基于網絡化控制系統(tǒng)的DTS

1、基于網絡化控制系統(tǒng)的DTS-200三容液位過程控制仿真實驗1. 課題來源及研究的背景和意義 過程控制即對連續(xù)生產過程的自動控制，作為自動化技術的重要分支，已廣泛應用于石油、化工、制藥、輕工、紡織、冶金、環(huán)境工程等國民經濟領域。在現(xiàn)代工業(yè)生產過程自動化中，過程控制技術正在為實現(xiàn)各種最優(yōu)技術經濟指標、提高經濟效益和社會效益、提高勞動生產率、節(jié)約能源、改善勞動條件、保護環(huán)境衛(wèi)生、提高市場競爭力等方面起著越來越巨大的作用，先進過程控制技術已成為國內外高校及企業(yè)的研究熱點。在這樣的背景下，過程控制也成為國內高校自動化專業(yè)的重要專業(yè)課程。掌握好這門課程對于學生來說，即是今后科研工作的理論基礎，也是提高分析

2、解決實際工程問題的重要機會。 對于專業(yè)課程教學而言，理論與實際的結合是至關重要的，重視實踐性教學環(huán)節(jié)，著眼培養(yǎng)學生的動手技能對學生的專業(yè)能力提高具有重大意義。本文主要研究對象為德國Amira公司的DTS-200三容水箱過程控制實驗系統(tǒng)，它是一種可以模擬多種對象特性的實驗裝置，同時配備了相應的軟件平臺。作為典型的過程控制實驗設備，其在國內外很多大學和實驗室都已得到了廣泛的應用，在過去幾十年中，三容水箱系統(tǒng)作為研究故障診斷與容錯控制問題的基準系統(tǒng)被學術界廣為接受。同時三容液位控制是綜合實驗系統(tǒng)，該系統(tǒng)為集于了自動控制原理、計算機控制、傳感器技術、過程控制等理論知識，可以進行數(shù)學建模、單容、雙容、三

3、容PID液位控制以及解耦、模糊、預測控制等高級算法實驗，是高校自動化課程中重要且實用的實驗教學設備。但是，在高校實際課程教學中，仍存在許多問題亟待解決：（1） 類似這樣進口儀器設備價格昂貴，大部分高校沒有經費購置，無法開展相關實驗；而在少數(shù)配置了設備的高校內，由于課程設置原因儀器確長期閑置不用，造成資源得不到合理利用，效率低；（2） 由于過程控制實驗是連續(xù)過程，學生大量時間浪費在等待上；另外，如果課程時間沖突，學生則會失去做實驗的機會；（3） 教學儀器通常只有一套，由老師演示完成，學生實際動手實踐機會極少，難以獲得感性認識，實驗效果難盡人意；在這樣的背景下，網絡化控制系統(tǒng)三維實時仿真實驗室(3

4、D-NCSLab)應運而生。NCSLab是基于互聯(lián)網的三維虛擬現(xiàn)實的實時仿真控制系統(tǒng)實驗室。它集成了多種三維虛擬現(xiàn)實的實驗設備，可以對各類經典控制、現(xiàn)代控制、先進控制系統(tǒng)等進行實時仿真。它可針對各種三維虛擬被控制對象，在互聯(lián)網瀏覽器中對控制方法和策略進行閉環(huán)控制系統(tǒng)的可視化組態(tài)設計；然后自動生成可執(zhí)行代碼，經網絡下載到實時仿真控制器中執(zhí)行，實現(xiàn)控制系統(tǒng)的實時仿真；同時經網絡化可視監(jiān)控組態(tài)設計可實現(xiàn)遠程監(jiān)視和遠程調試。這樣一來，各高校學生只需要登錄WEB瀏覽器，輸入相應域名即可登錄網絡實驗室操作實驗，而不受時間地點的限制，極大地促進了高校間實驗資源的合理利用，也便利了學生的實驗和學習。另外，該平

5、臺不局限于過程控制，集成了包括倒立擺、伺服系統(tǒng)、球桿系統(tǒng)等的20種三維虛擬實驗設備，可以對各類經典控制（例如基于傳遞函數(shù)的PID控制、頻率響應法、根軌跡法）、現(xiàn)代控制（基于狀態(tài)空間方程的LQR控制）、先進控制系統(tǒng)（例如神經網絡控制等智能控制系統(tǒng)）進行實時仿真，它可針對各種三維虛擬被控制對象，在互聯(lián)網瀏覽器中對控制方法和策略進行閉環(huán)控制系統(tǒng)的可視化組態(tài)設計；然后自動生成可執(zhí)行代碼，通過網絡下載到實時仿真控制器中執(zhí)行，實現(xiàn)控制系統(tǒng)的實時仿真；同時經網絡化可視監(jiān)控組態(tài)設計可實現(xiàn)遠程監(jiān)視和遠程調試，極大的豐富了教學內容。國內外在該方向的研2. 國內外研究現(xiàn)狀及分析1.網絡實驗室的研究現(xiàn)狀 當今，隨著網

