控制器硬件在环虚实结合远程过程控制实验系统

控制器硬件在环虚实结合远程过程控制实验系统鄢

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王华忠姚俊

渊化工过程先进控制和优化技术教育部重点实验室渊华东理工大学冤袁上海圆园园圆猿苑冤

程华渊华东理工大学网络教育学院袁上海圆园园圆猿苑冤

摘要院构建了一种硬件在环虚实结合远程过程控制实验系统袁选用经典悦杂栽砸过程模型替代真实被控设备袁利用酝葬贼鄄造葬遭程序实现被控过程模型的动态仿真与管理袁选用杂苑原猿园园可编程控制器实现对仿真模型的控制袁最后基于组态软件开发了宰藻遭服务器及实验测控系统以支持通过因特网开展远程实验遥该系统通过韵孕悦技术实现了仿真模型尧杂苑原猿园园控制器与实验测控系统之间的实时数据交换袁有效整合了控制器硬件在环技术与虚拟仿真的优点遥系统测试表明袁该系统支持用户通过浏览器远程实验操作袁为远程实践教学提供了有效支撑遥

关键词院硬件在环曰远程实验曰韵孕悦曰因特网

粤遭泽贼则葬糟贼押粤增蚤则贼怎葬造葬灶凿则藻葬造蚤灶贼藻早则葬贼藻凿则藻皂燥贼藻责则燥糟藻泽泽糟燥灶贼则燥造造葬遭燥则葬贼燥则赠怎泽蚤灶早澡葬则凿憎葬则藻蚤灶造燥燥责贼藻糟澡灶燥造燥早赠蚤泽责则燥责燥泽藻凿蚤灶贼澡蚤泽责葬责藻则援

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作为制造业大国袁我国有大量学生接受远程工科教育遥目前袁我国经济发展正经历从传统模式到新经济的转型袁这就迫切需要新型工科人才支撑咱员暂遥新型工科人才首先要有扎实的实践能力遥然而袁受制于教学资源和条件等因素的限制袁现有各类工科专业的学生普遍缺乏足够的实验和实践教学训练袁这不仅制约了理论知识的理解袁而且造成学生动手能力和实践能力下降遥得益于因特网技术等发展袁虚拟实验咱圆原猿暂和远程控制实验咱源原缘暂由于不受到时空的限制袁已在自动化尧通信尧土木工程尧化工尧计算机等课程的远程实验教学上得到较普遍应用遥国内外不少大学也建立了远程实验室咱远原苑暂遥虚拟实验虽然支持大规模实验袁但由于完全采用软件的方式袁与真实实验差距较大袁学生缺乏临场感遥远程实验虽然基于实物设备袁可以给学生较好的临场感受和真实数据袁但因为它完全基于真实的物理设备袁全套设备购置尧运行和维护成本高袁实验的开展仍然受到实验台套数的约束遥显然袁虚拟实验与远程实验在特点上存在互补性遥对于控制类专业学生袁控制器是重要的控制设备袁其成本在整套控制类实验中占比较低遥因此袁可以利用控制器硬件在环技术咱愿暂和被控对象动态仿真技术来融合两者的优势袁开发出虚实结合远程实验系统袁不仅节约控制实物对象和测控仪表的昂贵购置和维护费用袁而且还可以支持大规模实验袁更加有利于开展远程实验实践教学遥

本文构建了一种硬件在环虚实结合远程实验系统袁以典型化工对象的仿真模拟代替真实的被控过程袁而控制器及上层的工控软件用真实的设备遥员远程实验系统设计员援员实验系统结构设计

设计的基于陨灶贼藻则灶藻贼的控制器硬件在环虚实结合的远程实验系统结构图如图员所示遥它由远程实验门户和管理子系统尧远程实验测控子系统和控制器硬件在环仿真子系统组成遥远程实

鄢中央高校基本科研业务费专项资金资助渊圆圆圆圆园员怨员苑园园远冤

验学生通过陨灶贼藻则灶藻贼登录到实验门户袁在实验系统的管理和控制下袁开展实验工作遥底层控制器硬件在环仿真子系统是核心子系统袁支撑各种预定的实验开展遥实验门户软件配置有独立陨孕地址的宰藻遭服务器袁实验客户机通过陨灶贼藻则灶藻贼与宰藻遭服务器连接遥远程实验客户端宰藻遭服务器接受远程实验工作站的实验请求袁根据用户的操作控制实验流程和产生实验数据袁

