過程控制實驗裝置的機理建模與虛擬仿真軟件開發(fā)

鄧 曉 剛

(中國石油大學(xué)(華東) 信息與控制工程學(xué)院，山東 青島 266580)

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·專題研討——虛擬仿真實驗·

過程控制實驗裝置的機理建模與虛擬仿真軟件開發(fā)

鄧 曉 剛

(中國石油大學(xué)(華東) 信息與控制工程學(xué)院，山東 青島 266580)

提出一種基于機理模型的實驗室裝置虛擬仿真軟件開發(fā)方法。以過程控制實驗裝置A3000水箱系統(tǒng)為仿真對象，首先用機理分析法建立其數(shù)學(xué)模型，并采用實驗測試法辨識模型中的未知參數(shù)，然后利用LabVIEW軟件開發(fā)工藝流程界面、PID控制器界面和相應(yīng)的后臺程序框圖，從而建立該實驗裝置的虛擬仿真軟件。該軟件能夠較好模擬真實實驗裝置的特性變化，有助于學(xué)生熟悉工藝流程和控制方案，有助于學(xué)生深入討論實驗過程，為進一步開展創(chuàng)新性實驗提供平臺支撐。

實驗裝置； 機理建模； 仿真軟件； LabVIEW

0 引 言

近年來，虛擬仿真實驗教學(xué)資源建設(shè)受到國家和高校的高度關(guān)注，虛擬仿真實驗教學(xué)中心的建設(shè)已經(jīng)成為高等實驗教學(xué)改革的必然趨勢[1-5]。在當(dāng)前的虛擬仿真實驗資源的建設(shè)中，一種做法是針對高成本、高風(fēng)險的實驗裝置開發(fā)虛擬仿真軟件，以提供安全、可靠、經(jīng)濟的實踐實習(xí)模式，另一種做法是針對課程實驗教學(xué)裝置，開發(fā)配套的實驗項目虛擬仿真軟件，提高實驗教學(xué)效率和效果[6-7]。本文關(guān)注的是后一種虛擬仿真模式，在該類虛擬仿真軟件開發(fā)中，目前多數(shù)基于理想化數(shù)學(xué)模型，側(cè)重控制方案演示和理論分析[8-9]，較少從機理建模角度考慮裝置的真實工藝特性。

本文以我校過程控制實驗室內(nèi)的A3000實驗裝置為對象，利用機理建模的方法建立其數(shù)學(xué)模型并通過實驗數(shù)據(jù)辨識模型參數(shù)，在此基礎(chǔ)上利用LabVIEW開發(fā)實驗裝置的虛擬仿真軟件。該軟件能夠很好地反映裝置的實際工藝特性，有助于學(xué)生開展實驗預(yù)習(xí)和復(fù)習(xí)，同時也為學(xué)生開展深入的創(chuàng)新性實驗研究提供了一個平臺。

1 過程控制實驗裝置的機理建模

1.1 建立機理模型

我校過程控制實驗室建設(shè)有8套A3000實驗裝置，承擔(dān)著“自動控制原理”、“過程控制工程”課程、綜合實踐和畢業(yè)設(shè)計等諸多實驗教學(xué)任務(wù)[10-11]。A3000實驗裝置流程簡圖如圖1所示，學(xué)生可在此完成單回路控制、串級控制、均勻控制、前饋控制及其他復(fù)雜控制實驗。該實驗裝置的工藝單元主要包括上、中、下三個水箱，底部大儲水箱及左右兩側(cè)水泵，加熱鍋爐，滯后管及若干流體管道，實驗裝置的測控系統(tǒng)包括5個溫度測量點、1個壓力測量點，2個流量測量點，1個電動調(diào)節(jié)閥，2個電磁閥。

