面向自動化類的工業互聯網與數字孿生技術實訓平臺構建

摘 要 為了解決基于標識解析的供應鏈數字孿生教研平臺在自動化控制方面存在的不足，以Unity 3D數字仿真系統為基礎，引入PID控制算法，通過調節比例參數Kp、積分參數Ki和微分參數Kd優化系統控制效果，成功研發出一款能夠對大流量進行精確控制的數字孿生技術實訓平臺。通過該平臺，學生能夠獲得更全面的理論知識和實踐經驗，深入理解和掌握自動化控制領域的關鍵技術，為未來從事自動化類工作打下堅實基礎。

關鍵詞 自動化類；PID控制算法；工業互聯網；數字孿生技術；實訓平臺；大米供應鏈

中圖分類號：G642.0 文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2024）18-0045-05

0 引言

隨著信息技術的迅猛發展，物聯網、云計算、大數據和5G等新興技術不斷涌現，工業互聯網技術也日新月異，數字化和智能化產業已成為企業發展的主要趨勢。在這個背景下，數字孿生技術以數字化的方式對物理世界進行建模、仿真和優化，實現了對整個生命周期的詳細模擬和管理[1-2]。近年來，數字孿生技術的應用已從航空航天領域擴展到工業領域，西門子、通用電氣等工業巨頭紛紛推出數字孿生解決方案，為工業企業的發展提供支持[3]。

基于數字孿生技術和工業互聯網標識解析[4]的大米供應鏈數字孿生教研平臺可以有效協助解決大米加工制造過程中的問題，極大地提高生產效率和發展速度。通過在原有的教研平臺上[5]加入PID（比例—積分—微分）控制算法，形成的實訓平臺可通過實時動態調整操作對大米流量進行精確控制，以確保加工過程的穩定性和精度，防止設備故障和生產事故，從而提高操作的效率和安全性。

近年來，自動化實訓作為培養學生實踐能力和創新精神的重要手段備受關注[6]，數字孿生技術實訓平臺利用計算機仿真技術將實際系統模型與虛擬仿真模型相結合，為學生提供真實且高度仿真的實訓環境和工具。學生可以在虛擬環境中進行實際操作，通過調節PID控制算法中的比例參數Kp、積分參數Ki和微分參數Kd實現對大米流量的精確控制，從而加深對自動化系統的理解并提升應用能力。這樣的實踐將有助于學生更好地應對未來工業領域的挑戰，為工業發展作出積極貢獻。

1 平臺模型構建

大米供應鏈作為食品供應鏈中的一個典型案例，具有復雜性、精細化管理和高要求的特點，對供應鏈管理和食品安全監管提出了挑戰，也為其他食品及農產品供應鏈的優化和改進提供了經驗與借鑒，故本平臺以大米供應鏈為模擬對象，構建數字孿生模型。

本實訓平臺采用原大米供應鏈數字孿生教研平臺所提供的基礎模型，即融合幾何模型、行為模型、規則約束模型和數字孿生模型四種模型構造的可進行實時監測、決策控制和預測性維護的大米供應鏈數字孿生模型。該模型參照實際大米供應鏈全過程進行模擬化設計，采用圓筒、傳送帶、小型碾米機等搭建大米供應鏈實物仿真模型。其中，碾米機為加工設備，傳送帶為運輸設備，糧倉為存儲產品和物料的設備，并且通過渲染器和碰撞器等引擎使其在視覺和效果上與物理實體保持一致。最終效果如圖1所示[7]。

2 被控對象的復雜性分析

在大米供應鏈數字孿生系統中，采用基于Unity 3D開發的模型具備逼真的物理模型特性。該模型在運行過程中模擬了現實世界中的實際操作過程，并反映了實際加工過程中可能出現的各種情況。

2.1 快速滑落現象

在Unity 3D的仿真中，當一個對象在斜坡上或傾斜表面上運動時，其速度增加而不是保持穩定的情況下，會出現大米滑落現象。這是由于重力會對物體產生一個向下的力，使物體在斜坡上產生一個向下的加速度，在斜坡具有一定傾角的情況下，物體在斜坡上產生滑動。故在傳送帶摩擦力較小的情況下，物體的質量、斜坡的材質和傾角等因素共同作用于物體，會使物體發生滑落現象。在大米供應鏈數字孿生系統中，傳送帶的傾角是25°，在傳送帶和小球的材質不變的情況下，在傳送帶加速將大米向上運輸的過程中，大米會出現滑落現象，如圖2所示。

