基于软件化和模块化的开放式过程测控实验平台

陆冠成+董振

摘 要 为了解决一般过程测控实验设备硬件集成度高、专机专用、可重复组建性能低、缺乏柔性化和滞后于信息时代需要的问题，在综合考虑实用性、易用性、灵活性和教学性的基础上，以软件为核心，研究和设计一种开放式智能过程测控实验平台。平台以软件化和开放式的过程控制器模块为核心，引入多种智能过程控制算法，充分利用软件的可重复组建特点和模块化硬件设备的灵活性，深度拓展实验项目类型，极大提高测控实验平台可重复组建能力和智能化程度。

关键词 开放式智能过程测控实验平台；过程控制器；极限学习机

中图分类号：G642.423 文献标识码：B

文章编号：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

学校教育是为不断进步的社会培育人力资源的重要模式，创新精神与创造性实践能力是教育的关键。实践教学是能力培养的重要环节，是人才培养质量的重要保证[1]。测控类课程融合了传感器技术、数据采集、自动控制理论、测试理论、仪器原理、总线技术和网络技术等内容，是综合性较强的课程。随着工业4.0时代的到来，智能化技术和教学改革的快速发展促进了多学科渗透在测控类学科的进一步渗透，测控类多学科边界模糊化和交叉已成为一种新趋势。模块化、柔性化和开放式已经成为一种被广泛引用的新兴理念和技术。它的引入促进了低效率设备的革新，强化了软件设计与开发，逐渐减少对硬件的依赖，尽可能提高设备重复利用率和扩展能力。

目前一般测控实验设备严重滞后于信息时代和工程实际的需要，其根本原因在于实验教学内容依附于课程设立，基本处于割裂状态，并且实验设备功能相对单一，通用性不强，重复利用能力差，缺乏模块化与智能化，仪器设备不可能实现资源共享等[2]。测控综合实验平台一般包括机械设计、机电控制、计算机仿真和传感器等，从实验教学角度而言，用以满足测控课程实验的要求[3]。但是這类测控实验设备在带来综合性的同时，也存在很大的缺点，那就是专机专用，不能作为单个实验单元独立工作，在面对快速变化的实验需求时缺乏应对能力。

随着计算机技术的快速发展和工业技术的变革，控制系统也越来越复杂，智能化要求不断提高[4]。价格昂贵、维护不便、重复利用率低和共享难度大的一般测控综合实验平台已经不能满足教学改革的需要，具有开放性、模块化、柔性化，可维护性高、共享能力强和智能性高的测控综合实验平台成为测控实验室建设的必然趋势。因此，设计和开发一套以软件为核心且具有开放式、柔性化、重复利用率高和过程控制器模块透明的智能过程测控实验平台显得尤为必要。

2 平台硬件体系

实验教学平台在综合考虑实用性、易用性、灵活性和教学性的基础上，尽可能将硬件设备模块化，尽可能降低硬件之间的耦合，充分结合虚拟仪器技术的优点，规划和设计平台硬件设备体系，图1所示。平台综合考虑测控实验涉及的电机控制、传感器信号采集、信号转换、PWM脉宽调速和工业自动化通信协议MODBUS，以PC机为中心，将各个功能模块以模块化的方式连接起来，方便维护和调试。硬件平台以传感器输出的4～20 mA和开关量作为输入信号，以模拟量输入模块和开关量输入模块作为信号转换器，将信号转换结果通过MODBUS-RTU通信协议传入PC机；PC机将软控制器的输出通过MODBUS-RTU通信协议传给模拟量输出模块和PWM调速模块，模拟量输出模块将数字量转为模拟量后输出4～20 mA驱动调节阀等，PWM调速模块将数字量转为脉宽信号并放大后驱动电机等设备。

平台硬件体系充分利用模块化设备接口的灵活性，组建不同规模的测控系统，并且能够将虚拟仪器、带接口总线的各种电子仪器或各种插件单元，调配并组建成为中小型甚至大型的自动调试系统。采用模块化组件起来的硬件设备体系具有性价比高、扩展性强、开发周期短、灵活性高、实验项目组建便捷和维护方便等优点。endprint