A3000實驗裝置包括了水箱系統(tǒng)和溫度系統(tǒng)，本文主要對A3000水箱系統(tǒng)進行機理建模分析，水箱系統(tǒng)涉及到兩個流體支路，支路1利用變頻泵從底部儲水箱獲取流體，經(jīng)換熱器注水到三個水箱，支路2的流體經(jīng)工頻泵、電動調(diào)節(jié)閥至各個水箱。

圖1 A3000系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

機理建模過程中忽略管路的動態(tài)特性，所有手動閥門僅考慮開關(guān)兩種狀態(tài)，對主要單元設(shè)備上中下三個水箱、電動調(diào)節(jié)閥、變頻泵、電磁閥進行機理分析，根據(jù)各自的機理關(guān)系建立其數(shù)學(xué)模型。

上位水箱是一個側(cè)置的圓柱形水箱,它的機理模型如下:

(1)

其中：l、h1、r分別為上位圓柱水箱的長度、液位高度及圓形側(cè)面的半徑；k1為上位水箱擋板閥的閥阻系數(shù)；水流入量Qi1由調(diào)節(jié)閥u控制。

中位水箱是一個長方體水箱,它的機理模型如下:

(2)

其中：A2、h2為中位水箱的底面積和液位高度；k2為中位水箱擋板閥的閥阻系數(shù)；水流入量Qi2由上位水箱流出水量和中位進水量決定。

下位水箱也是一個長方體水箱,它的機理模型如下：

(3)

其中：A3、h3為下位水箱的底面積和液位高度；k3為下位水箱擋板的閥阻系數(shù)；水流入量Qi3由中位水箱流出水量和下位進水量決定。

電動調(diào)節(jié)閥和變頻泵的機理關(guān)系通常用線性方程描述

Qu=kuu

(4)

其中：Qu為電動調(diào)節(jié)閥或變頻泵的出口流量；u為閥門開度；ku為流量系數(shù)。

然而，筆者在實驗過程中發(fā)現(xiàn)，上式線性方程并不能準(zhǔn)確描述流量和閥門開度之間的關(guān)系。針對實際實驗裝置，用非線性方程描述更為合理，如下式：

(5)

其中：fu(·)表示非線性方程式。

電磁閥為兩位式開關(guān)閥，其機理方程如下

(6)

其中：Qi為電磁閥入口流量；Qo為電磁閥出口流量；Vs為閥門狀態(tài)。

1.2 辨識模型參數(shù)

在1.1節(jié)數(shù)學(xué)模型中,包含一系列的未知參數(shù)，它們可以分為兩類：一類是直接可測參數(shù)，如水箱的長度、半徑、高度、截面積等，通過實際物理工具測量即可；另一類是閥阻系數(shù)、流量系數(shù)，必須需要通過裝置實驗數(shù)據(jù)進行辨識。

以其中一套A3000水箱系統(tǒng)為例，測量其可測物理參數(shù)。其中上位圓筒型水箱的半徑r=0.14 m、長度l=0.33 m，h1的最大值為0.21 m；中位水箱底面積分別為A2=0.172 m2；下位水箱的底面積A3=0.181 3 m2，高度h3的最大值為0.21 m。

電動調(diào)節(jié)閥和變頻泵的流量系數(shù)、三個水箱閥阻系數(shù)的測試需要通過大量的實驗數(shù)據(jù)進行辨識。以電動調(diào)節(jié)閥的流量系數(shù)辨識過程為例，其實驗曲線如圖2(a)所示，可以看出，流量系數(shù)隨著閥門開度變化呈現(xiàn)非線性特性，可以用分段直線、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、多項式曲線擬合法等方法描述流量與閥門開度之間的非線性關(guān)系。本文采用多項式曲線擬合流量與閥門開度之間的非線性關(guān)系,其結(jié)果如圖2(b)所示,由圖中可看出多項式曲線可以很好地擬合閥門開度與流量之間的關(guān)系。

(a) 實驗曲線

(b) 擬合效果

2 虛擬仿真軟件開發(fā)

