基于力控软件的过程控制虚拟实验系统

高宏岩， 王兆芊， 王闻阳

(山东科技大学 电气与自动化工程学院，山东 青岛 266590)

基于力控软件的过程控制虚拟实验系统

高宏岩， 王兆芊， 王闻阳

(山东科技大学 电气与自动化工程学院，山东 青岛 266590)

为解决过程控制实验设备资源短缺、功能受限的问题，利用力控组态软件开发了典型工业过程控制虚拟实验系统。以锅炉燃烧控制系统为例说明过程控制虚拟实验系统的开发方法。开发的虚拟实验系统将典型工业过程控制系统方案设计、控制系统建模、控制策略创建和监控组态设计融为一体，为学生开展过程控制实验提供了开放性实验平台。学生不仅可以利用虚拟实验系统开展过程控制基本实验，而且可以按照虚拟实验系统的设计方法自行开发其他典型工业过程控制虚拟实验系统。

过程控制； 虚拟实验； 力控； 控制策略

0 引 言

过程控制是自动化专业的一门应用性和实践性很强的专业必修课。实验教学作为这门课程的重要环节，不仅可以使学生更好地掌握基本概念和基本理论，也可以加深学生对生产实践的认识。目前国内高校多采用半实物仿真的过程控制实验设备。这些实验设备价格昂贵，对于经费有限的高校很难通过购买大量设备满足学生的实验教学需求。此外，过程控制实验设备多数采用三容水箱构建实验系统，实验项目受到实验设备的限制，难以开展诸如锅炉、加热炉、反应器、精馏塔等典型工业过程控制实验。随着计算机技术的发展，虚拟实验技术已被应用到过程控制教学实验中。新加坡国立大学[1]、美国Tennessee大学开发了基于Web的过程控制远程虚拟实验系统。英国爱丁堡大学开发了计算机仿真型虚拟实验系统。国内研究多属于计算机仿真型虚拟实验，主要利用LabVIEW[2-7]、Matlab[8-10]、组态软件[11-14]以及两种软件结合[15-16]进行过程控制虚拟实验系统的设计与开发。本文以典型工业过程控制系统——锅炉燃烧控制系统为研究对象，在建立控制系统数学模型基础上，利用力控组态软件开发典型工业过程控制虚拟实验系统，为学生开展过程控制综合实验、课程设计、毕业设计提供开放性实验平台。

1 锅炉燃烧控制系统方案设计及建模

控制系统方案及其数学模型是开发过程控制虚拟实验系统的前提。锅炉燃烧控制系统主要由锅炉出口蒸汽压力控制系统、送风控制系统和引风控制系统组成。蒸汽压力控制系统的任务是当负荷变化引起过热蒸汽出口压力波动时，通过调节燃料流量维持过热蒸汽出口压力在工艺允许范围之内，其控制方案采用以蒸汽压力p1为主参数,燃料流量F1为副参数的串级控制系统，如图1所示。其中:Gc1(s)、Gc2(s)为蒸汽压力、燃料流量调节器传递函数;Gm1(s)、Gm2(s)为蒸汽压力、燃料流量变送器传递函数;Gp1(s)是燃料流量至蒸汽压力之间传递函数;Gp2(s)是燃料流量广义对象传递函数。送风控制系统的任务是保证燃料在燃烧过程中有合适的风量与之匹配，使燃料在充分燃烧的同时保证一定的过剩空气系数，其控制方案采用图1中的燃料流量F1和空气流量F2比值控制系统，实现空气流量快速跟踪燃料流量的变化，其中:Gc3(s)为空气流量调节器传递函数;Gm3(s)为空气流量变送器传递函数;Gp3(s)是空气流量广义对象传递函数。引风控制系统的任务是维持炉膛压力为微负压状态，采用图1所示的前馈-反馈控制方案，前馈部分以空气流量作为前馈信号，反馈部分以炉膛负压p2为被控参数构成单回路控制，其中:Gc4(s)为负压调节器传递函数;Gm4(s)为负压变送器传递函数;Gp4(s)为负压广义对象传递函数;Gf(s)是空气流量对负压扰动通道传递函数;Gfc(s)是前馈调节器传递函数。