3 平台软件设计

软件是设备智能化的关键所在，良好的软件架构和设计模式，可以节省诸多硬件成本的投入，可以极大促进实验设备的投入与产出比。针对当前测控类实验教学模式的硬件依赖性高、实验费用高、实验场地受限、实验操作刻板、开设项目受限、难以调动学生的主动性和创造性、实验教学效果不理想等弊端，平台将基于虚拟仪器技术和工控组态技术，开发一种过程控制算法接口开放、控制对象可根据试验需求改变和具备多算法融合能力的综合测控实验系统。系统旨在为学生提供一系列技术领先、性能优异的测控工程创新平台，借助虚拟仪器、智能算法、实时数据库和网络通信等技术，构建高度模块化、柔性化和智能化实验环境和实验对象，达到教改革新所要求的教学效果。系统突出柔性化和智能化特色，强化学生的动手实践能力，全面提升机电类相关专业应用型人才培养和创新型人才培养的水平。

平台软件体系如图2所示，以中央调度模块为基础，以过程控制器模块为核心，依托数据采集模块、实时数据库接口模块和历史数据库接口模块，围绕数据采集和过程控制构建。数据采集模块集成了过程控制器嵌入接口、MODBUS协议、OPC-UA协议、TCP数据推送服务协议、多点控制设备与数据传输中继服务协议、多数据库转储协议，负责获取传感器数据和数据量程转换等。图形界面模块基于组态技术开发，采用微软.NET结构的WPF技术编写，界面美观，过程控制形象化，有助于实验人员对过程数据的监测、查看和分析数据流向等。图形界面模块以多线程方式从实时数据库中获取数据，并经过逻辑处理后显示和更新过程数据。

由于数据采集模块具有较强实时性，而界面显示和刷新往往会增加计算机CPU的负担，为了提高整个系统对实时测控的响应能力，系统将数据存入实施数据库对数据进行缓冲。实时数据库是图形界面显示的数据来源，同时也是外部控制系统的共享数据源，对实时存储具有一定的要求。关系数据库显然不能满足测控系统对数据实时性的要求，因此，本文选择内存数据库作为测控系统，设置数据库的框架，并通过原子锁的方式对内存数据进行访问，大大提高了数据实时访问能力。

过程控制器模块的核心控制策略的选择和控制律的制定，它的智能化程度影响着控制过程和控制效果，是整个测控系统的关键模块。伴随着神经网络和模糊推理等预测控制方法在工业自动控制领域的成功应用，高校建设具有智能化或者可完成智能化控制实验的测控实验平台已成为必然趋势。一般测控实验平台过程控制器存在专一被控对象或者专一过程专用的缺点，导致测控实验平台难以适应对象多变和过程不同的过程控制。一般过程测控实验设备或者实验系统的实验对象并不多，缺少测控系统组建与调试等应用性，开放性综合实验内容更少，极大地影响课程教学效果[5]。由于一般测控实验平台的过程控制器一般比较单一，并且固化在平台里面，难以实施二次开发和自行编入控制算法，往往导致学生处于被动实验状态，难以发挥学生主观能动性，缺乏研究性和创新性能力的培养。

在综合考虑易用性、可重复性和二次开发能力的基础上，本文基于模块接口开放形式构建过程控制器模块，并集成脚本解析器、MATLAB解析引擎、C#代码解析器、嵌入式C++编译器、动态链接库（DLL）交互规范和COM组件交互规范。具有开放式接口的过程控制器模块，使得测控实验可以根据不同实验对象编写不同测控算法，并且可以允许实验人员根据个人对编程语言喜好和掌握程度，选择适合的编程语言或者交互规范进行实验。过程控制器模块内置了支持向量机预测控制算法、模糊PID控制算法、人工神经网络控制算法、基于中值定理的无模型自适应控制算法和基于极限学习机的多目标数据融合控制算法。实验人员可以根据不同实验对象选择合适的内置过程控制算法，或者选择多个控制算法进行多算法融合控制，亦可以自行编写自己的控制算法。过程控制器模块既可以对被控对象进行控制实验，也可以作为新算法的调试实验。

