基于力控軟件的過程控制虛擬實驗系統(tǒng)

高宏巖， 王兆芊， 王聞陽

(山東科技大學 電氣與自動化工程學院，山東 青島 266590)

基于力控軟件的過程控制虛擬實驗系統(tǒng)

高宏巖， 王兆芊， 王聞陽

(山東科技大學 電氣與自動化工程學院，山東 青島 266590)

為解決過程控制實驗設備資源短缺、功能受限的問題，利用力控組態(tài)軟件開發(fā)了典型工業(yè)過程控制虛擬實驗系統(tǒng)。以鍋爐燃燒控制系統(tǒng)為例說明過程控制虛擬實驗系統(tǒng)的開發(fā)方法。開發(fā)的虛擬實驗系統(tǒng)將典型工業(yè)過程控制系統(tǒng)方案設計、控制系統(tǒng)建模、控制策略創(chuàng)建和監(jiān)控組態(tài)設計融為一體，為學生開展過程控制實驗提供了開放性實驗平臺。學生不僅可以利用虛擬實驗系統(tǒng)開展過程控制基本實驗，而且可以按照虛擬實驗系統(tǒng)的設計方法自行開發(fā)其他典型工業(yè)過程控制虛擬實驗系統(tǒng)。

過程控制； 虛擬實驗； 力控； 控制策略

0 引 言

過程控制是自動化專業(yè)的一門應用性和實踐性很強的專業(yè)必修課。實驗教學作為這門課程的重要環(huán)節(jié)，不僅可以使學生更好地掌握基本概念和基本理論，也可以加深學生對生產實踐的認識。目前國內高校多采用半實物仿真的過程控制實驗設備。這些實驗設備價格昂貴，對于經費有限的高校很難通過購買大量設備滿足學生的實驗教學需求。此外，過程控制實驗設備多數采用三容水箱構建實驗系統(tǒng)，實驗項目受到實驗設備的限制，難以開展諸如鍋爐、加熱爐、反應器、精餾塔等典型工業(yè)過程控制實驗。隨著計算機技術的發(fā)展，虛擬實驗技術已被應用到過程控制教學實驗中。新加坡國立大學[1]、美國Tennessee大學開發(fā)了基于Web的過程控制遠程虛擬實驗系統(tǒng)。英國愛丁堡大學開發(fā)了計算機仿真型虛擬實驗系統(tǒng)。國內研究多屬于計算機仿真型虛擬實驗，主要利用LabVIEW[2-7]、Matlab[8-10]、組態(tài)軟件[11-14]以及兩種軟件結合[15-16]進行過程控制虛擬實驗系統(tǒng)的設計與開發(fā)。本文以典型工業(yè)過程控制系統(tǒng)——鍋爐燃燒控制系統(tǒng)為研究對象，在建立控制系統(tǒng)數學模型基礎上，利用力控組態(tài)軟件開發(fā)典型工業(yè)過程控制虛擬實驗系統(tǒng)，為學生開展過程控制綜合實驗、課程設計、畢業(yè)設計提供開放性實驗平臺。

1 鍋爐燃燒控制系統(tǒng)方案設計及建模

控制系統(tǒng)方案及其數學模型是開發(fā)過程控制虛擬實驗系統(tǒng)的前提。鍋爐燃燒控制系統(tǒng)主要由鍋爐出口蒸汽壓力控制系統(tǒng)、送風控制系統(tǒng)和引風控制系統(tǒng)組成。蒸汽壓力控制系統(tǒng)的任務是當負荷變化引起過熱蒸汽出口壓力波動時，通過調節(jié)燃料流量維持過熱蒸汽出口壓力在工藝允許范圍之內，其控制方案采用以蒸汽壓力p1為主參數,燃料流量F1為副參數的串級控制系統(tǒng)，如圖1所示。其中:Gc1(s)、Gc2(s)為蒸汽壓力、燃料流量調節(jié)器傳遞函數;Gm1(s)、Gm2(s)為蒸汽壓力、燃料流量變送器傳遞函數;Gp1(s)是燃料流量至蒸汽壓力之間傳遞函數;Gp2(s)是燃料流量廣義對象傳遞函數。送風控制系統(tǒng)的任務是保證燃料在燃燒過程中有合適的風量與之匹配，使燃料在充分燃燒的同時保證一定的過剩空氣系數，其控制方案采用圖1中的燃料流量F1和空氣流量F2比值控制系統(tǒng)，實現空氣流量快速跟蹤燃料流量的變化，其中:Gc3(s)為空氣流量調節(jié)器傳遞函數;Gm3(s)為空氣流量變送器傳遞函數;Gp3(s)是空氣流量廣義對象傳遞函數。引風控制系統(tǒng)的任務是維持爐膛壓力為微負壓狀態(tài)，采用圖1所示的前饋-反饋控制方案，前饋部分以空氣流量作為前饋信號，反饋部分以爐膛負壓p2為被控參數構成單回路控制，其中:Gc4(s)為負壓調節(jié)器傳遞函數;Gm4(s)為負壓變送器傳遞函數;Gp4(s)為負壓廣義對象傳遞函數;Gf(s)是空氣流量對負壓擾動通道傳遞函數;Gfc(s)是前饋調節(jié)器傳遞函數。