2.2 飛濺現象

在大米供應鏈數字孿生系統中，當傳送帶上大米較多，且傳送帶加速度過大時，會出現大米飛濺現象，如圖3所示。這種現象主要是由于傳送帶上大米之間的相互作用力不足以平衡傳送帶的加速度而產生的。這些飛出的大米無法繼續進入碾米機進行后續加工，有一部分可能會散落在生產線外，另一部分則可能直接飛到后續的成米運輸傳送帶上，造成資源浪費和加工效率降低的問題，還會影響供應鏈的連續性和加工的穩定性，對后續生產環節造成不可預知的影響。

2.3 堵塞現象與堆積現象

在大米供應鏈數字孿生系統中，當原米傳輸速度較快，碾米機效率未能達到要求時，會出現大米堵塞在進米口的情況，此時碾米機超負荷運轉，造成機器磨損嚴重，產生安全隱患，如圖4a所示。反之，若原米傳輸速度較慢，且原米出倉過快時，會出現原糧儲米平臺米粒堆積、碾米機空轉的情況，造成資源浪費，如圖4b所示。

以上現象的出現是由于采用Unity 3D開發的大米供應鏈數字孿生系統具有真實復雜的物理特性，簡單的手動控制無法滿足精確控制需求，故需要添加PID閉環控制器對大米流量進行精確控制。其中，PID閉環控制可以通過控制原米倉和傳送帶的速度控制將系統中碾米機中的大米數量控制到誤差范圍內，并不斷調整比例、積分和微分參數，盡可能減少超調和震蕩，提高系統的效率、準確性和穩定性，極大提升大米加工效率，避免資源浪費，確保設備生產的安全性。

3 PID控制算法

3.1 PID框架設計

在原有的大米供應鏈數字孿生系統上設計添加PID控制回路來調節閥門開度，從而達到控制大米流量的目的。在該回路中需要測量碾米機中大米流量（PV）與設定的大米流量值（SP），通過公式error=SP-PV計算誤差。使用PID控制算法計算控制原米倉出米速度和傳送帶速度輸出，PID控制器的輸出為誤差計算得出的一個增量值，這一增量值經過不同的運算之后分別得到原米倉的出米速度和傳送帶的運輸速度，之后兩組數據分別用于原米倉和傳送帶的控制，如圖5所示。

計算PID輸出的公式為：output=Kp*error+Ki*

integral（error）+Kd*derivative（error）+last_output。其中Kp、Ki和Kd是PID控制算法的調節參數，控制誤差比例、積分和微分部分的貢獻。誤差的積分和微分可以通過對誤差的歷史記錄進行積分和離散差分計算。

3.2 PID控制功能設計與實現

3.2.1 整體設計

在Unity 3D開發平臺中使用C#編程對PID控制算法進行代碼實現。系統初始化完成后，用戶在控制面板輸入必要的參數，包括進米倉的大米數量設定值，Kp、Ki、Kd的設定值以及原米倉出米速度和傳送帶輸出速度的限定值。通過Unity 3D的全局變量獲取當前的運行數據，包括當前進米倉的大米數量、原米倉的出米速度和傳送帶的傳輸速度。然后，使用PID控制器計算增量輸出值，并根據輸出值計算出米倉和傳送帶的運行速度，通過對比設定值判斷輸出是否超出限定范圍，若超出則進行限幅處理，否則直接應用于當前控制輸出。最后，采集進米倉中的大米數量，計算與設定值之間的誤差，并將誤差反饋給PID控制器，同時繪制圖表以輸出當前的大米數量。通過這樣的PID控制算法實現，可以對大米供應鏈中的運輸和控制過程進行精確地調節和控制。整體設計流程如圖6所示。

