基于dSPACE設計平臺的過程控制系統

王海穩,張井崗

(太原科技大學自動化系,山西太原 030024）

基于dSPACE設計平臺的過程控制系統

王海穩,張井崗

(太原科技大學自動化系,山西太原 030024）

本文介紹了基于dSPACE設計平臺的過程控制系統,闡述了dSPACE系統的框架、軟硬件組成,并以水箱液位系統為研究對象,采用內模控制器為主調節器的雙閉環串級控制,同時利用dSPACE的實時監測軟件對實驗過程進行了在線監測。結果表明,在該實時控制平臺上,滿足對液位的控制要求。

dSPACE;過程控制;實時控制

dSPACE(digitalSignal Processing and Control Engineering)實時系統是由德國dSPACE公司開發的一套基于Matlab/Sim ulink的控制系統設計工作平臺[1]。它實現了和Matlab/Sim ulink的無縫連接的具有高速計算能力的軟硬件系統。系統硬件包括高速處理器和I/O等,軟件環境由兩大部分組成。

1 實驗平臺的體系結構

基于dSPACE的過程控制系統總體結構圖如圖1所示。

圖1中DS1103控制器板安裝在工控機的ISA插槽上,該控制器板提供的ADC模塊負責信號采集,DAC模塊將系統的控制信號傳送給電動調節閥來調節閥門的開度,達到控制水箱液位的目的。將dSPACE系統軟件和Matlab/Simu link安裝于工控機中,建立好Simulink方框圖后,就可使用 RTW(Real-TimeWork-shop)的“Build”把運行方框圖自動編譯并下載到dSPACE硬件DS1103中,此程序便可以直接運行于dSPACE硬件上。

圖1 基于dSPACE的過程控制系統總體結構

1.1 系統硬件連接

基于dSPACE的水箱液位系統硬件連接的示意圖如圖2所示。其中模塊DSl103MUX ADC CON1用于檢測表征液位高度的電壓信號(1～5V),經過 PC機處理,由DS1103DAC C3模塊輸出電壓控制信號,信號調理模塊用于將D/A模塊輸出的電壓控制信號轉換為4～20mA的電流信號,然后輸出給執行機構電動調節閥,用以控制閥的開度。

圖2 水箱液位系統實時控制平臺

平臺中DS1103的模擬信號輸出端電壓變化范圍為:-10V～10V,工業對象要求的驅動信號是4～20mA,通過信號調理模塊來實現-10V～10V電壓到4～20mA電流的轉換。信號調理模塊采用華德HD22雙路信號隔離器。HD22系列直流變送器是一種能將輸入量的直流信號經隔離轉換成兩組輸出量的直流信號,從而實現對被測信號精確測量的儀器。變送器輸入、輸出和電源三方全隔離,抗干擾能力強,且輸入和輸出選擇范圍寬,準確度高,電源可選擇導軌安裝以便于檢測與維護。可廣泛用于電信、電力、石油化工等領域的數據采集、信號傳輸轉稱和DCS集散控制系統中。

1.2 實驗軟件系統

軟件環境包括實時代碼的生成和下載軟件RTI(Real-Time Interface)和測試軟件兩部分。其中RTI是連接dSPACE與Matlab/Sim-ulink的橋梁,一旦通過擴展RTW,便可實現從Simulink模型到dSPACE實時硬件代碼的自動下載[3]。測試軟件包括自動試驗、參數調整軟件M lib/M teace、綜合實驗與測試環境ControlDesk[4]、PC與實時處理器通信軟件Clib以及實時動畫軟件MotionDesk。

dSPACE實時系統中,通過ADC通道將液位值的電壓信號經過參數標度變換為液位的實際值后,輸入到PC。ADC通道的輸入范圍為-10～10V,對應的輸出范圍為-1～1V,二者為線性關系。通過DAC通道實現控制量的輸出,DAC通道的輸入和輸出范圍和ADC剛好相反[5]。

dSPACE實時系統中,實時運行框圖搭建好后,為了生成對應的實時程序并進一步下載到dSPACE的硬件系統中,在Simulink環境下完成對simulink param eters對話框的參數設置。通過dSPACE提供的ControlDesk軟件,可以建立操作界面函數。可以觀測到控制器的實際控制效果實時實驗監控軟件ControlDesk為實驗的監控提供了便利的人機接口模塊,在ControlDesk下,利用Simulink框圖下載生成的＊.sd f文件,建立監控頁面,加入虛擬儀表,并設置調試頁面。在此頁面下,可以方便的觀察上下水箱的液位響應曲線,并進行實時參數調整等。

