基于軟件化和模塊化的開(kāi)放式過(guò)程測(cè)控實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

陸冠成+董振

摘 要 為了解決一般過(guò)程測(cè)控實(shí)驗(yàn)設(shè)備硬件集成度高、專(zhuān)機(jī)專(zhuān)用、可重復(fù)組建性能低、缺乏柔性化和滯后于信息時(shí)代需要的問(wèn)題，在綜合考慮實(shí)用性、易用性、靈活性和教學(xué)性的基礎(chǔ)上，以軟件為核心，研究和設(shè)計(jì)一種開(kāi)放式智能過(guò)程測(cè)控實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。平臺(tái)以軟件化和開(kāi)放式的過(guò)程控制器模塊為核心，引入多種智能過(guò)程控制算法，充分利用軟件的可重復(fù)組建特點(diǎn)和模塊化硬件設(shè)備的靈活性，深度拓展實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目類(lèi)型，極大提高測(cè)控實(shí)驗(yàn)平臺(tái)可重復(fù)組建能力和智能化程度。

關(guān)鍵詞 開(kāi)放式智能過(guò)程測(cè)控實(shí)驗(yàn)平臺(tái)；過(guò)程控制器；極限學(xué)習(xí)機(jī)

中圖分類(lèi)號(hào)：G642.423 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1671-489X（2017）16-0022-04

Abstract In order to solve the problems which are hardware of highintegration， special plane， reformation of low performance and lackof flexibility and behind the need of information age in the general process control experiment equipment， after considering the practi-cality， ease of use and flexibility of teaching， this paper designs an open intelligent process control experimental platform by taking thesoftware as the core. The platform takes open and software process controller as the core， takes in a variety of intelligent control algori-thms and takes advantage of the software reusable form features andmodular hardware flexibility， expanding the depth of the experimen-tal project type， which greatly improves the measurement and controlexperimental platform repeat formation ability and intelligence.

Key words open intelligent process control experimental platform； process controller； extreme learning machine

1 引言

學(xué)校教育是為不斷進(jìn)步的社會(huì)培育人力資源的重要模式，創(chuàng)新精神與創(chuàng)造性實(shí)踐能力是教育的關(guān)鍵。實(shí)踐教學(xué)是能力培養(yǎng)的重要環(huán)節(jié)，是人才培養(yǎng)質(zhì)量的重要保證[1]。測(cè)控類(lèi)課程融合了傳感器技術(shù)、數(shù)據(jù)采集、自動(dòng)控制理論、測(cè)試?yán)碚?、儀器原理、總線(xiàn)技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等內(nèi)容，是綜合性較強(qiáng)的課程。隨著工業(yè)4.0時(shí)代的到來(lái)，智能化技術(shù)和教學(xué)改革的快速發(fā)展促進(jìn)了多學(xué)科滲透在測(cè)控類(lèi)學(xué)科的進(jìn)一步滲透，測(cè)控類(lèi)多學(xué)科邊界模糊化和交叉已成為一種新趨勢(shì)。模塊化、柔性化和開(kāi)放式已經(jīng)成為一種被廣泛引用的新興理念和技術(shù)。它的引入促進(jìn)了低效率設(shè)備的革新，強(qiáng)化了軟件設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)，逐漸減少對(duì)硬件的依賴(lài)，盡可能提高設(shè)備重復(fù)利用率和擴(kuò)展能力。

目前一般測(cè)控實(shí)驗(yàn)設(shè)備嚴(yán)重滯后于信息時(shí)代和工程實(shí)際的需要，其根本原因在于實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容依附于課程設(shè)立，基本處于割裂狀態(tài)，并且實(shí)驗(yàn)設(shè)備功能相對(duì)單一，通用性不強(qiáng)，重復(fù)利用能力差，缺乏模塊化與智能化，儀器設(shè)備不可能實(shí)現(xiàn)資源共享等[2]。測(cè)控綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)一般包括機(jī)械設(shè)計(jì)、機(jī)電控制、計(jì)算機(jī)仿真和傳感器等，從實(shí)驗(yàn)教學(xué)角度而言，用以滿(mǎn)足測(cè)控課程實(shí)驗(yàn)的要求[3]。但是這類(lèi)測(cè)控實(shí)驗(yàn)設(shè)備在帶來(lái)綜合性的同時(shí)，也存在很大的缺點(diǎn)，那就是專(zhuān)機(jī)專(zhuān)用，不能作為單個(gè)實(shí)驗(yàn)單元獨(dú)立工作，在面對(duì)快速變化的實(shí)驗(yàn)需求時(shí)缺乏應(yīng)對(duì)能力。

