基于網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)的DTS

1、基于網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)的DTS-200三容液位過(guò)程控制仿真實(shí)驗(yàn)1. 課題來(lái)源及研究的背景和意義 過(guò)程控制即對(duì)連續(xù)生產(chǎn)過(guò)程的自動(dòng)控制，作為自動(dòng)化技術(shù)的重要分支，已廣泛應(yīng)用于石油、化工、制藥、輕工、紡織、冶金、環(huán)境工程等國(guó)民經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域。在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)化中，過(guò)程控制技術(shù)正在為實(shí)現(xiàn)各種最優(yōu)技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)、提高經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益、提高勞動(dòng)生產(chǎn)率、節(jié)約能源、改善勞動(dòng)條件、保護(hù)環(huán)境衛(wèi)生、提高市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力等方面起著越來(lái)越巨大的作用，先進(jìn)過(guò)程控制技術(shù)已成為國(guó)內(nèi)外高校及企業(yè)的研究熱點(diǎn)。在這樣的背景下，過(guò)程控制也成為國(guó)內(nèi)高校自動(dòng)化專業(yè)的重要專業(yè)課程。掌握好這門課程對(duì)于學(xué)生來(lái)說(shuō)，即是今后科研工作的理論基礎(chǔ)，也是提高分析

2、解決實(shí)際工程問(wèn)題的重要機(jī)會(huì)。 對(duì)于專業(yè)課程教學(xué)而言，理論與實(shí)際的結(jié)合是至關(guān)重要的，重視實(shí)踐性教學(xué)環(huán)節(jié)，著眼培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手技能對(duì)學(xué)生的專業(yè)能力提高具有重大意義。本文主要研究對(duì)象為德國(guó)Amira公司的DTS-200三容水箱過(guò)程控制實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，它是一種可以模擬多種對(duì)象特性的實(shí)驗(yàn)裝置，同時(shí)配備了相應(yīng)的軟件平臺(tái)。作為典型的過(guò)程控制實(shí)驗(yàn)設(shè)備，其在國(guó)內(nèi)外很多大學(xué)和實(shí)驗(yàn)室都已得到了廣泛的應(yīng)用，在過(guò)去幾十年中，三容水箱系統(tǒng)作為研究故障診斷與容錯(cuò)控制問(wèn)題的基準(zhǔn)系統(tǒng)被學(xué)術(shù)界廣為接受。同時(shí)三容液位控制是綜合實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，該系統(tǒng)為集于了自動(dòng)控制原理、計(jì)算機(jī)控制、傳感器技術(shù)、過(guò)程控制等理論知識(shí)，可以進(jìn)行數(shù)學(xué)建模、單容、雙容、三

3、容PID液位控制以及解耦、模糊、預(yù)測(cè)控制等高級(jí)算法實(shí)驗(yàn)，是高校自動(dòng)化課程中重要且實(shí)用的實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)備。但是，在高校實(shí)際課程教學(xué)中，仍存在許多問(wèn)題亟待解決：（1） 類似這樣進(jìn)口儀器設(shè)備價(jià)格昂貴，大部分高校沒(méi)有經(jīng)費(fèi)購(gòu)置，無(wú)法開(kāi)展相關(guān)實(shí)驗(yàn)；而在少數(shù)配置了設(shè)備的高校內(nèi)，由于課程設(shè)置原因儀器確長(zhǎng)期閑置不用，造成資源得不到合理利用，效率低；（2） 由于過(guò)程控制實(shí)驗(yàn)是連續(xù)過(guò)程，學(xué)生大量時(shí)間浪費(fèi)在等待上；另外，如果課程時(shí)間沖突，學(xué)生則會(huì)失去做實(shí)驗(yàn)的機(jī)會(huì)；（3） 教學(xué)儀器通常只有一套，由老師演示完成，學(xué)生實(shí)際動(dòng)手實(shí)踐機(jī)會(huì)極少，難以獲得感性認(rèn)識(shí)，實(shí)驗(yàn)效果難盡人意；在這樣的背景下，網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)三維實(shí)時(shí)仿真實(shí)驗(yàn)室(3

4、D-NCSLab)應(yīng)運(yùn)而生。NCSLab是基于互聯(lián)網(wǎng)的三維虛擬現(xiàn)實(shí)的實(shí)時(shí)仿真控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室。它集成了多種三維虛擬現(xiàn)實(shí)的實(shí)驗(yàn)設(shè)備，可以對(duì)各類經(jīng)典控制、現(xiàn)代控制、先進(jìn)控制系統(tǒng)等進(jìn)行實(shí)時(shí)仿真。它可針對(duì)各種三維虛擬被控制對(duì)象，在互聯(lián)網(wǎng)瀏覽器中對(duì)控制方法和策略進(jìn)行閉環(huán)控制系統(tǒng)的可視化組態(tài)設(shè)計(jì)；然后自動(dòng)生成可執(zhí)行代碼，經(jīng)網(wǎng)絡(luò)下載到實(shí)時(shí)仿真控制器中執(zhí)行，實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)仿真；同時(shí)經(jīng)網(wǎng)絡(luò)化可視監(jiān)控組態(tài)設(shè)計(jì)可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)視和遠(yuǎn)程調(diào)試。這樣一來(lái)，各高校學(xué)生只需要登錄WEB瀏覽器，輸入相應(yīng)域名即可登錄網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)室操作實(shí)驗(yàn)，而不受時(shí)間地點(diǎn)的限制，極大地促進(jìn)了高校間實(shí)驗(yàn)資源的合理利用，也便利了學(xué)生的實(shí)驗(yàn)和學(xué)習(xí)。另外，該平

