基于仿真参数的“过程控制”综合性实验设计

朱笑花(闽南师范大学物理与信息工程学院，福建漳州 363000)

基于仿真参数的“过程控制”综合性实验设计

朱笑花
(闽南师范大学物理与信息工程学院，福建漳州 363000)

“过程控制”是自动化专业的主要专业课之一,具有专业性和实践性较强的特点。课程不仅涉及许多控制理论知识，而且与工业生产实际紧密联系。学生通过实验能够更好地理解和应用理论知识。笔者针对“过程控制”实验教学的现状，设计一个集模糊PID参数自整定、传统PID控制、DDE通信等技术为一体的综合性实验，旨在提高学生的动手能力和综合应用知识的能力，培养创新型人才。

过程控制；综合性实验；参数整定

“过程控制”是自动化专业学生的专业必修课之一。该课程具有实践性、专业性、应用性较强的特点，因此，实践教学是很重要的环节之一[1]。目前，各大高校均采用大型过程控制实验装置来开设实验。如笔者所在学校采用的是天煌教仪THJFCS-1型现场总线高级过程控制对象系统实验装置，开设的实验有被控对象特性实验、单回路控制系统实验、串级控制系统实验、比值控制、解耦控制等。但是存在两个问题：第一，实验很少涉及先进的技术，例如模糊控制、神经网络控制等，开设的实验内容落后于理论，没有与时俱进；第二，在实验过程中，PLC控制器的PID参数整定不管是逐步逼近法、两步整定法，还是一步整定法，通常只是根据工程整定公式进行反复的试凑观察，学生很难在规定时间里取得较满意的控制参数，如在做双容水箱液位串级控制系统实验时，在两个学时内学生很难完成实验，从而影响了实验教学效果，影响学生的积极性[2]。基于以上分析，同时为了顺应实验教学改革的趋势，即减少实验指导书指定的传统验证型实验，增加设计型与综合型实验的比例，笔者根据自己多年来的实践教学经验，结合模糊技术、PID、MATLAB/Simulink仿真技术、DDE数据通信技术开发设计出一个综合性实验，组织自动化专业学生参与体验实验，学生的积极性普遍较高，80%～90%的学生都能在规定时间内获得较满意的结果，明显提高了实验教学效果。

1 综合性实验设计总体思路

本综合性实验不需要改变原来的系统结构，原系统下位机为西门子PLC控制器，上位机为安装组态王的工控计算机。综合性实验设计只需在上位机上多安装一个MATLAB程序，并重新对上位机组态软件程序进行局部的修改，原理框图如图1所示。MATLAB是MathWork公司于1984年推出的基于矩阵运算的强大数值计算软件，Simulink是MATLAB下的面向结构图方式的仿真环境，利用Simulink创建过程控制系统仿真模型，通过修改控制参数，可以方便地看到系统的响应[3]。当响应结果较满意时，此时的PID控制器参数就可作为下位机PLC控制器参数进行实物的控制，这就是本设计的一个关键所在[4]。当要进行某个实验时，如双容水箱串级控制实验，具体的过程如下：第一，MATLAB与组态王建立通信任务；第二，MATLAB通过组态王获得现场的双容水箱阶跃响应数据；第三，MATLAB利用响应数据根据一些方法或是经验公式进行实时参数的计算，获得被控水箱对象的数学模型；第四，利用MATLAB/Simulink的计算机仿真功能，进行过程控制系统的仿真，PID参数的设置包括利用工程方法、经验法进行反复调整整定和利用模糊PID参数自整定两种方式[5-6]；第五，通过分析比较仿真结果的曲线，获得最佳的PID参数；第六，将PID参数传送到组态王，接着送到控制器，进行被控对象实物的控制。

图1 设计性实验原理框图

2 实验举例分析

过程控制的被控参数包括水位、流量、温度等，其中水箱液位控制是最典型的过程控制，各高校也均围绕液位开设了一系列实验，包括对象特性测试、单回路控制系统、串级控制系统等。因此，本综合设计也围绕液位控制展开，以双容水箱液位控制为例，对原有实验进行了充分利用，并把分散的几个液位实验整合起来。

