基于軟件化和模塊化的開放式過程測控實驗平臺

陸冠成+董振

摘 要 為了解決一般過程測控實驗設備硬件集成度高、專機專用、可重復組建性能低、缺乏柔性化和滯后于信息時代需要的問題，在綜合考慮實用性、易用性、靈活性和教學性的基礎上，以軟件為核心，研究和設計一種開放式智能過程測控實驗平臺。平臺以軟件化和開放式的過程控制器模塊為核心，引入多種智能過程控制算法，充分利用軟件的可重復組建特點和模塊化硬件設備的靈活性，深度拓展實驗項目類型，極大提高測控實驗平臺可重復組建能力和智能化程度。

關鍵詞 開放式智能過程測控實驗平臺；過程控制器；極限學習機

中圖分類號：G642.423 文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2017）16-0022-04

Abstract In order to solve the problems which are hardware of highintegration， special plane， reformation of low performance and lackof flexibility and behind the need of information age in the general process control experiment equipment， after considering the practi-cality， ease of use and flexibility of teaching， this paper designs an open intelligent process control experimental platform by taking thesoftware as the core. The platform takes open and software process controller as the core， takes in a variety of intelligent control algori-thms and takes advantage of the software reusable form features andmodular hardware flexibility， expanding the depth of the experimen-tal project type， which greatly improves the measurement and controlexperimental platform repeat formation ability and intelligence.

Key words open intelligent process control experimental platform； process controller； extreme learning machine

1 引言

學校教育是為不斷進步的社會培育人力資源的重要模式，創新精神與創造性實踐能力是教育的關鍵。實踐教學是能力培養的重要環節，是人才培養質量的重要保證[1]。測控類課程融合了傳感器技術、數據采集、自動控制理論、測試理論、儀器原理、總線技術和網絡技術等內容，是綜合性較強的課程。隨著工業4.0時代的到來，智能化技術和教學改革的快速發展促進了多學科滲透在測控類學科的進一步滲透，測控類多學科邊界模糊化和交叉已成為一種新趨勢。模塊化、柔性化和開放式已經成為一種被廣泛引用的新興理念和技術。它的引入促進了低效率設備的革新，強化了軟件設計與開發，逐漸減少對硬件的依賴，盡可能提高設備重復利用率和擴展能力。

目前一般測控實驗設備嚴重滯后于信息時代和工程實際的需要，其根本原因在于實驗教學內容依附于課程設立，基本處于割裂狀態，并且實驗設備功能相對單一，通用性不強，重復利用能力差，缺乏模塊化與智能化，儀器設備不可能實現資源共享等[2]。測控綜合實驗平臺一般包括機械設計、機電控制、計算機仿真和傳感器等，從實驗教學角度而言，用以滿足測控課程實驗的要求[3]。但是這類測控實驗設備在帶來綜合性的同時，也存在很大的缺點，那就是專機專用，不能作為單個實驗單元獨立工作，在面對快速變化的實驗需求時缺乏應對能力。

隨著計算機技術的快速發展和工業技術的變革，控制系統也越來越復雜，智能化要求不斷提高[4]。價格昂貴、維護不便、重復利用率低和共享難度大的一般測控綜合實驗平臺已經不能滿足教學改革的需要，具有開放性、模塊化、柔性化，可維護性高、共享能力強和智能性高的測控綜合實驗平臺成為測控實驗室建設的必然趨勢。因此，設計和開發一套以軟件為核心且具有開放式、柔性化、重復利用率高和過程控制器模塊透明的智能過程測控實驗平臺顯得尤為必要。

2 平臺硬件體系

實驗教學平臺在綜合考慮實用性、易用性、靈活性和教學性的基礎上，盡可能將硬件設備模塊化，盡可能降低硬件之間的耦合，充分結合虛擬儀器技術的優點，規劃和設計平臺硬件設備體系，圖1所示。平臺綜合考慮測控實驗涉及的電機控制、傳感器信號采集、信號轉換、PWM脈寬調速和工業自動化通信協議MODBUS，以PC機為中心，將各個功能模塊以模塊化的方式連接起來，方便維護和調試。硬件平臺以傳感器輸出的4～20 mA和開關量作為輸入信號，以模擬量輸入模塊和開關量輸入模塊作為信號轉換器，將信號轉換結果通過MODBUS-RTU通信協議傳入PC機；PC機將軟控制器的輸出通過MODBUS-RTU通信協議傳給模擬量輸出模塊和PWM調速模塊，模擬量輸出模塊將數字量轉為模擬量后輸出4～20 mA驅動調節閥等，PWM調速模塊將數字量轉為脈寬信號并放大后驅動電機等設備。

