基于虛擬仿真的過程控制實驗的開發(fā)和設計

韓蕾，田靜，王霞，孟麗

（1.河北大學工商學院，河北保定，071000，2.河北大學電信學院，河北保定，071000）

0 引言

過程控制系統(tǒng)是自動化、電氣工程與自動化專業(yè)一門學科交叉、工程性強的核心課程，為培養(yǎng)學生的工程概念和能力創(chuàng)造實驗和設計條件[1]。過程控制實驗是一門綜合設計性實驗，通過該實驗，學生可以認識傳感器并理解數(shù)據(jù)采集模塊的工作原理，掌握系統(tǒng)的工作過程，提高解決工程實際問題的能力[2-3]。我院過程控制實驗課程經(jīng)過多年的建設，積累了客觀的教學資源和教學經(jīng)驗。目前來看，在以下兩個方面存在不足：（1）實驗項目單一：實驗教學均采用實物水箱來進行，其缺點一方面實物水箱體積龐大，占據(jù)大量實驗空間，另一方面，難以調整水箱結構以搭建具有不同特性的多容過程。（2）實驗設備少：實驗室現(xiàn)有過程控制實驗裝置4 臺，致使做同一實驗也需要分成多批次才能完成，且多人一組；單個實驗用時長。這些因素導致了實驗資源相對于課程內容短缺，難以滿足教與學的需求。

隨著信息技術和計算機技術的迅速發(fā)展，虛擬仿真技術不斷被應用到實驗教學活動中，開辟了一種嶄新的實踐教學方式[4]。虛擬仿真控制平臺使學習者在沒有控制裝置的情況下，行進預習、驗證和應用，通過仿真操作和設計，在觀察現(xiàn)象、分析系統(tǒng)響應的過程中強化對控制理論的理解，提高學習者的積極性和主動性[5]。因此，基于虛擬仿真軟件下開發(fā)一套性能優(yōu)越、功能完善的過程控制實驗系統(tǒng)對提高過程控制教學質量和培養(yǎng)學生工程實踐能力具有重要意義。

1 仿真實驗系統(tǒng)

■1.1 仿真軟件簡介

本文基于“三級液位仿真系統(tǒng)”軟件進行的實驗項目的開發(fā)。“三級液位仿真系統(tǒng)”軟件是北京德普羅爾科技有限公司開發(fā)的一套仿真系統(tǒng)，它采用構架式軟件設計，應用模塊式組件開發(fā)，搭建了一個先進、靈活的軟件系統(tǒng)。用戶可以對控制策略、設備尺寸、閥門屬性等進行自定義設計，能夠充分滿足過程控制專業(yè)基礎教學、課程設計的驗證要求，支持學生進行控制邏輯設計驗證和PID 參數(shù)整定等實訓，經(jīng)智能評分系統(tǒng)根據(jù)評分規(guī)則客觀給出成績，從而驗證控制策略的合理性和評估控制效果[6]。

根據(jù)我院教學大綱安排，實驗課程18 學時，因此設計并開發(fā)六個實驗項目，分別是：自衡單容水箱液位過程測試建模實驗、單容水箱液位二位控制實驗、單容水箱液位PID控制實驗、雙容水箱液位PID 控制實驗、雙容水箱液位串級控制實驗和雙容水箱液位-流量串級控制實驗。每個實驗包括探究內容和考核內容，探究內容為控制邏輯設計、控制策略的建構、知識點的驗證，考核內容為學生按照實驗要求完成項目，教師設定智能評分系統(tǒng)，根據(jù)評分規(guī)則客觀給出實驗數(shù)據(jù)和結果的成績，從而驗證控制策略的合理性和評估控制效果。

■1.2 實驗平臺搭建

三級液位工程對象如圖1 所示，一級液位為臥式水箱，二級、三級液位為立式水箱。對水箱系統(tǒng)的半徑、長度、初始液位、初始壓力和離地高度等參數(shù)進行設置。