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展和工業(yè)技術(shù)的變革，控制系統(tǒng)也越來(lái)越復(fù)雜，智能化要求不斷提高[4]。價(jià)格昂貴、維護(hù)不便、重復(fù)利用率低和共享難度大的一般測(cè)控綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)已經(jīng)不能滿(mǎn)足教學(xué)改革的需要，具有開(kāi)放性、模塊化、柔性化，可維護(hù)性高、共享能力強(qiáng)和智能性高的測(cè)控綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)成為測(cè)控實(shí)驗(yàn)室建設(shè)的必然趨勢(shì)。因此，設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)一套以軟件為核心且具有開(kāi)放式、柔性化、重復(fù)利用率高和過(guò)程控制器模塊透明的智能過(guò)程測(cè)控實(shí)驗(yàn)平臺(tái)顯得尤為必要。

2 平臺(tái)硬件體系

實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)在綜合考慮實(shí)用性、易用性、靈活性和教學(xué)性的基礎(chǔ)上，盡可能將硬件設(shè)備模塊化，盡可能降低硬件之間的耦合，充分結(jié)合虛擬儀器技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，規(guī)劃和設(shè)計(jì)平臺(tái)硬件設(shè)備體系，圖1所示。平臺(tái)綜合考慮測(cè)控實(shí)驗(yàn)涉及的電機(jī)控制、傳感器信號(hào)采集、信號(hào)轉(zhuǎn)換、PWM脈寬調(diào)速和工業(yè)自動(dòng)化通信協(xié)議MODBUS，以PC機(jī)為中心，將各個(gè)功能模塊以模塊化的方式連接起來(lái)，方便維護(hù)和調(diào)試。硬件平臺(tái)以傳感器輸出的4～20 mA和開(kāi)關(guān)量作為輸入信號(hào)，以模擬量輸入模塊和開(kāi)關(guān)量輸入模塊作為信號(hào)轉(zhuǎn)換器，將信號(hào)轉(zhuǎn)換結(jié)果通過(guò)MODBUS-RTU通信協(xié)議傳入PC機(jī)；PC機(jī)將軟控制器的輸出通過(guò)MODBUS-RTU通信協(xié)議傳給模擬量輸出模塊和PWM調(diào)速模塊，模擬量輸出模塊將數(shù)字量轉(zhuǎn)為模擬量后輸出4～20 mA驅(qū)動(dòng)調(diào)節(jié)閥等，PWM調(diào)速模塊將數(shù)字量轉(zhuǎn)為脈寬信號(hào)并放大后驅(qū)動(dòng)電機(jī)等設(shè)備。

平臺(tái)硬件體系充分利用模塊化設(shè)備接口的靈活性，組建不同規(guī)模的測(cè)控系統(tǒng)，并且能夠?qū)⑻摂M儀器、帶接口總線(xiàn)的各種電子儀器或各種插件單元，調(diào)配并組建成為中小型甚至大型的自動(dòng)調(diào)試系統(tǒng)。采用模塊化組件起來(lái)的硬件設(shè)備體系具有性?xún)r(jià)比高、擴(kuò)展性強(qiáng)、開(kāi)發(fā)周期短、靈活性高、實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目組建便捷和維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)。endprint

3 平臺(tái)軟件設(shè)計(jì)