圖1 鍋爐燃燒控制系統(tǒng)結構圖

2 鍋爐燃燒控制虛擬實驗系統(tǒng)的開發(fā)

2.1 虛擬實驗系統(tǒng)開發(fā)基本步驟

力控組態(tài)軟件的控制策略生成器StrategyBuilder為構建虛擬實驗系統(tǒng)提供了技術支持。StrategyBuilder采用功能框圖的方式進行編程，并具備與VIEW、實時數據庫通信的功能。利用力控組態(tài)軟件開發(fā)典型工業(yè)過程控制虛擬實驗系統(tǒng)的基本步驟是：①繪制控制系統(tǒng)結構圖并建立各環(huán)節(jié)的數學模型；②配置I/O驅動設備；③創(chuàng)建實時數據庫；④按照結構圖在StrategyBuilder中創(chuàng)建控制策略；⑤在圖形界面中開發(fā)仿真實驗監(jiān)控界面；⑥對控制策略進行編譯、調試、運行；⑦運行監(jiān)控界面。

2.2 創(chuàng)建實時數據庫

在創(chuàng)建實時數據庫之前，需要配置I/O驅動設備。只有配置了I/O驅動設備，力控才能通過數據庫變量和I/O驅動設備進行數據交換。由于構建虛擬仿真實驗系統(tǒng)，故I/O驅動設備組態(tài)時選擇力控仿真驅動“SIMULATOR”，定義該I/O驅動設備名稱為“ranshao”，數據更新周期設定為1 s。

力控實時數據庫負責與I/O設備的通信，同時作為數據源為控制策略和監(jiān)控界面VIEW提供實時或歷史數據。虛擬仿真實驗系統(tǒng)中，控制策略和監(jiān)控界面共享全局數據庫中數據變量，因此,在配置I/O設備之后，需在數據庫中定義數據點。根據設計的鍋爐燃燒控制系統(tǒng)方案，在數據庫管理器DbManager定義6個模擬I/O數據點，如表1所示，表中所有數據點連接設備均為前述定義的I/O驅動設備“ranshao”，寄存器類型定義為常量寄存器。

表1 模擬I/O數據點

2.3 創(chuàng)建控制策略

控制策略依據鍋爐燃燒控制系統(tǒng)的結構圖1進行創(chuàng)建，設定:

Gc1(s)調節(jié)器采用PID控制規(guī)律，Gc2(s)、Gc3(s)和Gc4(s)調節(jié)器均采用PI控制規(guī)律，空燃比K=1.6，為抵消空氣擾動對負壓的影響，前饋調節(jié)器

啟動力控控制策略編輯器，建立主策略，進入控制策略組態(tài)界面。采用控制策略中的數據庫輸入變量和輸出變量功能塊表示圖1中的輸入、輸出變量，功能塊的變量名稱選擇數據庫中已定義的模擬量I/O數據點，圖1中的傳遞函數用控制策略中的一階傳遞函數功能塊實現，根據鍋爐燃燒控制系統(tǒng)結構圖創(chuàng)建的控制策略如圖2所示。圖中p1sp.pv和p1pv.pv分別表示蒸汽壓力設定值和測量值;p2sp.pv和p2pv.pv分別表示負壓設定值和測量值;F1pv.pv和F2pv.pv分別表示燃料流量和空氣流量測量值;pID0～pID3分別表示蒸汽壓力、燃料流量、空氣流量和負壓調節(jié)器?？刂撇呗詣?chuàng)建之后，在實時數據庫的控制策略區(qū)域自動產生8個一階傳遞函數數據點TRANS0～TRANS7和4個PID數據點PID0～PID3。

