實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蚋玫乩斫夂蛻?yīng)用理論知識(shí)。筆者針對(duì)“過(guò)程控制”實(shí)驗(yàn)教學(xué)的現(xiàn)狀，設(shè)計(jì)一個(gè)集模糊PID參數(shù)自整定、傳統(tǒng)PID控制、DDE通信等技術(shù)為一體的綜合性實(shí)驗(yàn)，旨在提高學(xué)生的動(dòng)手能力和綜合應(yīng)用知識(shí)的能力，培養(yǎng)創(chuàng)新型人才。

過(guò)程控制；綜合性實(shí)驗(yàn)；參數(shù)整定

“過(guò)程控制”是自動(dòng)化專業(yè)學(xué)生的專業(yè)必修課之一。該課程具有實(shí)踐性、專業(yè)性、應(yīng)用性較強(qiáng)的特點(diǎn)，因此，實(shí)踐教學(xué)是很重要的環(huán)節(jié)之一[1]。目前，各大高校均采用大型過(guò)程控制實(shí)驗(yàn)裝置來(lái)開設(shè)實(shí)驗(yàn)。如筆者所在學(xué)校采用的是天煌教儀THJFCS-1型現(xiàn)場(chǎng)總線高級(jí)過(guò)程控制對(duì)象系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)裝置，開設(shè)的實(shí)驗(yàn)有被控對(duì)象特性實(shí)驗(yàn)、單回路控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)、串級(jí)控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)、比值控制、解耦控制等。但是存在兩個(gè)問(wèn)題：第一，實(shí)驗(yàn)很少涉及先進(jìn)的技術(shù)，例如模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制等，開設(shè)的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容落后于理論，沒(méi)有與時(shí)俱進(jìn)；第二，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，PLC控制器的PID參數(shù)整定不管是逐步逼近法、兩步整定法，還是一步整定法，通常只是根據(jù)工程整定公式進(jìn)行反復(fù)的試湊觀察，學(xué)生很難在規(guī)定時(shí)間里取得較滿意的控制參數(shù)，如在做雙容水箱液位串級(jí)控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)時(shí)，在兩個(gè)學(xué)時(shí)內(nèi)學(xué)生很難完成實(shí)驗(yàn)，從而影響了實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果，影響學(xué)生的積極性[2]。基于以上分析，同時(shí)為了順應(yīng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的趨勢(shì)，即減少實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書指定的傳統(tǒng)驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn)，增加設(shè)計(jì)型與綜合型實(shí)驗(yàn)的比例，筆者根據(jù)自己多年來(lái)的實(shí)踐教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合模糊技術(shù)、PID、MATLAB/Simulink仿真技術(shù)、DDE數(shù)據(jù)通信技術(shù)開發(fā)設(shè)計(jì)出一個(gè)綜合性實(shí)驗(yàn)，組織自動(dòng)化專業(yè)學(xué)生參與體驗(yàn)實(shí)驗(yàn)，學(xué)生的積極性普遍較高，80%～90%的學(xué)生都能在規(guī)定時(shí)間內(nèi)獲得較滿意的結(jié)果，明顯提高了實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果。

1 綜合性實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)總體思路

本綜合性實(shí)驗(yàn)不需要改變?cè)瓉?lái)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，原系統(tǒng)下位機(jī)為西門子PLC控制器，上位機(jī)為安裝組態(tài)王的工控計(jì)算機(jī)。綜合性實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)只需在上位機(jī)上多安裝一個(gè)MATLAB程序，并重新對(duì)上位機(jī)組態(tài)軟件程序進(jìn)行局部的修改，原理框圖如圖1所示。MATLAB是MathWork公司于1984年推出的基于矩陣運(yùn)算的強(qiáng)大數(shù)值計(jì)算軟件，Simulink是MATLAB下的面向結(jié)構(gòu)圖方式的仿真環(huán)境，利用Simulink創(chuàng)建過(guò)程控制系統(tǒng)仿真模型，通過(guò)修改控制參數(shù)，可以方便地看到系統(tǒng)的響應(yīng)[3]。當(dāng)響應(yīng)結(jié)果較滿意時(shí)，此時(shí)的PID控制器參數(shù)就可作為下位機(jī)PLC控制器參數(shù)進(jìn)行實(shí)物的控制，這就是本設(shè)計(jì)的一個(gè)關(guān)鍵所在[4]。當(dāng)要進(jìn)行某個(gè)實(shí)驗(yàn)時(shí)，如雙容水箱串級(jí)控制實(shí)驗(yàn)，具體的過(guò)程如下：第一，MATLAB與組態(tài)王建立通信任務(wù)；第二，MATLAB通過(guò)組態(tài)王獲得現(xiàn)場(chǎng)的雙容水箱階躍響應(yīng)數(shù)據(jù)；第三，MATLAB利用響應(yīng)數(shù)據(jù)根據(jù)一些方法或是經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行實(shí)時(shí)參數(shù)的計(jì)算，獲得被控水箱對(duì)象的數(shù)學(xué)模型；第四，利用MATLAB/Simulink的計(jì)算機(jī)仿真功能，進(jìn)行過(guò)程控制系統(tǒng)的仿真，PID參數(shù)的設(shè)置包括利用工程方法、經(jīng)驗(yàn)法進(jìn)行反復(fù)調(diào)整整定和利用模糊PID參數(shù)自整定兩種方式[5-6]；第五，通過(guò)分析比較仿真結(jié)果的曲線，獲得最佳的PID參數(shù)；第六，將PID參數(shù)傳送到組態(tài)王，接著送到控制器，進(jìn)行被控對(duì)象實(shí)物的控制。

