網(wǎng)絡(luò)化控制模型的設(shè)計(jì)

摘要：文章首先介紹了網(wǎng)絡(luò)化控制技術(shù)模型裝置的設(shè)計(jì)，分別闡述了控制實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷恼w設(shè)計(jì)和以太網(wǎng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。上層監(jiān)控軟件采甩LabVIEW圖形化開發(fā)環(huán)境設(shè)計(jì)。然后針對(duì)參數(shù)整定過程中出現(xiàn)的困難，提出了將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模糊PID自整定技術(shù)應(yīng)用到該系統(tǒng)中的方案。該模型裝置包含了工程應(yīng)用中許多控制參數(shù)，可以滿足不同程度的仿真實(shí)驗(yàn)和研究需要。
關(guān)鍵詞：過程控制；網(wǎng)絡(luò)控制；以太網(wǎng)；LabVIEW；比例-積分-微分控制器

0 引言
    隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，Internet正在把全世界的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、通信系統(tǒng)逐漸集成起來，形成信息高速公路，形成公用數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)。在此基礎(chǔ)上，傳統(tǒng)的工業(yè)控制領(lǐng)域也正經(jīng)歷一場(chǎng)前所未有的變革，從傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)向以網(wǎng)絡(luò)化為特征的控制方向發(fā)展，形成了新的控制網(wǎng)絡(luò)。
控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)從最初的計(jì)算機(jī)集中控制系統(tǒng)(CCS)，到第二代的集散控制系統(tǒng)(DCS)，發(fā)展到現(xiàn)在流行的現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)(FCS)。而以太網(wǎng)又逐漸與現(xiàn)場(chǎng)總線結(jié)合并進(jìn)入工業(yè)控制領(lǐng)域。
    網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展使自動(dòng)化系統(tǒng)與工業(yè)控制系統(tǒng)在體系結(jié)構(gòu)、控制方法、人機(jī)協(xié)作方法等都發(fā)生了重大變化，一方面，自動(dòng)化與工業(yè)控制需要更深層次地滲透通信與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。另一方面，通信網(wǎng)絡(luò)的管理與控制也要求更多地采用控制理論與策略。同時(shí)也帶來了新韻課題，其中之一就是網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的控制方法與算法需要?jiǎng)?chuàng)新。
    因此，本文針對(duì)網(wǎng)絡(luò)化控制技術(shù)進(jìn)行了模型的設(shè)計(jì)研究，本模型具有很好的開放性和可靠性，不但能夠模擬工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的某些常見被控對(duì)象，進(jìn)行具體控制回路設(shè)計(jì)，而且可以進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)化環(huán)境下控制算法應(yīng)用與改進(jìn)的具體研究。

1 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)
    此網(wǎng)絡(luò)化控制技術(shù)模型的硬件系統(tǒng)主要分兩個(gè)部分進(jìn)行設(shè)計(jì)，分別是：現(xiàn)場(chǎng)控制模型裝置的設(shè)計(jì)和網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的建設(shè)。
1．1 現(xiàn)場(chǎng)控制模型裝置的設(shè)計(jì)
    系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)模型裝置是基于工業(yè)過程物理模擬對(duì)象，用于模擬工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際被控對(duì)象的多功能實(shí)驗(yàn)裝置。系統(tǒng)參數(shù)全面，涵蓋了工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)中液位、流量、壓力、溫度等典型熱工參數(shù)，可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)參數(shù)辨識(shí)、單回路控制、串級(jí)控制、前饋控制、比值控制等多種控制形式。
    現(xiàn)場(chǎng)控制模型裝置主要由加熱爐、上位水箱、中位水箱、下位水箱和儲(chǔ)水箱以及電磁閥、水泵、溫度、壓力、流量等現(xiàn)場(chǎng)儀表組成?，F(xiàn)場(chǎng)控制模型裝置結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1．2 網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的建設(shè)
    以太網(wǎng)具有傳輸速度高、低耗、易于安裝和兼容性好等方面的優(yōu)勢(shì)，由于它支持幾乎所有流行的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，所以在商業(yè)系統(tǒng)中被廣泛采用。近些年來，隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的飛速發(fā)展，由于交換技術(shù)以及網(wǎng)絡(luò)帶寬的大大增加，以太網(wǎng)開始與現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)結(jié)合進(jìn)入控制領(lǐng)域，形成了新型的以太網(wǎng)控制網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。本平臺(tái)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)采用以太網(wǎng)控制系統(tǒng)。
    用NI公司生產(chǎn)的具有以太網(wǎng)接口的FieldPoint網(wǎng)絡(luò)模塊，配合合適的I／O模塊和模擬儀表，可以對(duì)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ脱b置的溫度、液位等參數(shù)進(jìn)行以太網(wǎng)控制。以太網(wǎng)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

2 軟件平臺(tái)建設(shè)
2．1 監(jiān)控軟件設(shè)計(jì)
    本系統(tǒng)上層監(jiān)控軟件采用LabVIEW圖形化開發(fā)環(huán)境設(shè)計(jì)，不但實(shí)現(xiàn)該模型實(shí)驗(yàn)裝置現(xiàn)場(chǎng)參數(shù)的計(jì)算機(jī)監(jiān)測(cè)，而且具體實(shí)現(xiàn)過程控制實(shí)驗(yàn)的計(jì)算機(jī)仿真。圖3為該系統(tǒng)的監(jiān)控界面之一。