图1 锅炉燃烧控制系统结构图

2 锅炉燃烧控制虚拟实验系统的开发

2.1 虚拟实验系统开发基本步骤

力控组态软件的控制策略生成器StrategyBuilder为构建虚拟实验系统提供了技术支持。StrategyBuilder采用功能框图的方式进行编程，并具备与VIEW、实时数据库通信的功能。利用力控组态软件开发典型工业过程控制虚拟实验系统的基本步骤是：①绘制控制系统结构图并建立各环节的数学模型；②配置I/O驱动设备；③创建实时数据库；④按照结构图在StrategyBuilder中创建控制策略；⑤在图形界面中开发仿真实验监控界面；⑥对控制策略进行编译、调试、运行；⑦运行监控界面。

2.2 创建实时数据库

在创建实时数据库之前，需要配置I/O驱动设备。只有配置了I/O驱动设备，力控才能通过数据库变量和I/O驱动设备进行数据交换。由于构建虚拟仿真实验系统，故I/O驱动设备组态时选择力控仿真驱动“SIMULATOR”，定义该I/O驱动设备名称为“ranshao”，数据更新周期设定为1 s。

力控实时数据库负责与I/O设备的通信，同时作为数据源为控制策略和监控界面VIEW提供实时或历史数据。虚拟仿真实验系统中，控制策略和监控界面共享全局数据库中数据变量，因此,在配置I/O设备之后，需在数据库中定义数据点。根据设计的锅炉燃烧控制系统方案，在数据库管理器DbManager定义6个模拟I/O数据点，如表1所示，表中所有数据点连接设备均为前述定义的I/O驱动设备“ranshao”，寄存器类型定义为常量寄存器。

表1 模拟I/O数据点

2.3 创建控制策略

控制策略依据锅炉燃烧控制系统的结构图1进行创建，设定:

Gc1(s)调节器采用PID控制规律，Gc2(s)、Gc3(s)和Gc4(s)调节器均采用PI控制规律，空燃比K=1.6，为抵消空气扰动对负压的影响，前馈调节器

启动力控控制策略编辑器，建立主策略，进入控制策略组态界面。采用控制策略中的数据库输入变量和输出变量功能块表示图1中的输入、输出变量，功能块的变量名称选择数据库中已定义的模拟量I/O数据点，图1中的传递函数用控制策略中的一阶传递函数功能块实现，根据锅炉燃烧控制系统结构图创建的控制策略如图2所示。图中p1sp.pv和p1pv.pv分别表示蒸汽压力设定值和测量值;p2sp.pv和p2pv.pv分别表示负压设定值和测量值;F1pv.pv和F2pv.pv分别表示燃料流量和空气流量测量值;pID0～pID3分别表示蒸汽压力、燃料流量、空气流量和负压调节器。控制策略创建之后，在实时数据库的控制策略区域自动产生8个一阶传递函数数据点TRANS0～TRANS7和4个PID数据点PID0～PID3。

图2 锅炉燃烧控制系统控制策略

2.4 设计监控界面

监控界面是人机交互的界面，在监控界面上可以实现工艺流程显示、变量变化监测、专家报表生成、趋势曲线组态、PID参数整定、对象参数设定等功能。根据实验要求，设计锅炉燃烧控制系统监控界面和实时趋势曲线如图3所示，控制器参数整定和对象参数设定界面如图4所示。图3中主要进行2个实验：①在17:00:03时刻改变蒸汽压力设定值，对各个控制器参数进行整定，实时趋势曲线表明蒸汽压力测量值能够较好地跟踪设定值变化；②在17:03:02时刻引入对象特性变化扰动，在对象参数设定界面将Gp1(s)的增益由原来的0.3改为0.5，实时趋势曲线表明蒸汽压力测量值在出现偏离设定值之后，以较快速度回复到其设定值附近。两个实验中，炉膛负压都受到了影响，但负压测量值在经历小幅波动后都以较快速度趋近于其设定值。

图3 锅炉燃烧控制系统监控界面

图4 控制器参数整定和对象参数设定界面

2.5 实验功能分析

(1) 本文开发的虚拟实验平台涉及单闭环控制、串级控制、比值控制以及前馈控制系统，通过实验，可以加深学生对上述控制系统的特点和工作原理的理解；

(2) 学生可以在本文开发的虚拟实验平台上进行PID参数整定，掌握单闭环控制系统、串级控制系统、比值控制系统参数整定方法，掌握比例、积分和微分的作用及其对系统输出响应的影响；