軟件是設(shè)備智能化的關(guān)鍵所在，良好的軟件架構(gòu)和設(shè)計(jì)模式，可以節(jié)省諸多硬件成本的投入，可以極大促進(jìn)實(shí)驗(yàn)設(shè)備的投入與產(chǎn)出比。針對(duì)當(dāng)前測(cè)控類(lèi)實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式的硬件依賴(lài)性高、實(shí)驗(yàn)費(fèi)用高、實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地受限、實(shí)驗(yàn)操作刻板、開(kāi)設(shè)項(xiàng)目受限、難以調(diào)動(dòng)學(xué)生的主動(dòng)性和創(chuàng)造性、實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果不理想等弊端，平臺(tái)將基于虛擬儀器技術(shù)和工控組態(tài)技術(shù)，開(kāi)發(fā)一種過(guò)程控制算法接口開(kāi)放、控制對(duì)象可根據(jù)試驗(yàn)需求改變和具備多算法融合能力的綜合測(cè)控實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。系統(tǒng)旨在為學(xué)生提供一系列技術(shù)領(lǐng)先、性能優(yōu)異的測(cè)控工程創(chuàng)新平臺(tái)，借助虛擬儀器、智能算法、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)和網(wǎng)絡(luò)通信等技術(shù)，構(gòu)建高度模塊化、柔性化和智能化實(shí)驗(yàn)環(huán)境和實(shí)驗(yàn)對(duì)象，達(dá)到教改革新所要求的教學(xué)效果。系統(tǒng)突出柔性化和智能化特色，強(qiáng)化學(xué)生的動(dòng)手實(shí)踐能力，全面提升機(jī)電類(lèi)相關(guān)專(zhuān)業(yè)應(yīng)用型人才培養(yǎng)和創(chuàng)新型人才培養(yǎng)的水平。

平臺(tái)軟件體系如圖2所示，以中央調(diào)度模塊為基礎(chǔ)，以過(guò)程控制器模塊為核心，依托數(shù)據(jù)采集模塊、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)接口模塊和歷史數(shù)據(jù)庫(kù)接口模塊，圍繞數(shù)據(jù)采集和過(guò)程控制構(gòu)建。數(shù)據(jù)采集模塊集成了過(guò)程控制器嵌入接口、MODBUS協(xié)議、OPC-UA協(xié)議、TCP數(shù)據(jù)推送服務(wù)協(xié)議、多點(diǎn)控制設(shè)備與數(shù)據(jù)傳輸中繼服務(wù)協(xié)議、多數(shù)據(jù)庫(kù)轉(zhuǎn)儲(chǔ)協(xié)議，負(fù)責(zé)獲取傳感器數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)量程轉(zhuǎn)換等。圖形界面模塊基于組態(tài)技術(shù)開(kāi)發(fā)，采用微軟.NET結(jié)構(gòu)的WPF技術(shù)編寫(xiě)，界面美觀，過(guò)程控制形象化，有助于實(shí)驗(yàn)人員對(duì)過(guò)程數(shù)據(jù)的監(jiān)測(cè)、查看和分析數(shù)據(jù)流向等。圖形界面模塊以多線(xiàn)程方式從實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)中獲取數(shù)據(jù)，并經(jīng)過(guò)邏輯處理后顯示和更新過(guò)程數(shù)據(jù)。

由于數(shù)據(jù)采集模塊具有較強(qiáng)實(shí)時(shí)性，而界面顯示和刷新往往會(huì)增加計(jì)算機(jī)CPU的負(fù)擔(dān)，為了提高整個(gè)系統(tǒng)對(duì)實(shí)時(shí)測(cè)控的響應(yīng)能力，系統(tǒng)將數(shù)據(jù)存入實(shí)施數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行緩沖。實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)是圖形界面顯示的數(shù)據(jù)來(lái)源，同時(shí)也是外部控制系統(tǒng)的共享數(shù)據(jù)源，對(duì)實(shí)時(shí)存儲(chǔ)具有一定的要求。關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)顯然不能滿(mǎn)足測(cè)控系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)性的要求，因此，本文選擇內(nèi)存數(shù)據(jù)庫(kù)作為測(cè)控系統(tǒng)，設(shè)置數(shù)據(jù)庫(kù)的框架，并通過(guò)原子鎖的方式對(duì)內(nèi)存數(shù)據(jù)進(jìn)行訪(fǎng)問(wèn)，大大提高了數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)訪(fǎng)問(wèn)能力。