圖1 設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)原理框圖

2 實(shí)驗(yàn)舉例分析

過(guò)程控制的被控參數(shù)包括水位、流量、溫度等，其中水箱液位控制是最典型的過(guò)程控制，各高校也均圍繞液位開設(shè)了一系列實(shí)驗(yàn)，包括對(duì)象特性測(cè)試、單回路控制系統(tǒng)、串級(jí)控制系統(tǒng)等。因此，本綜合設(shè)計(jì)也圍繞液位控制展開，以雙容水箱液位控制為例，對(duì)原有實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了充分利用，并把分散的幾個(gè)液位實(shí)驗(yàn)整合起來(lái)。

2.1 MATLAB與組態(tài)王數(shù)據(jù)的通信

MATLAB與組態(tài)王通信通常有以下幾種方法：運(yùn)用COM組件、Axtive控件、OPC技術(shù)、DDE技術(shù)。本文采用DDE技術(shù)實(shí)現(xiàn)組態(tài)王與MATLAB間的數(shù)據(jù)交換。其中MATLAB作為客戶，組態(tài)王作為服務(wù)器[7]。

2.1.1 組態(tài)王中實(shí)現(xiàn)DDE通信

定義DDE設(shè)備，在工程管理器中選擇“設(shè)備DDE”，雙擊“新建”圖標(biāo)，彈出“設(shè)備配置向?qū)А保聪驅(qū)Р僮鳎欢x變量，連接設(shè)備為定義的DDE設(shè)備。變量名是在組態(tài)王中使用的，而變量項(xiàng)目名則是供MATLAB引用的。

2.1.2 MATLAB中實(shí)現(xiàn)DDE通信

用ddeinit函數(shù)與服務(wù)器建立對(duì)話，建立成功則該函數(shù)返回一個(gè)通道號(hào)；用ddeadv請(qǐng)求建立熱鏈；ddereq向服務(wù)器要數(shù)據(jù)，返回的是存有數(shù)據(jù)的矩陣；Ddepoke函數(shù)向服務(wù)器發(fā)送數(shù)據(jù)。

2.2 被控對(duì)象特性模型的獲取

要獲取模型，首先，MATLAB通過(guò)通信方式發(fā)送指令給組態(tài)王，通過(guò)組態(tài)王啟動(dòng)已經(jīng)開發(fā)好的“雙容水箱特性的測(cè)試實(shí)驗(yàn)”；接著，通過(guò)通信方式將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)返回MATLAB，MATLAB完成模型參數(shù)計(jì)算雙容水箱液位的階躍響應(yīng)曲線如圖2所示，具體的計(jì)算實(shí)例如下描述。

圖2 雙容水箱液位的階躍響應(yīng)曲線

(1)

(2)

(3)

由上述兩式中解出T1和T2，圖2中的直線為經(jīng)過(guò)P點(diǎn)的切線，切線與時(shí)間軸的交點(diǎn)為A，OA之間的時(shí)間即為對(duì)象滯后的時(shí)間，得到如式(4)所示的傳遞函數(shù)。

(4)