(3) 学生可以根据建立的对象数学模型设定对象参数，观察对象特性的变化对系统输出响应的影响，也可以在此平台上自行引入扰动实验；

(4) 学生可以自行设计锅炉燃烧控制方案，例如氧含量校正的燃料流量—空气流量比值控制方案，按照文中所述方法完成控制策略的创建，研究不同控制方案的控制效果；

(5) 学生可以根据课程设计、毕业设计课题的要求，按照文中所述方法开发其他典型工业过程控制虚拟实验系统，对所研究的问题进行实验验证。

3 结 语

利用力控组态软件开发典型工业过程控制虚拟实验系统，具有简单易行的优点，教师和学生都可以根据需要自行开发虚拟实验系统。基于力控组态软件开发的虚拟实验系统不依赖于昂贵的实验设备，作为传统的过程控制实验装置的补充，它可以完成传统实验装置无法实现的实验功能。

[1] Ko C C, Chen B M, Chen J,etal. Development of a Web-based laboratory for control experiments on a coupled tank apparatus[J]. IEEE Transactions on Education, 2001, 44(1):76-86.

[2] 瞿 曌, 张志刚, 刘文彦. 基于虚拟仪器的过程控制远程实验系统[J]. 仪表技术与传感器, 2005(4):35-37.

[3] 黄 会. 基于LabVIEW的过程控制虚拟实验系统的研究与设计[D]. 天津:天津理工大学, 2007.

[4] 房泽平, 刘自范. 基于虚拟仪器的远程可视化液位过程控制系统研究[J]. 中原工学院学报, 2013, 24(1):22-25.

[5] 刘光磊. 基于LabVIEW的水箱液位实验装置远程控制系统的开发与应用[D]. 长沙:中南大学, 2011.

[6] 王 钊, 陈 真. 基于LabVIEW的PID远程控制系统开发[J]. 实验技术与管理, 2006, 23(12):70-72.

[7] 邓晓刚. 过程控制实验装置的机理建模与虚拟仿真软件开发[J]. 实验室研究与探索, 2015, 34(10):99-103.

[8] 王红梅, 张厚升, 邢雪宁. 基于Matlab/GUI的过程控制仿真实验系统设计[J]. 山东理工大学学报(自然科学版), 2015,29(6):58-60.

[9] 张继研. 过程控制工程虚拟实验系统的设计与开发[D]. 大连:大连理工大学, 2007.

[10] 周俊杰, 房全国, 王定标. 基于Matlab/Simulink的燃烧过程控制系统仿真[J]. 郑州大学学报(工学版), 2012, 33(2):51-54.

[11] 盖文东, 张 婧, 赵伟志. 基于OPC技术的过程控制仿真实验设计[J]. 实验技术与管理, 2015(10):132-135.

[12] 陈 伟, 李锦屏. 基于组态软件的过程控制虚拟实验设计[J]. 电脑知识与技术:学术交流, 2008, 4(36):2720-2721.

[13] 马磊娟, 席东河. 基于组态软件的工业控制虚拟实验平台的开发[J]. 宁波职业技术学院学报, 2010, 14(2):93-95.

[14] 康 珏, 伍 林. 基于组态王的过程控制仿真系统设计[J]. 计算机光盘软件与应用, 2012(16):189-190.

[15] 郭一楠, 程 健, 陈 颖. 基于LabVIEW和Matlab的过程控制虚拟仿真平台研究[J]. 电气电子教学学报, 2006, 28(2):61-64.

[16] 哀 微, 卢明阳. 基于LabVIEW和Simulink的过程控制工程虚拟实验平台开发[J]. 实验室研究与探索, 2012, 31(6):65-69.

·名人名言·

照亮我的道路,并且不断地给我新的勇气去愉快地正视生活的理想,是善、美和真。要是没有志同道合者之间的亲切感情，要不是全神贯注于客观世界——那个在艺术和科学工作领域里永远达不到的对象，那末在我看来，生活就会是空虚的。人们所努力追求的庸俗的目标——财产、虚荣、奢侈的生活——我总觉得都是可鄙的。

——爱因斯坦

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

山东省高等学校自动控制原理精品课程(2011BK025)；山东科技大学电气与自动化工程学院优秀教学团队建设计划(skzdhjxtd152)

高宏岩(1971-)，女，满族，吉林敦化人，博士，副教授，研究方向为控制理论与控制工程。

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

TP 311.523

A

1006-7167(2017)03-0090-04