在對大米流量的PID閉環控制中，將碾米機中的大米數量作為控制變量，將每次循環采集碾米機中的大米數量與設定值進行比較并作差作為誤差輸入。之后計算PID控制器輸出，將PID輸出用于原米倉出米速度和傳送帶傳輸速度的控制。然后對碾米機進米倉中的大米數量進行實時繪圖展示，方便實時調節各項參數。最后在系統設計中對原米倉出米速度、傳送帶傳送速度、各項PID的數值進行實時采集顯示和調節，方便后續的開發與調節。

3.2.2 實時數據采集、計算與輸出控制

在大米供應鏈數字孿生系統中對碾米機中的大米數量、原米倉閥門速度、傳送帶速度進行實時數據采集與展示，并將碾米機進米倉中的數量與設定值比較作差作為控制器的輸入，控制器的輸出用于控制原米倉閥門速度和傳送帶速度。首先定義一個名為PID的類，該類具有一系列成員變量，包括誤差（err）、上一次的誤差（err_pre）、上上次的誤差（err_pre_pre）、PID輸出（Out）、PID輸出的增量（OutC）、三個參數（Kp、Ki、Kd）、時間（time）、閥門上限（limitF）、傳送帶1上限（limitC）、設定的目標值（value），以及其他輔助變量。通過變量的采集與賦值，實現Unity系統變量和控制器內部變量之間的數據傳輸。

在控制輸出階段，每次循環中，通過PID控制器運算輸出后，對原米倉和傳送帶的速度進行動作操作，以實現對碾米機中大米數量的控制。同時，對輸出的控制數值進行限幅處理，以防止速度過高導致不穩定的情況。首先采集原米倉閥門速度值賦值給變量t，根據控制器輸出值運算后得到原米倉閥門的速度值，更新原米倉閥門速度t。之后對閥門速度進行限幅處理，限幅之后將結果賦值給原米倉閥門速度控制。之后對傳送帶1的速度進行類似的處理：在Unity端采集傳送帶的速度值賦值給變量m，根據控制器輸出運算得到傳送帶的速度值，限幅處理后將值更新回傳送帶的速度m。

通過以上操作，實現對原米倉和傳送帶速度的動態調節，以控制碾米機中的大米數量，并對控制數值進行限幅處理，確保速度調節的穩定性。在每次循環中PID控制器運算輸出后，操作原米倉和傳送帶的速度進行動作，以實現之后碾米機中的大米數量的控制，并且對輸出的控制數值進行限幅，防止出現速度過高不穩定的情況。

3.2.3 人機交互界面設計

為方便控制參數的調節，在系統中設計加入圖形化操作面板。在控制面板中，可以設定碾米機中大米的數量，原米倉出米速度上限，傳送帶傳輸速度上限，比例P、積分I、微分D的設定值，極大地方便系統參數的調試。在圖形化面板中，首先是碾米機進米倉大米數量的設置；其次是原米倉出米速度和傳送帶傳送速度的上限值，防止輸出過高造成事故隱患和危險；再次是PID各項參數的輸入；最后，在每個輸入框下面都設置了微調按鍵，避免了每次調整都需要手動輸入的煩瑣，簡便了操作流程，如圖7所示。

為方便觀察控制效果和調整參數設置，對碾米機中的大米數量進行曲線輸出展示。首先設置開關變量作為是否輸出的標志，通過Unity 3D插件Chart中的圖表功能代碼繪制圖表，其中圖表的橫軸為系統運行的時間，縱軸為碾米機進米倉中的大米數量，設定每次的采樣間隔為0.2個運行周期。初始化完成后運行系統，在碾米機開始運行后進入采集數據循環，每次采樣周期內對碾米機內大米數量進行數據采集，并將采集的大米數量數據作為繪制圖表的變量，對圖表的繪制進行更新，更新時間數量信息后，進入下一采樣周期循環。

在碾米機進米倉數量、原米倉出米速度和傳送帶速度保持相同的情況下，不同參數的PID控制展現出不同的調節效果。只有Kp調節的情況下，曲線為：在Kp=1時，調節的效果在設定值上下不斷震蕩，如圖8a所示；在Kp=5時，可以看出峰值時間比Kp=1時更短，調節速度更快，如圖8b所示。