6、絡技術的發(fā)展和網絡規(guī)模不斷擴大，網絡越來越成為人們生活的一部分，在這種前提下，基于Web的遠程實驗室應運而生。網絡實驗室由于其具有資源共享、拓展靈活、有利于個性化實驗和操作簡單等方面的優(yōu)勢，無論在國內還是在國外都受到越來越多的重視，越來越多的國家都在積極開發(fā)網絡實驗室，包括美國、德國、新加坡等。幾年前，在米蘭理工大學就建成能夠提供課程討論和輔導的遠程教育系統(tǒng)。在德國的埃朗根-紐倫堡大學建成了介紹VHDL工具的虛擬實驗室，它可以作為輔導教學的手段，可以給學生演示如何對實驗設備進行控制。 在國內，中國科學技術大學信息網絡實驗室為無線網絡通信安徽省重點實驗的成員單位之一，由李津生教授創(chuàng)建于 1988

7、 年，原名 ISDN 實驗室。實驗室自成立以來，一直致力于網絡基礎理論研究和關鍵技術開發(fā)，先后承擔了國家自然科學基金、科技部重大專項、863 課題、中國下一代互聯(lián)網 CNGI 項目、國家攻關課題等 20 余項國家、軍隊和省部級重大課題。實驗室是國內較早從事 IPv6技術研究和應用的科研單位之一。目前，在對新一代網絡技術及其應用的研究中，實驗室主要課題方向包括：P2P、流媒體傳輸、無線分布式網絡體系結構（包括無線 Ad Hoc 網絡、無線 Mesh 網絡、DTN 網絡等）、移動 IPv6、網絡編碼、網絡安全等。實驗室還承擔學校本科生和研究生的教學工作，教學內容注重與網絡技術發(fā)展同步，并及時將科研

8、成果反映到課堂教學和實驗中。3.主要研究內容作為一門實驗課程，主要目的是鍛煉學生的動手操作和獨立思考能力，將所學的理論與實際情況結合，加深理解并學會應用。因此，本課題的主要任務即設計適合本科生的過程控制實驗，讓學生驗證和應用過程控制課程中所學的理論知識。在設計實驗中，主要基于以下幾個原則：Ø 與上課所學的理論緊密相連，利用實驗課程理解和檢驗知識；Ø 以實驗目的為導向，讓學生親自動手，Ø 由于實驗課時較少，保持每個實驗的內容在合理范圍內。在這幾個原則的基礎上，設計了以下實驗內容：n 液位系統(tǒng)的數(shù)學建模 包括機理建模與測試建模，目的是通過實驗讓學生了解常用工程數(shù)學模型

9、建模方法，用階躍響應測試被控對象建立數(shù)學模型的基本步驟。n 液位過程系統(tǒng)的PID控制 掌握過程控制中最常用的PID控制算法，熟悉該方法的控制器設計與實現(xiàn)。并且通過實驗理解PID各參數(shù)的具體作用。n 雙容液位系統(tǒng)的串級PID控制 熟悉串級回路的結構特點，與單回路PID控制比較，了解串級控制在抑制干擾和非線性特性、改善動態(tài)性能方面的作用。n 純滯后系統(tǒng)的Smith預估控制 了解純滯后環(huán)節(jié)的系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響，掌握預估控制器的傳遞函數(shù)推導過程n 模糊自適應整定PID控制n 模型預測控制（MPC）n 解耦控制了解以上高級算法的原理，并與傳統(tǒng)PID控制的效果比較 4.研究方案及進度安排，預期達到的目標4.

10、1課題研究方案1. 對液位控制系統(tǒng)進行數(shù)學建模，并與實驗測得的曲線比較，驗證其正確性。2. 采用工程實際中常用的數(shù)字PID控制，設計不同的液位控制實驗。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MATLAB軟件中的SIMULINK工具，搭建仿真系統(tǒng)，觀察實驗結果，以便在網絡化實驗室平臺上實現(xiàn)。3. 設計適合液位控制系統(tǒng)的高級控制算法，主要有模糊自適應整定PID控制，多入多出解耦控制和預測控制。4. 將上述仿真結果與實際液位控制實驗所得的曲線進行比較，以驗證正確性。4.2進度安排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，在此期間通過圖書館資源以及網上資料了解過程控制系統(tǒng)特點以及液位控制系統(tǒng)常用控制方案，2014年3月16日2014年3月31日推導和建立液位控制系統(tǒng)的數(shù)學模型，并與實際實驗測得的液位曲線比較，驗證模型的正確與準確性，并查找問題來源，2014年4月1日2014年4月15日學習常用高級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日研究所需的高級控制算法，如預測控制，解耦控制等，設計液位控制系統(tǒng)所需的控制器并仿真，2014年5月1日2014年5月15日將上述仿真結果與實際DCS-200的實驗結果相比較，若有出入，分析為題來源，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，準備畢業(yè)答辯。6.預計研究過程中可能遇到的困難和問題，以及解決的措施1. 現(xiàn)有的服務器中MATLAB軟件版本較低，MDL文件在不同版本間的兼容性很差；1. WEBCONSIM上可供設計用的模塊較少，很多高級算法例如模糊控制器、