平臺硬件體系充分利用模塊化設備接口的靈活性，組建不同規模的測控系統，并且能夠將虛擬儀器、帶接口總線的各種電子儀器或各種插件單元，調配并組建成為中小型甚至大型的自動調試系統。采用模塊化組件起來的硬件設備體系具有性價比高、擴展性強、開發周期短、靈活性高、實驗項目組建便捷和維護方便等優點。endprint

3 平臺軟件設計

軟件是設備智能化的關鍵所在，良好的軟件架構和設計模式，可以節省諸多硬件成本的投入，可以極大促進實驗設備的投入與產出比。針對當前測控類實驗教學模式的硬件依賴性高、實驗費用高、實驗場地受限、實驗操作刻板、開設項目受限、難以調動學生的主動性和創造性、實驗教學效果不理想等弊端，平臺將基于虛擬儀器技術和工控組態技術，開發一種過程控制算法接口開放、控制對象可根據試驗需求改變和具備多算法融合能力的綜合測控實驗系統。系統旨在為學生提供一系列技術領先、性能優異的測控工程創新平臺，借助虛擬儀器、智能算法、實時數據庫和網絡通信等技術，構建高度模塊化、柔性化和智能化實驗環境和實驗對象，達到教改革新所要求的教學效果。系統突出柔性化和智能化特色，強化學生的動手實踐能力，全面提升機電類相關專業應用型人才培養和創新型人才培養的水平。

平臺軟件體系如圖2所示，以中央調度模塊為基礎，以過程控制器模塊為核心，依托數據采集模塊、實時數據庫接口模塊和歷史數據庫接口模塊，圍繞數據采集和過程控制構建。數據采集模塊集成了過程控制器嵌入接口、MODBUS協議、OPC-UA協議、TCP數據推送服務協議、多點控制設備與數據傳輸中繼服務協議、多數據庫轉儲協議，負責獲取傳感器數據和數據量程轉換等。圖形界面模塊基于組態技術開發，采用微軟.NET結構的WPF技術編寫，界面美觀，過程控制形象化，有助于實驗人員對過程數據的監測、查看和分析數據流向等。圖形界面模塊以多線程方式從實時數據庫中獲取數據，并經過邏輯處理后顯示和更新過程數據。

由于數據采集模塊具有較強實時性，而界面顯示和刷新往往會增加計算機CPU的負擔，為了提高整個系統對實時測控的響應能力，系統將數據存入實施數據庫對數據進行緩沖。實時數據庫是圖形界面顯示的數據來源，同時也是外部控制系統的共享數據源，對實時存儲具有一定的要求。關系數據庫顯然不能滿足測控系統對數據實時性的要求，因此，本文選擇內存數據庫作為測控系統，設置數據庫的框架，并通過原子鎖的方式對內存數據進行訪問，大大提高了數據實時訪問能力。

過程控制器模塊的核心控制策略的選擇和控制律的制定，它的智能化程度影響著控制過程和控制效果，是整個測控系統的關鍵模塊。伴隨著神經網絡和模糊推理等預測控制方法在工業自動控制領域的成功應用，高校建設具有智能化或者可完成智能化控制實驗的測控實驗平臺已成為必然趨勢。一般測控實驗平臺過程控制器存在專一被控對象或者專一過程專用的缺點，導致測控實驗平臺難以適應對象多變和過程不同的過程控制。一般過程測控實驗設備或者實驗系統的實驗對象并不多，缺少測控系統組建與調試等應用性，開放性綜合實驗內容更少，極大地影響課程教學效果[5]。由于一般測控實驗平臺的過程控制器一般比較單一，并且固化在平臺里面，難以實施二次開發和自行編入控制算法，往往導致學生處于被動實驗狀態，難以發揮學生主觀能動性，缺乏研究性和創新性能力的培養。