更改PID參數為PI控制，在Kp=3，Ki=0.1時，調節效果如圖9a所示。從圖中可以看出，加入積分環節調節后，超調略有上升，震蕩頻率和幅度大幅降低，震蕩呈衰減趨勢。繼續調節Ki參數，在Kp=3，Ki=0.5時，調節效果如圖9b所示。從圖中可以看出，開始進入震蕩時，幅度稍有增加，衰減趨勢明顯增強。

繼續修改PID參數為比例—積分—微分控制，設置參數為Kp=3，Ki=0.3，Kd=0.1，如圖10所示，在比例—積分—微分控制器的調節作用下，峰值時間、調節時間、超調量均有一定的下降。

4 實訓方案設計

此次設計的面向自動化類的工業互聯網與數字孿生技術實訓平臺旨在培養學生的自動化系統設計、數據分析和數字孿生技術應用等方面的實踐能力，讓學生掌握工業互聯網和數字孿生技術的基本原理與應用技巧，為他們未來的職業發展做好準備。主要實訓內容分為五個階段，分別是明確目標，理論學習、實踐操作、實訓項目和實訓評估，如圖11所示。

理論學習主要是通過閱讀書本教材與教學相結合的方式進行。實踐操作主要是使學生學習相應軟件，學會使用機械制圖軟件建立數字孿生模型，模擬真實的環節；學習使用工業互聯網平臺；在實訓平臺上通過調整參數和控制策略，優化產能、質量和效率，掌握自動化系統的設計與優化方法。實訓項目主要是讓學生基于該實訓平臺搭建和設計大米供應鏈數字孿生模型，實現包括原糧收購、傳送運輸、原糧加工、成米倉儲、成米打包運輸等環節。學生可以根據實際情況設定參數，如Kp、Ki、Kd的設定值等，還可以通過實驗和調試優化控制策略，實現對大米供應鏈中各環節的自動化控制和數據監測。實訓評估上，學生根據實際操作情況和實驗結果撰寫實訓報告，總結實驗過程和結果，分析實驗中遇到的問題和解決方法。課程教師通過實訓報告和實訓表現評估學生的實際操作能力與理論掌握程度。

通過以上面向自動化類的工業互聯網與數字孿生技術實訓平臺的實訓方案，學生能夠深入了解工業互聯網和數字孿生技術的應用，掌握PID控制算法的應用技巧，鞏固相關軟件和編程技能，培養實踐能力和解決問題的能力，為未來從事自動化領域的工作做好準備。

5 結束語

本文設計的大米供應鏈數字孿生實訓平臺在原有的大米供應鏈數字孿生教研平臺的基礎上，加入PID控制算法完成對大米流量的精確控制，通過調節比例參數Kp、積分參數Ki和微分參數Kd實現對系統控制的優化。展望未來，基于PID控制算法的大米供應鏈數字孿生實訓平臺將為學生提供更加全面和具有實踐性的學習體驗，通過該平臺的應用與實踐，學生可以深入理解PID控制算法在實際工業場景中的應用技巧。

6 參考文獻

[1] 譚展.數字孿生在智能制造領域的應用及研究進展[J]. 電子元器件與信息技術，2022，6（12）：110-115.

[2] 夏丹.數字孿生技術在智能制造領域的發展與應用[J]. 現代農機，2023（5）：118-120.

[3] 陶飛，馬昕，胡天亮，等.數字孿生標準體系[J].計算 機集成制造系統，2019，25（10）：2405-2418.

[4] 王昭洋，池程，許繼平，等.工業軟件一體化與標識解 析路徑研究[J].中國工程科學，2022，24（2）：96-105.

[5] 許繼平，孔德政，池程，等.基于標識解析的供應鏈數 字孿生教研平臺研究[J].中國教育技術裝備，2023（4）： 34-39.

[6] 呂慶功，許文婧，秦子，等.面向自動化實訓的虛擬仿 真教學系統開發[J].中國冶金教育，2020（1）：80-83.

[7] 許繼平，孔德政，王昭洋，等.基于工業互聯網的大米 供應鏈數字孿生系統構建[J].農業機械學報，2023， 54（3）：372-381.