圖2 鍋爐燃燒控制系統(tǒng)控制策略

2.4 設計監(jiān)控界面

監(jiān)控界面是人機交互的界面，在監(jiān)控界面上可以實現工藝流程顯示、變量變化監(jiān)測、專家報表生成、趨勢曲線組態(tài)、PID參數整定、對象參數設定等功能。根據實驗要求，設計鍋爐燃燒控制系統(tǒng)監(jiān)控界面和實時趨勢曲線如圖3所示，控制器參數整定和對象參數設定界面如圖4所示。圖3中主要進行2個實驗：①在17:00:03時刻改變蒸汽壓力設定值，對各個控制器參數進行整定，實時趨勢曲線表明蒸汽壓力測量值能夠較好地跟蹤設定值變化；②在17:03:02時刻引入對象特性變化擾動，在對象參數設定界面將Gp1(s)的增益由原來的0.3改為0.5，實時趨勢曲線表明蒸汽壓力測量值在出現偏離設定值之后，以較快速度回復到其設定值附近。兩個實驗中，爐膛負壓都受到了影響，但負壓測量值在經歷小幅波動后都以較快速度趨近于其設定值。

圖3 鍋爐燃燒控制系統(tǒng)監(jiān)控界面

圖4 控制器參數整定和對象參數設定界面

2.5 實驗功能分析

(1) 本文開發(fā)的虛擬實驗平臺涉及單閉環(huán)控制、串級控制、比值控制以及前饋控制系統(tǒng)，通過實驗，可以加深學生對上述控制系統(tǒng)的特點和工作原理的理解；

(2) 學生可以在本文開發(fā)的虛擬實驗平臺上進行PID參數整定，掌握單閉環(huán)控制系統(tǒng)、串級控制系統(tǒng)、比值控制系統(tǒng)參數整定方法，掌握比例、積分和微分的作用及其對系統(tǒng)輸出響應的影響；

(3) 學生可以根據建立的對象數學模型設定對象參數，觀察對象特性的變化對系統(tǒng)輸出響應的影響，也可以在此平臺上自行引入擾動實驗；

(4) 學生可以自行設計鍋爐燃燒控制方案，例如氧含量校正的燃料流量—空氣流量比值控制方案，按照文中所述方法完成控制策略的創(chuàng)建，研究不同控制方案的控制效果；

(5) 學生可以根據課程設計、畢業(yè)設計課題的要求，按照文中所述方法開發(fā)其他典型工業(yè)過程控制虛擬實驗系統(tǒng)，對所研究的問題進行實驗驗證。

3 結 語

利用力控組態(tài)軟件開發(fā)典型工業(yè)過程控制虛擬實驗系統(tǒng)，具有簡單易行的優(yōu)點，教師和學生都可以根據需要自行開發(fā)虛擬實驗系統(tǒng)?；诹亟M態(tài)軟件開發(fā)的虛擬實驗系統(tǒng)不依賴于昂貴的實驗設備，作為傳統(tǒng)的過程控制實驗裝置的補充，它可以完成傳統(tǒng)實驗裝置無法實現的實驗功能。

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·名人名言·

照亮我的道路,并且不斷地給我新的勇氣去愉快地正視生活的理想,是善、美和真。要是沒有志同道合者之間的親切感情，要不是全神貫注于客觀世界——那個在藝術和科學工作領域里永遠達不到的對象，那末在我看來，生活就會是空虛的。人們所努力追求的庸俗的目標——財產、虛榮、奢侈的生活——我總覺得都是可鄙的。

——愛因斯坦

Virtual Experiment System for Process Control Based on Force Control Software

GAOHongyan,WANGZhaoqian,WANGWenyang

(College of Electrical Engineering and Automation, Shandong University of Science and Technology, Qingdao 266590, Shandong, China)

In order to solve the problem of resource shortage and limited function of process control experiment equipment, a virtual experiment system of typical industrial process control is developed using the force control configuration software. Boiler combustion control system is taken as an example to illustrate the development method of the virtual experiment system. The virtual experiment system integrates the typical industrial process control system design, control system modeling, control strategy and monitor configuration design. It provides an open experiment platform for the students to carry out the process control experiment. The students can carry out the basic experiment of process control, and also develop virtual experiment system for other typical industrial process control.

process control; virtual experiments; force control; control strategy

2016-07-08

山東省高等學校自動控制原理精品課程(2011BK025)；山東科技大學電氣與自動化工程學院優(yōu)秀教學團隊建設計劃(skzdhjxtd152)

高宏巖(1971-)，女，滿族，吉林敦化人，博士，副教授，研究方向為控制理論與控制工程。

Tel.：13553065209;E-mail：gaohongyan0107@163.com

TP 311.523

A

1006-7167(2017)03-0090-04