在綜合考慮易用性、可重復性和二次開發能力的基礎上，本文基于模塊接口開放形式構建過程控制器模塊，并集成腳本解析器、MATLAB解析引擎、C#代碼解析器、嵌入式C++編譯器、動態鏈接庫（DLL）交互規范和COM組件交互規范。具有開放式接口的過程控制器模塊，使得測控實驗可以根據不同實驗對象編寫不同測控算法，并且可以允許實驗人員根據個人對編程語言喜好和掌握程度，選擇適合的編程語言或者交互規范進行實驗。過程控制器模塊內置了支持向量機預測控制算法、模糊PID控制算法、人工神經網絡控制算法、基于中值定理的無模型自適應控制算法和基于極限學習機的多目標數據融合控制算法。實驗人員可以根據不同實驗對象選擇合適的內置過程控制算法，或者選擇多個控制算法進行多算法融合控制，亦可以自行編寫自己的控制算法。過程控制器模塊既可以對被控對象進行控制實驗，也可以作為新算法的調試實驗。

過程控制器模塊接口的開放性設計和多種智能控制算法的內置，極大方便了實驗人員組建實驗項目和豐富了設計研究性實驗項目。針對不同實驗對象和控制過程，多樣化的過程控制算法，能夠較大限度拓寬學生的知識面，深化學生對控制理論的掌握和激發學生的創新思維。過程控制算法的選擇與實驗極大提高了學生對過程控制指標和控制器性能問題的深入理解和優化，譬如：針對慢時變的過程控制，選擇無模型自適應控制算法可能會優于PID控制算法；針對快速性要求比較高的過程控制，PID控制算法可能會優于無模型自適應控制算法；針對被控對象參數難以直接測量和控制問題，支持向量機或者極限學習機的預測控制方法可能會收到較好的測控效果等。

4 基于極限學習機模擬糖廠錘度過程控制實驗

基于極限學習機的過程控制方法是一種不需要精確系統控制模型，只依賴于系統輸入輸出數據動態計算過程控制參量的方法，具備較強的過程控制自適應能力。不依賴于精確系統模型而依賴于系統輸入輸出的自適應控制方法突破了一般控制理論的束縛，融合了經典和現代控制理論的優點。

本文基于極限學習機模擬糖廠錘度過程控制，以驗證實驗平臺的實用性、易用性和智能化，控制方案如圖3所示。實驗以錘度值作為控制指標，物料入料調節為被控對象，以無模型自適應控制算法作為核心，根據實時測量所得的錘度值和目標錘度值，通過過程控制器計算入料調節閥的開口度并驅動調節閥入料，完成錘度值的過程自適應控制。

模擬糖廠錘度控制實驗曲線圖如圖4所示，從圖中可以看出，在控制指標改變后，過程控制量也能較好地隨著變化，驗證了實驗平臺及其相關內置算法對面向工程實際應用實驗的適用性和實用性。此外，具有組態特點的圖形界面可以讓學生比較直觀地看到過程數據變化，表明了平臺具有較好的人機交互能力和形象的數據展示能力。

5 結語

本文在綜合考慮實用性、易用性、靈活性和教學性的基礎上，結合信息時代和工程實際對測控實驗所提出的要求，以軟件為核心，研究和設計一種開放式智能過程測控實驗平臺。本文在完成過程測控實驗平臺的基礎上，以極限學習機為過程控制算法，在平臺上模擬糖廠錘度過程控制。實驗表明，平臺及其相關內置算法對面向工程實際應用實驗的適用性和實用性，具有較好的人機交互能力和形象的數據展示能力，能夠較大限度拓寬學生的知識面，深化學生對控制理論的掌握和激發學生的創新思維。

本文盡可能將硬件設備軟件化和模塊化的過程測控實驗平臺，具有可重復組建能力高和硬件設備連接靈活性的特點，具有拓展實驗項目能力強和維護方便的優點；內置多種智能過程控制算法和過程控制算法接口開放，具有較高的智能化；解決了一般過程測控實驗設備硬件集成度高、專機專用、可重復組建性能低、缺乏柔性化和滯后于信息時代需要的問題。

參考文獻

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