圖1 工程對象流程圖

2 基于學號的仿真實驗內容

以“單容水箱液位二位控制實驗”為例，說明實驗項目的開發(fā)過程。本實驗選用2#儲罐V102、進水閥門FV102和出水閥門FV108 構造單容水箱液位控制系統(tǒng)。該實驗的目的是理解二位控制的基本原理和控制特性，通過實驗掌握并分析影響控制性能的參數(shù)。

■2.1 內控組態(tài)設計

內控組態(tài)的作用是搭建被控對象的控制回路。根據(jù)工藝流程和控制系統(tǒng)原理選擇被控對象、控制器和執(zhí)行器。根據(jù)控制系統(tǒng)框圖，設計內部控制器組態(tài)。使用“信號源”采集儀表檢測數(shù)據(jù)，利用“非線性環(huán)節(jié)”實現(xiàn)滯環(huán)二位控制律，通過“信號輸出”將控制量送給對應的閥門。設計好的內控組態(tài)如圖2 所示。

圖2 內控組態(tài)設計

■2.2 趨勢曲線設計

趨勢曲線在仿真系統(tǒng)運行時記錄實時數(shù)據(jù)，以運行時間為X 軸繪出曲線，單位為秒,趨勢畫面中所有的曲線共享同一時間軸。趨勢畫面中的Y 軸為數(shù)據(jù)軸。根據(jù)實驗內容配置水箱液位LI102 和閥門FV102 開度。

■2.3 基于學號的實驗項目的設計

為了避免實驗雷同，制定了基于學號的個性化實驗項目設計，讓每位同學的實驗內容既有共性，又有個性。二位控制是比較簡單的算法，在學生理解算法的基礎上，找出影響控制效果的多種因素，并加以分析是非常有必要的。因此依據(jù)學號的尾號，本實驗制定了以下項目。

（1）改變回差，觀察回差對控制效果的影響（各學號均必做）。

（2）改變二位控制率輸出u 的屬性參數(shù)M，觀察M 對控制效果的影響（學號尾數(shù)1 和6 必做）。

（3）改變進水閥流量特性，觀察它對控制效果的影響（學號尾號2 和7 必做）。

（4）改變出水閥開度，觀察開度對控制效果的影響（學號尾號3 和8 必做）。

（5）改變水箱半徑，觀察水箱容量對控制效果的影響（學號尾號4 和9 必做）。

（6）改變進水閥流通能力，觀察它對控制效果的影響（學號尾號5 和0 必做）。

3 自主評分邏輯系統(tǒng)的設計

■3.1 二位控制實驗的考核內容要求

自行調整控制器及對象參數(shù)，液位要求控制在10（%），調節(jié)時間不多于120s，動態(tài)最大負向偏差不超過5（%），穩(wěn)態(tài)后誤差不超過2（%）。

■3.2 評分系統(tǒng)配置

依據(jù)系統(tǒng)要求在評分系統(tǒng)中配置了控制回路的要求和穩(wěn)定性要求，如圖3 所示。考核時間為40 分鐘，調節(jié)時間占20 分，動態(tài)偏差占20 分，穩(wěn)定后誤差為30 分，超出則扣分。根據(jù)評分配置，學生在做完實驗后，系統(tǒng)根據(jù)趨勢曲線以及操作步驟進行評分。

圖3 控制回路評分配置圖

4 實驗效果分析

通過仿真軟件進行實驗，學生根據(jù)學號按照要求完成實驗內容，圖4 為學生操作過程中趨勢曲線圖，圖5 為根據(jù)評分系統(tǒng)自動得分截圖。

圖4 趨勢曲線圖

5 結語

虛擬仿真技術與教育教學的融合，使得傳統(tǒng)教學在教學體制、教學理念和教學方法等方面獲得了更廣闊的改革路徑。本文通過使用“三級液位軟件”，詳細描述了“單容水箱液位二位控制實驗”的開發(fā)和設計過程，實驗不僅仿真了液位在二位控制下的變化，通過評分配置還對曲線進行了評估，仿真結果與理論貼合度較高。在此基礎上可以進一步進行過程控制實驗的開發(fā)和設計。

圖5 系統(tǒng)評分截圖