其中，τ為對(duì)象滯后的時(shí)間常數(shù)。

2.3 PID參數(shù)整定

模糊控制采用的是擬人的思考判斷辦法，它將人已有的經(jīng)驗(yàn)與控制方案表達(dá)為模糊控制規(guī)則，很適用于具有非線性、大滯后特性的復(fù)雜系統(tǒng)，如液位串級(jí)控制系統(tǒng)。為了克服常規(guī)PID調(diào)節(jié)器的不足，本綜合性設(shè)計(jì)在常規(guī)PID控制基礎(chǔ)上引入模糊控制，形成模糊PID參數(shù)自整定控制。實(shí)踐表明，串級(jí)模糊PID控制由于它的超前控制作用和主控制器PID參數(shù)實(shí)時(shí)調(diào)整，能夠大大克服系統(tǒng)的各種延遲，如容積延遲，縮短系統(tǒng)的控制時(shí)間，使系統(tǒng)響應(yīng)加速，工作頻率也有所提高，控制品質(zhì)得到較大改善，實(shí)現(xiàn)雙容液位的較高精度控制[8]。

利用MATLAB/Simulink的仿真功能，完成各個(gè)過(guò)程控制系統(tǒng)的仿真，包括串級(jí)控制系統(tǒng)、前饋—反饋控制系統(tǒng)、單閉環(huán)比值控制系統(tǒng)、雙閉環(huán)比值控制系統(tǒng)、解耦控制系統(tǒng)、模糊PID參數(shù)自整定控制系統(tǒng)等，比較仿真曲線結(jié)果即可獲得最佳PID參數(shù)。其中，有三個(gè)模塊采用的是MATLAB提供的封裝技術(shù)進(jìn)行模塊的封裝：PID控制器、FUZZY控制器和被控對(duì)象[9]。封裝后的模塊可以通過(guò)幾個(gè)接口和外界其它模塊交流或是連接，PID控制器模塊接口包括偏差、偏差變化率、PID參數(shù)等；FUZZY控制器模塊與其它模塊的接口為偏差、P輸出、I積分輸出、D微分輸出；被控對(duì)象模塊與其它模塊的接口為對(duì)象傳遞函數(shù)的各個(gè)系數(shù)。兩個(gè)典型的仿真圖如圖3和圖4所示，圖3是串級(jí)控制系統(tǒng)，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)觀察或是工程經(jīng)驗(yàn)，手動(dòng)輸入PID參數(shù)，即傳統(tǒng)的PID控制；圖4引入了智能控制技術(shù)，利用MATLAB自帶的模糊控制工具箱獲得PID參數(shù)，即模糊自整定PID串級(jí)控制系統(tǒng)。其中，副控制器采用PID控制器，主控制器采用模糊自整定PID控制器[10]。

圖3 串級(jí)手動(dòng)調(diào)節(jié)PID參數(shù)仿真圖

圖4 模糊自整定PID參數(shù)仿真圖

3 綜合性實(shí)驗(yàn)平臺(tái)實(shí)例

本設(shè)計(jì)根據(jù)使用的實(shí)際情況，利用MATLAB的GUI功能開發(fā)了用戶界面。方便使用者調(diào)出各個(gè)控制系統(tǒng)的仿真結(jié)果圖形、控制系統(tǒng)框圖、主副PID參數(shù)、控制對(duì)象的模型參數(shù)等各項(xiàng)信息，實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互。在仿真平臺(tái)的GUI界面中，每一按鈕或選擇框均有一個(gè)回調(diào)函數(shù)，如標(biāo)簽為“開始仿真”按鈕回調(diào)函數(shù)為“starts.m”，完成調(diào)用MATLAB的“Simulink model file”，標(biāo)簽為“控制選擇”的選擇框，回調(diào)函數(shù)為“huatu.m”，完成控制系統(tǒng)框圖顯示功能，標(biāo)簽為“獲取對(duì)象數(shù)學(xué)模型參數(shù)”的按鈕，回調(diào)函數(shù)為“models.m”，完成模型參數(shù)計(jì)算功能，最后得到的運(yùn)行界面如圖5所示。使用步驟如下：(1)選擇控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，如模糊PID串級(jí)控制系統(tǒng)、串級(jí)控制等；(2)點(diǎn)擊獲取對(duì)象數(shù)學(xué)模型參數(shù)按鈕，則最后的參數(shù)顯示在文本框內(nèi)；(3)點(diǎn)擊開始仿真按鈕，則在仿真圖形坐標(biāo)上可以看到系統(tǒng)的仿真圖形。