2 仿真實例

為了驗證dSPACE技術及其內模控制IMC(InternalM odel Control)算法在工程實踐中的可行性,我們選擇液位控制作為實現的對象,液位串級控制系統副調節器采用比例控制器。主調節器采用內模控制器,整個系統的結構如圖3所示。在完成算法框圖的建立與下載之后,就可以對液位進行實時控制了。考慮到 dSPACE的DAC通道輸出范圍為-10V～10V,所以應對副調節器的輸出進行限幅。

圖3 采用內模控制的實時框圖

算法框圖下載成功后,即自動生成實時代碼,并會在當前的工作路徑下生成相應的系統描述文件(＊.sdf),同時在Sim ulink模型上出現RTData圖標。系統描述文件可以直接在ControlDesk中下載至dSPACE處理器板進行實驗,除非是更改了模型的原始參數。現取λ=1,內模控制器最大輸出設置為50時,運行框圖后,可得到如圖4所示的系統的階躍響應曲線。

圖4 λ=1,IM C輸出為50時系統的階躍響應曲線

3 結語

基于dSPACE的過程控制系統為典型過程對象的控制研究與開發提供了一個良好的實驗平臺。在該平臺上,我們可以很方便地對過程對象進行控制算法的開發,并實時檢驗所開發的控制算法控制性能的好壞,實時修改控制參數、控制規律。在“過程控制與自動化儀表”的實驗教學中,我們采用浙江天煌公司的TH J-3型高級過程控制對象系統實驗裝置。被控對象有水槽、鍋爐、盤管等各種模擬工業現場的裝置,并配有相應的檢測變送裝置和執行機構。該系統包括液位、溫度、流量、壓力等熱工參數,可實現單回路控制,串級控制,系統參數辨識,前饋-反饋控制,滯后控制,解耦控制和比值控制等多種控制形式[6]。我們把dSPACE實時系統作為控制算法及控制邏輯代碼的硬件運行環境,通過dSPACE提供的各種I/O板,來實現控制信號的輸出和現場信號的讀入,以dSPACE提供的綜合實驗環境ContolDesk作為監控界面,快捷方便的實現對不同控制算法的研究與驗證。應用該仿真平臺對不同算法和參數的驗證,可以設計出更好的控制器。實踐結果表明,該仿真平臺使得教與學能更好的結合,為“過程控制與自動化儀表”課程的教學實踐提供了一個良好的平臺。

[1] dSPACE User Guide-Implementation Guide.dSPACE Inc.2003

[2] 楊滌,李立濤,楊旭,朱承元.系統實時仿真開發環境與應用[M].北京:清華大學出版社,2002

[3] dSPACE Inc.Real-Tim e-Interface(RTI and RT I-MP)Im plem entation Guid[M].dSPACE GmbH.2005

[4] dSPACE In c.ControlDesk Experiment Guide[M].dSPACE GmbH.2005

[5] dSPACE Inc.Real-Tim e-Interface(RTI and RT I-MP)Im plem entation Guid[M].dSPACE GmbH.2005

[6] 李永富,楊鵬,張燕,龔思遠.基于Matlab的高級過程控制實時混合仿真平臺[J].北京:系統仿真學報.2007.19(18):4150-4153

Process Control System Based on dSPACE Design Platform

WANG Hai-wen,ZHANG Jing-gang

(Depar tmen to f Automation,Taiyuan Un iversity of Science and Technology,Taiyuan 030024,China)

This article introduces the process control system based on dSPACE design platform,expounds the framework,software and hardware o f dSPACE system,dual-closed-loop cascade control is app lied in liquid level systemin w hich themaster regulator uses internalmodel controller,and the real-timemonitoring software isalso app lied tom onitor the processof experimentson line.It haswell dynamic characteristic to meet the liquid level contro l requirem ents.

dSPACE;process control;real-time control

TP273

A

1008-0686(2011)02-0069-03

2010-11-17;

2011-03-16

王海穩(1978-),女,博士,講師,主要從事智能控制方面的教學和科研工作,E-m ail:w heaven@126.com

張井崗(1965-),男,博士,教授,主要從事智能控制和魯棒控制在電氣傳動系統中的研究工作.