过程控制半实物仿真试验系统的研究与应用

摘要

过程控制是高校自动化学科的一门重要过程,学生在课堂上学习理论知识后,需要在实践中进行消化和理解,以及在理解的基础上创新.为此,建立一个操作简单、控制算法易于实现的过程控制实验系统尤为重要.本课题在原有的过程控制实验装置的基础上,利用半实物仿真思想,对过程控制半实物仿真试验系统进行了研究,构建了一个用于过程控制实验的半实物仿真试验系统.所谓过程控制半实物仿真试验系统就是对用于完成过程控制任务的控制器进行开发和测试的环境,它把虚拟的控制器模型和实际现场环境相结合,组成一个硬件在回路的半实物仿真系统,实现了控制器的快速原型设计.在本试验系统中,数据的采集、控制的输出以及控制算法的实现都是在PC机中完成的,PC机提供了一个虚拟控制器设计和测试的环境.虚拟控制器的设计主要是在Simulink下进行的,Simulink为虚拟控制器的实现提供了一个图形化的环境,Simulink不但在数字仿真中有着强大的功能,而且可以在外部模式下进行实时仿真.为了测试控制器的控制效果,利用Real-Time Workshop先把Simulink下建立的模型转化为可以在不同目标环境下运行的实时可执行程序,然后在Real-Time Windows Target的支持下,在Windows操作系统中实时运行程序,由于在Simulink的模型中,可以加入标准的输入输出模块来代表实际的数据采集控制卡,PC就可以完成数据采集、算法运算和控制输出了.这样就建立了一个既包括虚拟控制器,又包括现场环境在回路的半实物仿真系统,从而来测试虚拟控制器的控制效果.基于这个试验系统,作者完成了数学模型的建立、教学实验平台的开发以及模糊控制技术的研究这三个方面的工作;在这个过程中,也充分肯定了本试验系统的优越性,具体有如下几个优点:1)提供了一个图形化虚拟控制器开发环境.2)提供了一个实时可执行代码的生成机制.3)利用Real-Time Windows Target提供的内核,实现了在Windows操作系统下的实时控制.4)提供了在线参数修改,图形化显示数据和数据存储等功能.5)对多种数据采集和控制卡的支持.综上所述,基于本试验系统,作者开发了一个即可用于实验教学又可用于高级算法研究的过程控制实验平台,丰富了过程控制实验系统的内容.

目录

文摘

英文文摘

第一章绪论

§1-1过程控制技术简介

§1-2过程控制理论现状

§1-3过程控制实验系统发展现状

1-3-1国内外现状

1-3-2总结

§1-4过程控制半实物仿真试验系统

§1-5课题主要工作和论文内容安排

1-5-1课题的主要工作

1-5-2论文的内容安排

第二章半实物仿真技术

§2-1半实物仿真技术及其发展状况

§2-2 半实物仿真技术的两种典型应用

§2-3 Windows操作系统下实现半实物仿真存在的问题

§2-5小结

第三章过程控制半实物仿真试验系统的建立

§3-1实验装置和系统环境

§3-2过程控制半实物仿真试验系统的组成

§3-3过程控制半实物仿真试验系统的实现原理

3-3-1半实物仿真试验系统的实现原理简介

3-3-2 Matlab和Simulink简介

3-3-3主机和目标机

3-3-4 RTW为Windows目标环境下生成实时可执行程序的机制

3-3-5 RTWT实现程序在Windows操作系统下的实时运行

3-3-6 RTWT对I/O board的支持

3-3-7 Simulink外部模式下实现参数传递的机制

§3-4小结

第四章过程控制半实物仿真试验系统的实验验证

§4-1被控对象数学模型的建立

4-1-1机理演绎法

4-1-2阶跃扰动法

4-1-3近似一阶对象传递函数的建立

4-1-4近似二阶对象传递函数的建立

§4-2教学实验平台的开发

4-2-1数字滤波器的设计

4-2-2 PID控制规律概述

4-2-3一阶液位PID控制

4-2-4二阶液位PID控制

4-2-5压力-液位串级PID控制

§4-3模糊控制技术的研究

4-3-1模糊控制器设计的基本方法

4-3-2一阶压力模糊控制

4-3-3模糊PID自整定原理

4-3-4模糊自整定PID控制器的设计

4-3-5模糊自整定PID控制器的实验验证

§4-4结论

第五章结束语

参考文献

致谢

攻读学位期间所取得的相关科研成果