过程控制器模块接口的开放性设计和多种智能控制算法的内置，极大方便了实验人员组建实验项目和丰富了设计研究性实验项目。针对不同实验对象和控制过程，多样化的过程控制算法，能够较大限度拓宽学生的知识面，深化学生对控制理论的掌握和激发学生的创新思维。过程控制算法的选择与实验极大提高了学生对过程控制指标和控制器性能问题的深入理解和优化，譬如：针对慢时变的过程控制，选择无模型自适应控制算法可能会优于PID控制算法；针对快速性要求比较高的过程控制，PID控制算法可能会优于无模型自适应控制算法；针对被控对象参数难以直接测量和控制问题，支持向量机或者极限学习机的预测控制方法可能会收到较好的测控效果等。

4 基于极限学习机模拟糖厂锤度过程控制实验

基于极限学习机的过程控制方法是一种不需要精确系统控制模型，只依赖于系统输入输出数据动态计算过程控制参量的方法，具备较强的过程控制自适应能力。不依赖于精确系统模型而依赖于系统输入输出的自适应控制方法突破了一般控制理论的束缚，融合了经典和现代控制理论的优点。

本文基于极限学习机模擬糖厂锤度过程控制，以验证实验平台的实用性、易用性和智能化，控制方案如图3所示。实验以锤度值作为控制指标，物料入料调节为被控对象，以无模型自适应控制算法作为核心，根据实时测量所得的锤度值和目标锤度值，通过过程控制器计算入料调节阀的开口度并驱动调节阀入料，完成锤度值的过程自适应控制。

模拟糖厂锤度控制实验曲线图如图4所示，从图中可以看出，在控制指标改变后，过程控制量也能较好地随着变化，验证了实验平台及其相关内置算法对面向工程实际应用实验的适用性和实用性。此外，具有组态特点的图形界面可以让学生比较直观地看到过程数据变化，表明了平台具有较好的人机交互能力和形象的数据展示能力。

5 结语

本文在综合考虑实用性、易用性、灵活性和教学性的基础上，结合信息时代和工程实际对测控实验所提出的要求，以软件为核心，研究和设计一种开放式智能过程测控实验平台。本文在完成过程测控实验平台的基础上，以极限学习机为过程控制算法，在平台上模拟糖厂锤度过程控制。实验表明，平台及其相关内置算法对面向工程实际应用实验的适用性和实用性，具有较好的人机交互能力和形象的数据展示能力，能够较大限度拓宽学生的知识面，深化学生对控制理论的掌握和激发学生的创新思维。

本文尽可能将硬件设备软件化和模块化的过程测控实验平台，具有可重复组建能力高和硬件设备连接灵活性的特点，具有拓展实验项目能力强和维护方便的优点；内置多种智能过程控制算法和过程控制算法接口开放，具有较高的智能化；解决了一般过程测控实验设备硬件集成度高、专机专用、可重复组建性能低、缺乏柔性化和滞后于信息时代需要的问题。

参考文献

[1]戴跃侬.加强实践教学 提高人才培养质量[J].中国大学教学，2005（8）：43-44.

[2]孙蔚，王波，等.关于高校中开展远程实验教学的研究与探索[J].世界华商经济年鉴·高校教育研究，2008（12）.

[3]苏伟.模块化的综合测控实验平台设计与实现[D].武汉：华中科技大学，2015.

[4]张军香.建立开放式自动控制实验中心的探讨[J].实验技术与管理，2007，24（2）：132-135.

[5]武杰.快速可重组机械工程测控实验平台的研制[D].南京：南京航空航天大学，2007.endprint