2.1 MATLAB与组态王数据的通信

MATLAB与组态王通信通常有以下几种方法：运用COM组件、Axtive控件、OPC技术、DDE技术。本文采用DDE技术实现组态王与MATLAB间的数据交换。其中MATLAB作为客户，组态王作为服务器[7]。

2.1.1 组态王中实现DDE通信

定义DDE设备，在工程管理器中选择“设备DDE”，双击“新建”图标，弹出“设备配置向导”，按向导操作；定义变量，连接设备为定义的DDE设备。变量名是在组态王中使用的，而变量项目名则是供MATLAB引用的。

2.1.2 MATLAB中实现DDE通信

用ddeinit函数与服务器建立对话，建立成功则该函数返回一个通道号；用ddeadv请求建立热链；ddereq向服务器要数据，返回的是存有数据的矩阵；Ddepoke函数向服务器发送数据。

2.2 被控对象特性模型的获取

要获取模型，首先，MATLAB通过通信方式发送指令给组态王，通过组态王启动已经开发好的“双容水箱特性的测试实验”；接着，通过通信方式将实验数据返回MATLAB，MATLAB完成模型参数计算双容水箱液位的阶跃响应曲线如图2所示，具体的计算实例如下描述。

图2 双容水箱液位的阶跃响应曲线

(1)

(2)

(3)

由上述两式中解出T1和T2，图2中的直线为经过P点的切线，切线与时间轴的交点为A，OA之间的时间即为对象滞后的时间，得到如式(4)所示的传递函数。

(4)

其中，τ为对象滞后的时间常数。

2.3 PID参数整定

模糊控制采用的是拟人的思考判断办法，它将人已有的经验与控制方案表达为模糊控制规则，很适用于具有非线性、大滞后特性的复杂系统，如液位串级控制系统。为了克服常规PID调节器的不足，本综合性设计在常规PID控制基础上引入模糊控制，形成模糊PID参数自整定控制。实践表明，串级模糊PID控制由于它的超前控制作用和主控制器PID参数实时调整，能够大大克服系统的各种延迟，如容积延迟，缩短系统的控制时间，使系统响应加速，工作频率也有所提高，控制品质得到较大改善，实现双容液位的较高精度控制[8]。

利用MATLAB/Simulink的仿真功能，完成各个过程控制系统的仿真，包括串级控制系统、前馈—反馈控制系统、单闭环比值控制系统、双闭环比值控制系统、解耦控制系统、模糊PID参数自整定控制系统等，比较仿真曲线结果即可获得最佳PID参数。其中，有三个模块采用的是MATLAB提供的封装技术进行模块的封装：PID控制器、FUZZY控制器和被控对象[9]。封装后的模块可以通过几个接口和外界其它模块交流或是连接，PID控制器模块接口包括偏差、偏差变化率、PID参数等；FUZZY控制器模块与其它模块的接口为偏差、P输出、I积分输出、D微分输出；被控对象模块与其它模块的接口为对象传递函数的各个系数。两个典型的仿真图如图3和图4所示，图3是串级控制系统，根据经验观察或是工程经验，手动输入PID参数，即传统的PID控制；图4引入了智能控制技术，利用MATLAB自带的模糊控制工具箱获得PID参数，即模糊自整定PID串级控制系统。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]。

图3 串级手动调节PID参数仿真图

图4 模糊自整定PID参数仿真图

3 综合性实验平台实例

本设计根据使用的实际情况，利用MATLAB的GUI功能开发了用户界面。方便使用者调出各个控制系统的仿真结果图形、控制系统框图、主副PID参数、控制对象的模型参数等各项信息，实现人机交互。在仿真平台的GUI界面中，每一按钮或选择框均有一个回调函数，如标签为“开始仿真”按钮回调函数为“starts.m”，完成调用MATLAB的“Simulink model file”，标签为“控制选择”的选择框，回调函数为“huatu.m”，完成控制系统框图显示功能，标签为“获取对象数学模型参数”的按钮，回调函数为“models.m”，完成模型参数计算功能，最后得到的运行界面如图5所示。使用步骤如下：(1)选择控制系统的结构，如模糊PID串级控制系统、串级控制等；(2)点击获取对象数学模型参数按钮，则最后的参数显示在文本框内；(3)点击开始仿真按钮，则在仿真图形坐标上可以看到系统的仿真图形。