LabVIEW是一種圖形化軟件開發(fā)環(huán)境，目前已經(jīng)在工業(yè)領(lǐng)域和學(xué)術(shù)研究中得到廣泛應(yīng)用[12-13]。LabVIEW內(nèi)在的模塊庫中具有豐富的數(shù)學(xué)運算和圖形界面模塊，可以為仿真軟件人機接口界面提供技術(shù)支撐，同時其基于流程圖式的后臺編程方法能夠大大降低編程工作量和難度，是一種實現(xiàn)數(shù)學(xué)模型仿真的有力工具[14-15]。

A3000水箱系統(tǒng)虛擬仿真軟件開發(fā)的總體框架如圖3所示，包括前臺人機交互界面開發(fā)和后臺程序框圖設(shè)計。前臺人機交互界面主要用于工藝流程展示、控制器參數(shù)設(shè)置，后臺程序框圖實現(xiàn)裝置數(shù)學(xué)模型的仿真運行。

2.1 前臺界面開發(fā)

本文設(shè)計的A3000實驗裝置虛擬仿真界面包括基本工藝流程圖、單回路控制流程圖、復(fù)雜控制流程圖三類，三類流程圖實現(xiàn)過程基本類似，不做特殊區(qū)分。

首先，設(shè)計流程背景底圖。使用專業(yè)繪圖軟件或DCS組態(tài)軟件繪制出A3000裝置的工藝流程圖，將其拷貝到LabVIEW前面板上，設(shè)置好大小，作為LabVIEW仿真的背景圖，這樣可以簡化工藝流程圖的繪制過程，也可保證仿真界面與實驗室DCS系統(tǒng)界面高度相似。

圖3 虛擬仿真軟件框架結(jié)構(gòu)圖

其次，建立動態(tài)圖形元素。上述圖片是靜態(tài)的，為了使得圖片能夠與后臺數(shù)據(jù)進行連接并具有動態(tài)變化，利用LabVIEW控件面板建立動態(tài)圖形元素。動態(tài)圖形元素包括液罐控件、開關(guān)控件、文本控件、數(shù)值輸入控件、趨勢顯示控件等。

打開LabVIEW控件面板，選擇其中的“液罐控件”并插入背景圖中，分別命名為“上水箱”、“中水箱”、“下水箱”和“水槽”，設(shè)置圖形尺寸與背景圖形匹配，以顯示水槽水位。三容水箱的刻度設(shè)置為0～100，設(shè)置數(shù)字顯示項。

在控件選板中選擇添加開關(guān)控件，分別移動到插圖中水箱的進水閥、工頻泵和變頻泵位置，作為相應(yīng)的開關(guān)動作按鈕，并分別命名。

為了動態(tài)調(diào)整仿真速度，在界面中添加“仿真速度”、“采樣時間”兩個數(shù)值輸入控件,用于改變仿真速度和采樣時間。

在前面板中插入波形圖，以顯示三容水箱液位的歷史曲線?？潭仍O(shè)置為0～100，顯示百分比液位。

仿照上述步驟，在前面板中依次插入對所需要的控件。以單回路控制界面為例，設(shè)計完成后的前臺人機界面如圖4所示。

2.2 程序框圖的設(shè)計

程序框圖的設(shè)計采用模塊化編程的方法，與工藝流程相輔相成。LabVIEW程序框圖的設(shè)計非常清晰，只需要添加相應(yīng)的函數(shù)模塊和簡單的連線就可以實現(xiàn)。