過(guò)程控制器模塊的核心控制策略的選擇和控制律的制定，它的智能化程度影響著控制過(guò)程和控制效果，是整個(gè)測(cè)控系統(tǒng)的關(guān)鍵模塊。伴隨著神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和模糊推理等預(yù)測(cè)控制方法在工業(yè)自動(dòng)控制領(lǐng)域的成功應(yīng)用，高校建設(shè)具有智能化或者可完成智能化控制實(shí)驗(yàn)的測(cè)控實(shí)驗(yàn)平臺(tái)已成為必然趨勢(shì)。一般測(cè)控實(shí)驗(yàn)平臺(tái)過(guò)程控制器存在專(zhuān)一被控對(duì)象或者專(zhuān)一過(guò)程專(zhuān)用的缺點(diǎn)，導(dǎo)致測(cè)控實(shí)驗(yàn)平臺(tái)難以適應(yīng)對(duì)象多變和過(guò)程不同的過(guò)程控制。一般過(guò)程測(cè)控實(shí)驗(yàn)設(shè)備或者實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)對(duì)象并不多，缺少測(cè)控系統(tǒng)組建與調(diào)試等應(yīng)用性，開(kāi)放性綜合實(shí)驗(yàn)內(nèi)容更少，極大地影響課程教學(xué)效果[5]。由于一般測(cè)控實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的過(guò)程控制器一般比較單一，并且固化在平臺(tái)里面，難以實(shí)施二次開(kāi)發(fā)和自行編入控制算法，往往導(dǎo)致學(xué)生處于被動(dòng)實(shí)驗(yàn)狀態(tài)，難以發(fā)揮學(xué)生主觀能動(dòng)性，缺乏研究性和創(chuàng)新性能力的培養(yǎng)。

在綜合考慮易用性、可重復(fù)性和二次開(kāi)發(fā)能力的基礎(chǔ)上，本文基于模塊接口開(kāi)放形式構(gòu)建過(guò)程控制器模塊，并集成腳本解析器、MATLAB解析引擎、C#代碼解析器、嵌入式C++編譯器、動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)（DLL）交互規(guī)范和COM組件交互規(guī)范。具有開(kāi)放式接口的過(guò)程控制器模塊，使得測(cè)控實(shí)驗(yàn)可以根據(jù)不同實(shí)驗(yàn)對(duì)象編寫(xiě)不同測(cè)控算法，并且可以允許實(shí)驗(yàn)人員根據(jù)個(gè)人對(duì)編程語(yǔ)言喜好和掌握程度，選擇適合的編程語(yǔ)言或者交互規(guī)范進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。過(guò)程控制器模塊內(nèi)置了支持向量機(jī)預(yù)測(cè)控制算法、模糊PID控制算法、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制算法、基于中值定理的無(wú)模型自適應(yīng)控制算法和基于極限學(xué)習(xí)機(jī)的多目標(biāo)數(shù)據(jù)融合控制算法。實(shí)驗(yàn)人員可以根據(jù)不同實(shí)驗(yàn)對(duì)象選擇合適的內(nèi)置過(guò)程控制算法，或者選擇多個(gè)控制算法進(jìn)行多算法融合控制，亦可以自行編寫(xiě)自己的控制算法。過(guò)程控制器模塊既可以對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行控制實(shí)驗(yàn)，也可以作為新算法的調(diào)試實(shí)驗(yàn)。

過(guò)程控制器模塊接口的開(kāi)放性設(shè)計(jì)和多種智能控制算法的內(nèi)置，極大方便了實(shí)驗(yàn)人員組建實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目和豐富了設(shè)計(jì)研究性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。針對(duì)不同實(shí)驗(yàn)對(duì)象和控制過(guò)程，多樣化的過(guò)程控制算法，能夠較大限度拓寬學(xué)生的知識(shí)面，深化學(xué)生對(duì)控制理論的掌握和激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新思維。過(guò)程控制算法的選擇與實(shí)驗(yàn)極大提高了學(xué)生對(duì)過(guò)程控制指標(biāo)和控制器性能問(wèn)題的深入理解和優(yōu)化，譬如：針對(duì)慢時(shí)變的過(guò)程控制，選擇無(wú)模型自適應(yīng)控制算法可能會(huì)優(yōu)于PID控制算法；針對(duì)快速性要求比較高的過(guò)程控制，PID控制算法可能會(huì)優(yōu)于無(wú)模型自適應(yīng)控制算法；針對(duì)被控對(duì)象參數(shù)難以直接測(cè)量和控制問(wèn)題，支持向量機(jī)或者極限學(xué)習(xí)機(jī)的預(yù)測(cè)控制方法可能會(huì)收到較好的測(cè)控效果等。