图员系统结构图

并将实验过程数据尧实验

结果通过陨灶贼藻则灶藻贼传送给远程的实验者遥

以悦杂栽砸过程的反应器温度控制为例袁说明该系统的信号交换过程遥当悦杂栽砸过程仿真与管理程序收到远程实验指令后袁首先根据管理界面预先设置的有关仿真参数对悦杂栽砸模型进行仿真袁仿真得到的过程被控变量通过杂苑原猿园园韵孕悦服务器被送到杂苑原猿园园控制器存储器中的数据块作为孕陨阅控制指令的测量值袁孕陨阅指令根据来自远程用户输入的设定值及相关的控制器参数和仿真得到的测量值等计算出控制器输出值袁该值又通过韵孕悦数据交换从孕蕴悦数据块送到酝葬贼造葬遭模型袁作为下一个周期动态模型仿真的输入袁从而形成了控制器硬件在环的单回路闭环控制遥在该系统中袁韵孕悦技术被用于酝葬贼造葬遭仿真与管理程序尧远程实验测控程序和杂苑原猿园园控制器之间的实时数据交换遥

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员援圆实验系统内容设计

进行实验和实践教学时袁经常碰到的问题是存在学生抄袭他人实验数据的问题遥一方面袁教师可以从教学管理上防止学生抄袭实验数据袁但还应该在实验内容设计时袁想办法从技术上阻止实验数据雷同的可能性遥当被控对象是过程模型仿真而不是实物时袁就为从技术上解决这个问题创造了条件遥以本实验系统的悦杂栽砸过程为例袁对于不同组的学生袁实验设计时在标称的动态模型参数尧工艺参数上加上一定范围内的随机值袁这样可以确保不同组学生实验数据不同遥另外袁还可以在悦杂栽砸动态模型上添加不同方差的白噪声袁这样不仅可以进一步确保不同组学生实验数据不同袁而且还使得仿真得到的实验数据更加接近实物系统遥

此外袁还需要根据课程教学要求进行实验内容详细设计遥根据过程控制相关专业的教学要求袁结合网络学院学生的特点和培养层次要求袁参考国内外过程控制实验对象研究成果咱怨暂实验内容院淤被控对象特性测试实验曰于过渡过程动态袁设特计了性分析实如下验曰盂单回路控制系统定值控制实验曰榆单回路控制系统随动控制实验曰虞复杂控制系统实验袁如串级控制曰愚控制器参数整定实验遥

通过该这样的实验内容设计袁不仅使得学生能够更好理解理论知识袁而且可以培养学生具有较强的过程控制系统分析尧设计尧运行和维护能力袁能够很好地满足流程工业企业及智能制造对自动化人才素质的要求遥圆实验系统开发

圆援员仿真模型及其动态仿真

本系统选用经典的悦杂栽砸模型咱员园暂是由环戊二烯渊组份粤冤生成主产品环遥戊烯该模型渊组份描月述冤的和化副学产反品应二环渊戊二烯渊组份阅冤以及由环戊烯继续反应生成的副实组验份时悦袁冤袁取模型冷却剂参数温和工度栽艺运为控制参数具系统体值的详见操文献纵变咱量员园曰暂遥产品由于进环行控制戊酮反应器中反应产物浓度一般不可在线测量袁因此袁取反应温度栽这一间接质量指标作为被控变量遥而反应器入口温度栽园和浓度悦粤园料进料体积流量灾是随工艺波动的袁这里作扰动处理遥

尧物为了能够实时改变控制系统模型的参数袁在远程实验运行过程中添加扰动袁并使被控对象及状态变量的控制结果动态显示袁方便实验管理者了解实验进程袁在酝葬贼造葬遭仿真平台除了完成渊设郧哉陨必须计的冤来的内实现悦杂栽砸容保仿真过程动态仿真外袁还设计了一个图形用户界面存在管两理个文件中功能遥酝葬贼造葬遭袁其中提一供个了是郧哉陨云陨郧设文件计工袁具扩袁展郧哉陨名为援云蚤早袁它包含对郧哉陨和郧哉陨组件的完整描述曰另外一个是酝文件袁扩展名为援酝袁它包含控制郧哉陨的代码和组件的回调事件代码遥这两个文件与郧哉陨显示和编程任务相对应遥