5、臺(tái)不局限于過(guò)程控制，集成了包括倒立擺、伺服系統(tǒng)、球桿系統(tǒng)等的20種三維虛擬實(shí)驗(yàn)設(shè)備，可以對(duì)各類經(jīng)典控制（例如基于傳遞函數(shù)的PID控制、頻率響應(yīng)法、根軌跡法）、現(xiàn)代控制（基于狀態(tài)空間方程的LQR控制）、先進(jìn)控制系統(tǒng)（例如神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制等智能控制系統(tǒng)）進(jìn)行實(shí)時(shí)仿真，它可針對(duì)各種三維虛擬被控制對(duì)象，在互聯(lián)網(wǎng)瀏覽器中對(duì)控制方法和策略進(jìn)行閉環(huán)控制系統(tǒng)的可視化組態(tài)設(shè)計(jì)；然后自動(dòng)生成可執(zhí)行代碼，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)下載到實(shí)時(shí)仿真控制器中執(zhí)行，實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)仿真；同時(shí)經(jīng)網(wǎng)絡(luò)化可視監(jiān)控組態(tài)設(shè)計(jì)可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)視和遠(yuǎn)程調(diào)試，極大的豐富了教學(xué)內(nèi)容。國(guó)內(nèi)外在該方向的研2. 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀及分析1.網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)室的研究現(xiàn)狀 當(dāng)今，隨著網(wǎng)

6、絡(luò)技術(shù)的發(fā)展和網(wǎng)絡(luò)規(guī)模不斷擴(kuò)大，網(wǎng)絡(luò)越來(lái)越成為人們生活的一部分，在這種前提下，基于Web的遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)室應(yīng)運(yùn)而生。網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)室由于其具有資源共享、拓展靈活、有利于個(gè)性化實(shí)驗(yàn)和操作簡(jiǎn)單等方面的優(yōu)勢(shì)，無(wú)論在國(guó)內(nèi)還是在國(guó)外都受到越來(lái)越多的重視，越來(lái)越多的國(guó)家都在積極開(kāi)發(fā)網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)室，包括美國(guó)、德國(guó)、新加坡等。幾年前，在米蘭理工大學(xué)就建成能夠提供課程討論和輔導(dǎo)的遠(yuǎn)程教育系統(tǒng)。在德國(guó)的埃朗根-紐倫堡大學(xué)建成了介紹VHDL工具的虛擬實(shí)驗(yàn)室，它可以作為輔導(dǎo)教學(xué)的手段，可以給學(xué)生演示如何對(duì)實(shí)驗(yàn)設(shè)備進(jìn)行控制。 在國(guó)內(nèi)，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)信息網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)室為無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信安徽省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)的成員單位之一，由李津生教授創(chuàng)建于 1988

7、 年，原名 ISDN 實(shí)驗(yàn)室。實(shí)驗(yàn)室自成立以來(lái)，一直致力于網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)理論研究和關(guān)鍵技術(shù)開(kāi)發(fā)，先后承擔(dān)了國(guó)家自然科學(xué)基金、科技部重大專項(xiàng)、863 課題、中國(guó)下一代互聯(lián)網(wǎng) CNGI 項(xiàng)目、國(guó)家攻關(guān)課題等 20 余項(xiàng)國(guó)家、軍隊(duì)和省部級(jí)重大課題。實(shí)驗(yàn)室是國(guó)內(nèi)較早從事 IPv6技術(shù)研究和應(yīng)用的科研單位之一。目前，在對(duì)新一代網(wǎng)絡(luò)技術(shù)及其應(yīng)用的研究中，實(shí)驗(yàn)室主要課題方向包括：P2P、流媒體傳輸、無(wú)線分布式網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)（包括無(wú)線 Ad Hoc 網(wǎng)絡(luò)、無(wú)線 Mesh 網(wǎng)絡(luò)、DTN 網(wǎng)絡(luò)等）、移動(dòng) IPv6、網(wǎng)絡(luò)編碼、網(wǎng)絡(luò)安全等。實(shí)驗(yàn)室還承擔(dān)學(xué)校本科生和研究生的教學(xué)工作，教學(xué)內(nèi)容注重與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展同步，并及時(shí)將科研