4 基于極限學(xué)習(xí)機(jī)模擬糖廠錘度過(guò)程控制實(shí)驗(yàn)

基于極限學(xué)習(xí)機(jī)的過(guò)程控制方法是一種不需要精確系統(tǒng)控制模型，只依賴(lài)于系統(tǒng)輸入輸出數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)計(jì)算過(guò)程控制參量的方法，具備較強(qiáng)的過(guò)程控制自適應(yīng)能力。不依賴(lài)于精確系統(tǒng)模型而依賴(lài)于系統(tǒng)輸入輸出的自適應(yīng)控制方法突破了一般控制理論的束縛，融合了經(jīng)典和現(xiàn)代控制理論的優(yōu)點(diǎn)。

本文基于極限學(xué)習(xí)機(jī)模擬糖廠錘度過(guò)程控制，以驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的實(shí)用性、易用性和智能化，控制方案如圖3所示。實(shí)驗(yàn)以錘度值作為控制指標(biāo)，物料入料調(diào)節(jié)為被控對(duì)象，以無(wú)模型自適應(yīng)控制算法作為核心，根據(jù)實(shí)時(shí)測(cè)量所得的錘度值和目標(biāo)錘度值，通過(guò)過(guò)程控制器計(jì)算入料調(diào)節(jié)閥的開(kāi)口度并驅(qū)動(dòng)調(diào)節(jié)閥入料，完成錘度值的過(guò)程自適應(yīng)控制。

模擬糖廠錘度控制實(shí)驗(yàn)曲線(xiàn)圖如圖4所示，從圖中可以看出，在控制指標(biāo)改變后，過(guò)程控制量也能較好地隨著變化，驗(yàn)證了實(shí)驗(yàn)平臺(tái)及其相關(guān)內(nèi)置算法對(duì)面向工程實(shí)際應(yīng)用實(shí)驗(yàn)的適用性和實(shí)用性。此外，具有組態(tài)特點(diǎn)的圖形界面可以讓學(xué)生比較直觀地看到過(guò)程數(shù)據(jù)變化，表明了平臺(tái)具有較好的人機(jī)交互能力和形象的數(shù)據(jù)展示能力。

5 結(jié)語(yǔ)

本文在綜合考慮實(shí)用性、易用性、靈活性和教學(xué)性的基礎(chǔ)上，結(jié)合信息時(shí)代和工程實(shí)際對(duì)測(cè)控實(shí)驗(yàn)所提出的要求，以軟件為核心，研究和設(shè)計(jì)一種開(kāi)放式智能過(guò)程測(cè)控實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。本文在完成過(guò)程測(cè)控實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的基礎(chǔ)上，以極限學(xué)習(xí)機(jī)為過(guò)程控制算法，在平臺(tái)上模擬糖廠錘度過(guò)程控制。實(shí)驗(yàn)表明，平臺(tái)及其相關(guān)內(nèi)置算法對(duì)面向工程實(shí)際應(yīng)用實(shí)驗(yàn)的適用性和實(shí)用性，具有較好的人機(jī)交互能力和形象的數(shù)據(jù)展示能力，能夠較大限度拓寬學(xué)生的知識(shí)面，深化學(xué)生對(duì)控制理論的掌握和激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新思維。

本文盡可能將硬件設(shè)備軟件化和模塊化的過(guò)程測(cè)控實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，具有可重復(fù)組建能力高和硬件設(shè)備連接靈活性的特點(diǎn)，具有拓展實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目能力強(qiáng)和維護(hù)方便的優(yōu)點(diǎn)；內(nèi)置多種智能過(guò)程控制算法和過(guò)程控制算法接口開(kāi)放，具有較高的智能化；解決了一般過(guò)程測(cè)控實(shí)驗(yàn)設(shè)備硬件集成度高、專(zhuān)機(jī)專(zhuān)用、可重復(fù)組建性能低、缺乏柔性化和滯后于信息時(shí)代需要的問(wèn)題。

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