2．2 實(shí)驗(yàn)研究
    以上位箱液位作為一個(gè)簡(jiǎn)單的調(diào)節(jié)對(duì)象進(jìn)行液位控制實(shí)驗(yàn)。

    上位箱液位控制為單容自衡液位被控過程。由圖4所示，上位箱流入量為g1，改變閥1的開度可以改變q1的大小。流出量為q2，它取決于用戶的要求和液位h的高低，改變閥2的開度可以改變q2；液位h越高，水箱內(nèi)水的靜壓力增大，q2也增大。動(dòng)態(tài)方程式是：
   
    式中T=FRs，K=KμRs。Rs位液阻；Kμ為比例系數(shù)；F為液容。將該式改寫成拉氏變換式：
   
    這就是上位箱液位對(duì)象的傳遞函數(shù)，式中T稱為對(duì)象的時(shí)間常數(shù)，而K則叫做對(duì)象放大系數(shù)。

    由此，設(shè)計(jì)上位箱液位控制實(shí)驗(yàn)工作原理圖和液位控制程序，如圖5和圖6所示。

2．3 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在本控制系統(tǒng)參數(shù)整定和優(yōu)化過程中的應(yīng)用
    圖7為用LabVIEW編寫的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模糊自適應(yīng)PID控制器的框圖，主要由自適應(yīng)向?qū)А⒆赃m應(yīng)模塊、以及PID控制模塊三部分組成。自適應(yīng)向?qū)橛脩籼峁┮粋€(gè)用戶友好的界面，用戶可以介入自適應(yīng)調(diào)節(jié)過程，并對(duì)一些參數(shù)進(jìn)行設(shè)定。自適應(yīng)模塊根據(jù)設(shè)定自己過程參數(shù)，再按照神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)自適應(yīng)算法對(duì)PID參數(shù)進(jìn)行自動(dòng)在線整定，整定完成后的PID參數(shù)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備內(nèi)的參數(shù)進(jìn)行修正。

    但實(shí)際的對(duì)象階躍響應(yīng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，上位箱液位對(duì)象的實(shí)際特性與理想的一階慣性環(huán)節(jié)差異較大。這一方面是因?yàn)橛捎谑艿接布拗?，進(jìn)水閥的線性以及靈敏度不夠高，而另一方面也是因?yàn)楦蓴_的緣故，水泵的啟停所造成的沖擊等。另外由于通信網(wǎng)絡(luò)所產(chǎn)生的傳輸時(shí)間延遲，該對(duì)象還要附加一個(gè)純延遲環(huán)節(jié)。
    直接采甩Ziegler-Nichol整定方法時(shí)，由于對(duì)象階躍響應(yīng)曲線不夠精確，實(shí)際的被控對(duì)象也不是一階慣性環(huán)節(jié)，所以整定效果不太理想。實(shí)驗(yàn)測(cè)得的閉環(huán)階躍響應(yīng)曲線如圖8所示。

    從圖8可以看出，當(dāng)采用常規(guī)的整定方法時(shí)，整定效果不太讓人滿意，系統(tǒng)的超調(diào)過大，調(diào)節(jié)時(shí)間也太長(zhǎng)。
而且當(dāng)由于別的干擾因素，如氣溫上升等而影響到系統(tǒng)的特性參數(shù)時(shí)，還需要重新測(cè)定對(duì)象的開環(huán)階躍響應(yīng)曲線，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，缺乏自動(dòng)性。
    當(dāng)采用基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模糊PID控制算法的在線整定方案后，系統(tǒng)的閉環(huán)階躍響應(yīng)曲線如圖9所示。

    從上面實(shí)驗(yàn)測(cè)得的響應(yīng)曲線可以看出，采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模糊自適應(yīng)控制算法后，控制指標(biāo)有了明顯改善，超調(diào)減小，穩(wěn)態(tài)精度也得到了提高。更為重要的是神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模糊自適應(yīng)控制算法可以適應(yīng)對(duì)象動(dòng)態(tài)特性參數(shù)變化，并且可以在線自動(dòng)整定，從而具有較好的應(yīng)用價(jià)值。

3 結(jié)束語
    網(wǎng)絡(luò)技術(shù)作為信息技術(shù)的代表，其與控制系統(tǒng)的結(jié)合將極大地提高控制系統(tǒng)的水平。網(wǎng)絡(luò)化控制技術(shù)作為控制、網(wǎng)絡(luò)和計(jì)算機(jī)多種技術(shù)交叉融合的產(chǎn)物，它的發(fā)展是控制系統(tǒng)日趨復(fù)雜化的體現(xiàn)，其理論基礎(chǔ)跨越多個(gè)學(xué)科，應(yīng)用范圍遍及多個(gè)領(lǐng)越。作為一個(gè)新興的研究領(lǐng)域，網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)很多問題的研究?jī)H是一個(gè)開始，還存在著大量課題有待進(jìn)一步的深化研究。
    本網(wǎng)絡(luò)化模型裝置將以太網(wǎng)與傳統(tǒng)工業(yè)控制融合在一起形成新的控制網(wǎng)絡(luò)，在保證控制系統(tǒng)原有的穩(wěn)定性、實(shí)時(shí)性等要求的同時(shí)，又增強(qiáng)了系統(tǒng)的開放性和互操作性，提高了系統(tǒng)對(duì)不同環(huán)境的適應(yīng)性。