利用文本代码方式编写了动态仿真程序袁保存在援酝文件中遥其中求解微分方程用燥凿藻源缘函数遥与通常的仿真只需指定仿真起始尧终止时间和步长等参数不同袁这里每个采样周期渊本系统设为员泽冤调用一次燥凿藻源缘进行动态仿真袁然后把该次仿真的终值再作为下次动态仿真的初始值袁同时把该次仿真终止时间作为下次仿真起始时间袁直至达到最终仿真结束时间遥此外袁由于每个仿真周期都要利用到杂苑原猿园园控制器中的孕陨阅指令的输出渊操纵变量冤作为酝葬贼造葬遭模型的输入变量袁因此袁仿真程序需要定时与杂苑原猿园园的韵孕悦服务器通信以读取该变量遥为此袁在仿真程序中编写了韵孕悦通信所需要的一系列代码袁包括创建韵孕悦数据访问对象尧建立与韵孕悦服务器的连接尧创建数据访问组对象尧存储韵孕悦项名到组以及进行相应的读写操作等遥圆援圆远程实验测控子系统功能与开发

远程实验测控子系统要实现的功能包括院

控制器硬件在环虚实结合远程过程控制实验系统

员冤与上层远程实验门户和管理子系统通信袁接受各种实验请求和对实验操作过程进行管理曰

圆冤分别与杂苑原猿园园孕蕴悦和悦杂栽砸过程仿真系统通信袁采集实时实验数据袁并存储实验数据曰

猿冤向用户发布实验过程界面及实时数据袁接受用户远程实验操作曰

源冤杂苑原猿园园孕蕴悦通过杂苑原猿园园孕蕴悦的韵孕悦服务器与悦杂栽砸过程仿真系统通信袁从而实现控制器硬件在环的闭环仿真功能遥

本文选用了北京亚控公司的组态王远援缘缘版软件进行远程实验测控程序开发遥为实现上述功能袁首先需要在组态王的实时数据库中定义虚拟实验中用到的变量袁通过韵孕悦接口实现与酝葬贼造葬遭开发的悦杂栽砸过程仿真程序通信遥通过组态王自带的杂苑原猿园园孕蕴悦以太网通信驱动实现与该控制器的通信遥

远程实验测控子系统的宰藻遭功能是利用组态王提供的相关工具实现的遥组态王宰藻遭功能可以实现画面发布尧数据发布和韵悦载控件发布袁客户端浏览器可以获得与组态王运行系统相同的监控画面尧数据显示尧报表显示尧报警显示等遥同时还可以方便快捷地向现场发布控制命令袁实现实时控制的功能遥根据实验的需要袁分别开发不同实验对应的人机界面袁然后利用组态工具转化为可在陨耘浏览器访问的页面遥

由于要实现控制器硬件在环功能袁因此袁要在控制器中编写一定的程序遥这里以对反应器的温度定值控制为例来说明遥利用西门子博图灾员猿编程软件完成对控制器硬件的组态遥由于这里是控制器硬件在环仿真袁过程的输入和输出参数通过韵孕悦通信实现袁因此控制器无需配置输入或输出模块袁只需要配置一个悦孕哉模块和以太网通信模块渊也可选配带以太网接口的悦孕哉模块冤尧电源和底板就可组成满足需求的孕蕴悦控制硬件设备遥完成对控制器硬件尧网络等参数等配置后袁就可以进行控制器软件编程遥选用梯形图编程语言袁调用相应的孕陨阅指令袁对该指令相关的变量完成定义及与孕陨阅指令的输入与输出端口完成连接遥孕蕴悦程序中孕陨阅指令如图圆所示渊为了节省篇幅部分不重要输入端口没有显示冤遥这里的杂孕赃陨晕栽就是远程用户可以设置的被控温度设定值袁孕灾赃陨晕是被控变量测量值袁通过韵孕悦服务器关联到酝葬贼造葬遭模型中反应器温度遥而控制器的输出蕴酝晕则是通过韵孕悦服务器与仿真模型中的操纵变量栽糟相关联的遥孕陨阅指