圖5 仿真平臺(tái)的GUI界面

圖6 串級(jí)控制實(shí)驗(yàn)界面

綜合分析各個(gè)仿真結(jié)果輸出圖的快速、準(zhǔn)確、穩(wěn)定性等的對(duì)應(yīng)參數(shù)，獲得最佳的PID參數(shù)，將PID參數(shù)送到組態(tài)王，以這個(gè)PID參數(shù)為基準(zhǔn)，進(jìn)行實(shí)際系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)操作。由于仿真平臺(tái)采用的是比例系數(shù)、積分系數(shù)、微分系數(shù)，而組態(tài)王使用的是比例度、積分時(shí)間、微分時(shí)間，所以參數(shù)送到組態(tài)王之前要進(jìn)行換算。串級(jí)控制實(shí)驗(yàn)界面如圖6所示。

4 實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果分析

學(xué)生可單獨(dú)使用本設(shè)計(jì)的GUI仿真軟件。該仿真軟件不僅可以使學(xué)生加深對(duì)控制系統(tǒng)相關(guān)概念的理解，同時(shí)可以讓他們體驗(yàn)PID單獨(dú)控制或結(jié)合控制對(duì)系統(tǒng)的影響和PID控制參數(shù)對(duì)響應(yīng)的影響，進(jìn)而加深對(duì)PID控制規(guī)律的理解和掌握，還可以培養(yǎng)學(xué)生工程設(shè)計(jì)及實(shí)施能力(MATLAB仿真是控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重要組成部分)。通過(guò)仿真系統(tǒng)得出的合理控制方案，既提高安全性又取得更好的控制效果，顯示出巨大的經(jīng)濟(jì)效益。

通過(guò)整個(gè)綜合性實(shí)驗(yàn)的實(shí)踐，學(xué)生得到了綜合訓(xùn)練，提高了分析、解決實(shí)際問(wèn)題的綜合能力，深刻體會(huì)仿真系統(tǒng)與實(shí)際系統(tǒng)在控制上的區(qū)別，感受實(shí)際工程控制時(shí)可能遇到的難題。而且，綜合性實(shí)驗(yàn)涉及較多的內(nèi)容，如DDE通信技術(shù)、模糊控制、對(duì)象特性參數(shù)的計(jì)算、MATLAB/Simulink仿真、封裝技術(shù)、模糊PID控制器等，擴(kuò)大了學(xué)生的知識(shí)面，大大提高了他們的學(xué)習(xí)熱情,激發(fā)了其學(xué)習(xí)潛能。在該綜合性實(shí)驗(yàn)中，80%～90%的學(xué)生可以順利得到較滿意的控制器參數(shù)和控制效果，實(shí)驗(yàn)效率和教學(xué)效果明顯得到提高。

5 結(jié)語(yǔ)

本文從目前實(shí)踐教學(xué)存在的問(wèn)題出發(fā)，結(jié)合已有實(shí)驗(yàn)室平臺(tái)條件，開發(fā)設(shè)計(jì)一個(gè)基于軟硬件結(jié)合、實(shí)物控制與仿真控制結(jié)合、基于真實(shí)模型的MATLAB/Simulink仿真、融合較多學(xué)科知識(shí)的一個(gè)綜合性實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)證明，該平臺(tái)提高了實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的質(zhì)量,加強(qiáng)了學(xué)生對(duì)知識(shí)的消化與融合,提高了整個(gè)教學(xué)質(zhì)量。對(duì)于自動(dòng)化專業(yè)的學(xué)生來(lái)說(shuō)，核心知識(shí)為控制與系統(tǒng)，在本文設(shè)計(jì)的綜合性實(shí)驗(yàn)充分得到體現(xiàn)，達(dá)到培養(yǎng)自動(dòng)化專業(yè)人才的目的。

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Design of Comprehensive Experiment for Process Control Based on Simulink Parameter

ZHU Xiao-hua

(College of Physics and Information Engineering, Mninan Normal University, Zhangzhou Fujian 363000,China)

The course of process control is one of the main courses of automation. It has the characteristics of professional and strong practicality. The course not only relates to many control theory knowledge, but also has close contact with the actual industrial production. The students can better understand and apply theoretical knowledge through the experiments. Therefore, according to the teaching status of process control experiment, a comprehensive experiment system ,based on the fuzzy self-tuning of PID parameters, the traditional PID control and the DDE communication technology was designed to improve learning effect, practice ability, comprehensive ability of applying knowledge, and cultivate innovative talents of the students.

process control; comprehensive experiment; tuning of parameter

2016-12-18

朱笑花(1980- )，女，講師，碩士研究生，從事智能優(yōu)化、建模與控制研究。

TP212

A

2095-7602(2017)06-0033-05