8、成果反映到課堂教學(xué)和實(shí)驗(yàn)中。3.主要研究?jī)?nèi)容作為一門實(shí)驗(yàn)課程，主要目的是鍛煉學(xué)生的動(dòng)手操作和獨(dú)立思考能力，將所學(xué)的理論與實(shí)際情況結(jié)合，加深理解并學(xué)會(huì)應(yīng)用。因此，本課題的主要任務(wù)即設(shè)計(jì)適合本科生的過(guò)程控制實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生驗(yàn)證和應(yīng)用過(guò)程控制課程中所學(xué)的理論知識(shí)。在設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)中，主要基于以下幾個(gè)原則：Ø 與上課所學(xué)的理論緊密相連，利用實(shí)驗(yàn)課程理解和檢驗(yàn)知識(shí)；Ø 以實(shí)驗(yàn)?zāi)康臑閷?dǎo)向，讓學(xué)生親自動(dòng)手，Ø 由于實(shí)驗(yàn)課時(shí)較少，保持每個(gè)實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容在合理范圍內(nèi)。在這幾個(gè)原則的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了以下實(shí)驗(yàn)內(nèi)容：n 液位系統(tǒng)的數(shù)學(xué)建模 包括機(jī)理建模與測(cè)試建模，目的是通過(guò)實(shí)驗(yàn)讓學(xué)生了解常用工程數(shù)學(xué)模型

9、建模方法，用階躍響應(yīng)測(cè)試被控對(duì)象建立數(shù)學(xué)模型的基本步驟。n 液位過(guò)程系統(tǒng)的PID控制 掌握過(guò)程控制中最常用的PID控制算法，熟悉該方法的控制器設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。并且通過(guò)實(shí)驗(yàn)理解PID各參數(shù)的具體作用。n 雙容液位系統(tǒng)的串級(jí)PID控制 熟悉串級(jí)回路的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，與單回路PID控制比較，了解串級(jí)控制在抑制干擾和非線性特性、改善動(dòng)態(tài)性能方面的作用。n 純滯后系統(tǒng)的Smith預(yù)估控制 了解純滯后環(huán)節(jié)的系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響，掌握預(yù)估控制器的傳遞函數(shù)推導(dǎo)過(guò)程n 模糊自適應(yīng)整定PID控制n 模型預(yù)測(cè)控制（MPC）n 解耦控制了解以上高級(jí)算法的原理，并與傳統(tǒng)PID控制的效果比較 4.研究方案及進(jìn)度安排，預(yù)期達(dá)到的目標(biāo)4.

10、1課題研究方案1. 對(duì)液位控制系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)學(xué)建模，并與實(shí)驗(yàn)測(cè)得的曲線比較，驗(yàn)證其正確性。2. 采用工程實(shí)際中常用的數(shù)字PID控制，設(shè)計(jì)不同的液位控制實(shí)驗(yàn)。主要包括位置式PID和增量式PID的控制效果比較，單回路PID控制與串級(jí)回路PID控制的控制效果比較，分析各種控制算法的優(yōu)劣。通過(guò)MATLAB軟件中的SIMULINK工具，搭建仿真系統(tǒng)，觀察實(shí)驗(yàn)結(jié)果，以便在網(wǎng)絡(luò)化實(shí)驗(yàn)室平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)。3. 設(shè)計(jì)適合液位控制系統(tǒng)的高級(jí)控制算法，主要有模糊自適應(yīng)整定PID控制，多入多出解耦控制和預(yù)測(cè)控制。4. 將上述仿真結(jié)果與實(shí)際液位控制實(shí)驗(yàn)所得的曲線進(jìn)行比較，以驗(yàn)證正確性。4.2進(jìn)度安排2014年3月1日2014年3

11、月15日熟悉MATLAB軟件以及SIMULINK工具的使用，在此期間通過(guò)圖書(shū)館資源以及網(wǎng)上資料了解過(guò)程控制系統(tǒng)特點(diǎn)以及液位控制系統(tǒng)常用控制方案，2014年3月16日2014年3月31日推導(dǎo)和建立液位控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，并與實(shí)際實(shí)驗(yàn)測(cè)得的液位曲線比較，驗(yàn)證模型的正確與準(zhǔn)確性，并查找問(wèn)題來(lái)源，2014年4月1日2014年4月15日學(xué)習(xí)常用高級(jí)PID控制算法，并嘗試在SIMULINK中搭建并仿真，2014年4月16日2014年4月30日研究所需的高級(jí)控制算法，如預(yù)測(cè)控制，解耦控制等，設(shè)計(jì)液位控制系統(tǒng)所需的控制器并仿真，2014年5月1日2014年5月15日將上述仿真結(jié)果與實(shí)際DCS-200的實(shí)驗(yàn)結(jié)果相比較，若有出入，分析為題來(lái)源，2014年5月16日2014年5月30日 2014年6月1日2014年6月15日撰寫畢業(yè)論文，準(zhǔn)備畢業(yè)答辯。6.預(yù)計(jì)研究過(guò)程中可能遇到的困難和問(wèn)題，以及解決的措施1. 現(xiàn)有的服務(wù)器中MATLAB軟件版本較低，MDL文件在不同版本間的兼容性很差；1. WEBCONSIM上可供設(shè)計(jì)用的模塊較少，很多高級(jí)算法例如模糊控制器、