图圆杂苑原猿园园孕蕴悦控制程序的孕陨阅指令参数组态

叶工业控制计算机曳圆园员怨年第猿圆卷第员园期令的控制参数袁如郧粤陨晕尧栽陨和栽阅和设定值一样袁是远程用户可以调节的参数遥孕陨阅控制器中的手动输出酝粤晕也是用户可以远程调节的变量袁既可以用于闭环控制实验袁也可用于对象开环特性实验遥为了更好组织数据袁便于韵孕悦服务器中变量地址设置及给孕陨阅输入输出端口赋值袁在控制器中自定义了数据块野悦杂栽砸赃阅月冶遥孕陨阅指令中的其他参数具体含义可参考该指令的帮助文件遥圆援猿实验测试

参与实验的学生首先登录到远程实验门户和管理系统袁该系统主要提供学生实验预约和登录服务袁已预约过的学生可以在预约的时间段内开展实验遥在实验过程中袁实验管理系统会自动根据实验内容来判断学生的实验数据是否明显偏离实验要求遥例如袁学生在进行单回路定值控制实验袁如图猿所示渊模型中加了白噪声冤遥如果输入的控制器比例度孕明显偏离正常范围袁则系统会自动提示学生数据异常袁要求重新输入遥在实验进行过程中袁如果学生输入的参数导致系统逐步发散袁实验系统会在线提醒学生调整控制器参数袁以使系统过渡过程符合规定的要求遥实验过程中袁系统还会自动记录学生操作不正确的次数袁以评估学生实验技能遥参数设置异常尧操作顺序不正确等都统计为学生实验操作不正确遥实验结束后袁实验系统会保留实验数据袁学生

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可以下载该数据以进行进一步的实验分析和完成实验报告遥猿结束语

测试表明袁该系统支持学生通过网络浏览器进行远程实验操作袁实验平台可操作性强尧界面友好尧数据真实袁可以满足自动化相关专业的过程控制类远程实验教学要求遥

参考文献

咱员暂吴爱华袁侯永峰袁杨秋波袁等援加快发展和建设新工科主动适应和引咱圆暂砸蚤糟澡葬则凿阅月熏晕蚤糟澡燥造葬泽阅允熏悦葬造燥粤熏藻贼葬造援粤增蚤则贼怎葬造藻灶早蚤灶藻造葬遭燥鄄

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图猿人机界面示意图

渊上接第圆源页冤

优能力袁加快收敛速度遥猿结束语

粒子群与人群搜索融合算法不仅使得收敛精度提高袁也使得收敛速度加快袁具有优越的全局搜索能力以及局部搜索能力袁为孕陨阅参数的整定提供了参考依据遥

参考文献

咱员暂王文庆袁杨楠援基于改进遗传算法的孕陨阅参数整定研究咱允暂援计算机与咱圆暂杨智袁陈颖援改进粒子群算法及其在孕陨阅整定中的应用咱允暂援控制工咱猿暂汤伟袁胡祥满援基于模拟退火算法的孕陨阅参数优化研究咱允暂援组合机床

图苑

系统阶跃响应曲线

咱源暂余胜威袁曹中清援基于人群搜索算法的孕陨阅控制器参数优化咱允暂援计算咱缘暂周志刚袁马永光袁董子健援基于人群搜索算法的自抗扰控制器参数优

化咱允暂援热力发电袁圆园员愿袁源苑渊怨冤院缘原员圆

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机仿真袁圆园员源渊怨冤院猿源苑原猿缘园与自动化加工技术袁圆园员愿渊源冤院怨圆原怨远程袁圆园员远袁圆猿渊圆冤院员远员原员远远数字工程袁圆园员愿袁源远渊员圆冤

人群搜索算法的超调量酝责和达到稳态的时间贼泽劣于标准粒子群算法袁但是人群搜索算法稳态误差小于标准粒子群算法稳态误差袁因此融合算法充分利用了人群搜索算法的全局搜索能力袁提高了算法的收敛精度袁发挥了标准粒子群算法的局部寻