首先，打開函數(shù)選板，添加while循環(huán)結(jié)構(gòu)，作為整個系統(tǒng)的運行條件，三容水箱的各個模塊都在這個while循環(huán)中編寫、連接。然后，編寫上水箱、中水箱、下水箱、PID控制器等各個程序模塊。在while循環(huán)中添加公式節(jié)點，在公式節(jié)點中編制主要單元設(shè)備和控制器的仿真程序。以PID控制的設(shè)計為例，如圖5所示,在while循環(huán)中添加條件結(jié)構(gòu)，分支選擇器與手自動開關(guān)相連，當(dāng)開關(guān)為true時，進行自動控制，當(dāng)開關(guān)為false時，進行手動控制。自動控制時，編寫自動控制器的程序模塊，輸出u與輸入u0、輸出e0與輸入e1、輸出e1與輸入e2通過移位寄存器相連。手動控制時，調(diào)節(jié)閥MV控件與調(diào)節(jié)閥模塊的輸入u相連，手動確定調(diào)節(jié)閥的輸入值。下水箱模塊的輸出連接變量PV，給定值控件連接SV變量,在此基礎(chǔ)上編程實現(xiàn)手動到自動的無擾切換。

圖4 仿真軟件界面圖

圖5 程序框圖設(shè)計

程序框圖編制完成后，結(jié)合前臺界面進行聯(lián)合調(diào)試，最后即可形成實驗室A3000裝置水箱系統(tǒng)的虛擬仿真軟件。

2.3 軟件特點分析

(1) 該仿真軟件與實驗室裝置緊密結(jié)合，具有高度的逼真性。仿真軟件的后臺程序來源于其機理模型,模型中的參數(shù)與實際裝置數(shù)據(jù)吻合,因此能夠很好逼近真實實驗裝置工藝特性,對于學(xué)生熟悉裝置、工藝、具有直接幫助。

(2) 該仿真軟件具有很好的擴展性。由于軟件基于LabVIEW平臺編寫，程序模塊非常直觀，易于修改，學(xué)生能夠在后臺直接修改相關(guān)的控制模塊，測試新的控制算法，從而拓寬了實驗時間和空間。

(3) 該仿真軟件開發(fā)過程具有較好的推廣性。對于能力較高的學(xué)生，可以要求其按照該軟件開發(fā)思路，開發(fā)某個實驗?zāi)K或者控制方案的仿真軟件，能夠全面鍛煉學(xué)生的機理建模能力、算法創(chuàng)新能力和動手編程能力。

3 結(jié) 語

本文結(jié)合我校過程控制實驗室的A3000實驗裝置，探討了其機理模型建立過程和虛擬仿真軟件開發(fā)思路?；趯嶋H實驗裝置的虛擬仿真軟件不但具有很強的針對性，能夠為學(xué)生開展實驗預(yù)習(xí)和實驗回顧提供直接幫助，同時LabVIEW平臺良好的擴展性也有助于學(xué)生在課堂之外開展創(chuàng)新性實驗研究，從而有助于學(xué)生創(chuàng)新能力和實踐能力的提高。

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Mechanical Modelling and Virtual Simulation Software Development for Process Control Experiment Devices

DENGXiao-gang

(College of Information and Control Engineering,China University of Petroleum (East China), Qingdao 266580, China)

This paper proposes a virtual simulation software development method based on mechanism model for the real laboratory device. One process control experiment device of A3000 water tank system is used as the simulation objective. Firstly, its mathematical models are built using the mechanism analysis and the unknown model parameters are identified by the experimental testing. Then LabVIEW software is applied to develop the process flow interface, PID controller interface and the background program block diagram. Lastly the virtual simulation software is built for the laboratory device. This software can simulate the real device characteristics well. It is useful for students to learn the process flow and control strategy and discuss the experiment principle deeply. The method provide a platform for the innovative experiment.

experimental device; mechanical modelling; simulation software; LabVIEW

2015-01-02

國家自然科學(xué)基金(61403418)；山東省自然科學(xué)基金(ZR2014FL016)；中國石油大學(xué)青年教改項目(2013-28)；中國石油大學(xué)校級教改重點項目(SY-A201407)

鄧曉剛(1981-)，男，山東東營人，博士，副教授，主要從事工業(yè)過程建模、先進控制與故障診斷等方向的教學(xué)與科研工作。

E-mail:dengxiaogang@upc.edu.cn

TP391.9

A

1006-7167(2015)10-0099-05