图5 仿真平台的GUI界面

图6 串级控制实验界面

综合分析各个仿真结果输出图的快速、准确、稳定性等的对应参数，获得最佳的PID参数，将PID参数送到组态王，以这个PID参数为基准，进行实际系统的实验操作。由于仿真平台采用的是比例系数、积分系数、微分系数，而组态王使用的是比例度、积分时间、微分时间，所以参数送到组态王之前要进行换算。串级控制实验界面如图6所示。

4 实验教学效果分析

学生可单独使用本设计的GUI仿真软件。该仿真软件不仅可以使学生加深对控制系统相关概念的理解，同时可以让他们体验PID单独控制或结合控制对系统的影响和PID控制参数对响应的影响，进而加深对PID控制规律的理解和掌握，还可以培养学生工程设计及实施能力(MATLAB仿真是控制系统设计的重要组成部分)。通过仿真系统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，显示出巨大的经济效益。

通过整个综合性实验的实践，学生得到了综合训练，提高了分析、解决实际问题的综合能力，深刻体会仿真系统与实际系统在控制上的区别，感受实际工程控制时可能遇到的难题。而且，综合性实验涉及较多的内容，如DDE通信技术、模糊控制、对象特性参数的计算、MATLAB/Simulink仿真、封装技术、模糊PID控制器等，扩大了学生的知识面，大大提高了他们的学习热情,激发了其学习潜能。在该综合性实验中，80%～90%的学生可以顺利得到较满意的控制器参数和控制效果，实验效率和教学效果明显得到提高。

5 结语

本文从目前实践教学存在的问题出发，结合已有实验室平台条件，开发设计一个基于软硬件结合、实物控制与仿真控制结合、基于真实模型的MATLAB/Simulink仿真、融合较多学科知识的一个综合性实验。实验证明，该平台提高了实验内容的质量,加强了学生对知识的消化与融合,提高了整个教学质量。对于自动化专业的学生来说，核心知识为控制与系统，在本文设计的综合性实验充分得到体现，达到培养自动化专业人才的目的。

[1]杜海顺,邹大勇.过程控制教学改革探索[J].中国现代教育装备,2015(9):58-60.

[2]白杰,潘常春,杜文曾,等.基于LabVIEW平台的可配置过程控制教学实验系统[J].实验室研究与探索,2015(12):97-100.

[3]阳武娇.基于Simulink的“过程控制系统”仿真实验教学研究[J].高校实验室工作研究,2011(3):52-53.

[4]郭阳宽,王正林.过程控制工程及仿真[M].北京:电子工业出版社,2009.

[5]冯鹏辉,谭兮,刘国营.三容水箱液位控制系统的设计与仿真[J].湖南工业大学学报,2011(6):51-55.

[6]吴兴纯,杨燕云,吴瑞武,等.基于参数自整定的双容液位模糊控制系统设计[J].自动化与仪器仪表,2011(4):41-43.

[7]李敏,邹涛,杨马英,等.基于组态王与MATLAB的监控软件实现[J].武汉理工大学学报,2011(6):100-104.

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[9]王淑钦,徐博文.过程控制系统仿真软件的设计与实现[J].实验室研究与探索,2002(1):53-55.

[10]郝莉红,王志腾,陈洪.基于MatlabSimulink对半主动悬架的Fuzzy-PID控制仿真研究[J].河北工业科技,2013(1):42-46.

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，讲师，硕士研究生，从事智能优化、建模与控制研究。

TP212

A

2095-7602(2017)06-0033-05