一种多功能过程控制虚拟实验平台的设计

摘 要：阐述了用LabView软件开发了多功能过程控制实验的虚拟平台,该平台不仅能模拟传统液位、压力、流量、温度等参量的控制实验,还可以帮助学生将过程控制新理论,新技术应用到该平台.

关 键 词：LabView；过程控制；虚拟实验

【分类号】：TG982.9

一、引言：

过程控制技术是不断发展的学科.传统的过程控制实验装置,开放性差,不能扩展过程控制新理论新技术,没有提供仿真功能,难以满足现在过程控制实验的要求.本虚拟实验系统是以浙江求是公司的NPCT-11型过程控制实验装置为设计原型.不仅提供开放的实验环境,同时还提供仿真功能,让使用者在实验之前能对实验有直观感性的认识,可以快速的掌握实验要领,更好的完成实验.实验平台不仅可以供自动控制和过程控制教学使用,也可以方便用户进行硬件在环仿真和测试,对控制算法进行验证.

二、虚拟平台介绍

LabVIEW是美国NI公司推出的一种图形化编程语言.利用LabVIEW的虚拟仪器和动态显示特性,在计算机上构成用户界面动态显示和交互.[1]虚拟仿真平台基于LabVIEW的动态显示功能,与浙江求是公司的NPCT-11型过程控制实验装置控制实验台有机融合,构成虚拟仿真分析―――实验为一体的过程控制系统课程现代化教学平台.

该虚拟实验平台由上水箱、中水箱、下水箱、储水箱、电动调节阀、流量计等构成,可进行压力、温度、流量、液位等过程控制实验.本系统选择了比较有代表性的液位过程控制实验,分别设计了单容液位单回路控制系统、双容液位单回路控制系统、双容液位串级控制系统、三容液位定值控制系统、比值控制系统以及前馈反馈控制系统实验.

三、虚拟平台开发界面及控制算法

虚拟实验平台的开发界面包括总体实验系统界面、参数设置和实验控制界面：

1.总体实验系统界面

在过程控制实验界面的设计上用到LabVIEW中的DSC（数据纪录与监控）模块中的三维立体阀门、管道、水箱等.[2]以双容液位串级控制系统为例,其管路图1：

图1双容液位控制系统管路图

2.参数设置和实验控制界面设计

参数设置和实验控制部分如图2所示,实验开始前学生可先行设置水箱的相关属性（包括水箱的初始水位,设定水位以及水箱底面积等）,实验过程中学生可根据实验波形实时调整主、副调节器的PID控制参数使控制系统达到最佳的控制效果.

图2参数整定设计界面

3.过程控制算法的研究与设计

由于本实验系统的目的是针对本科生,模拟工业过程控制中的常见的液位控制,使学生了解工业控制的特点,并熟悉工业过程控制的策略,同时使学生对过程控制系统的参数整定有一个直观、深刻的认识.因此将设计的重点放在了对过程控制系统的模拟上,控制方法即可以采用比较通用的PID算法,后可以采用一些先进算法如模糊理论、神经网络等控制算法,使本实验系统具有一定的兼容性.

四、虚拟平台的测试

以下用水箱液位PID控制仿真实验对该虚拟平台进行测试,测试结果如图3所示

图3水箱液位仿真曲线对比

在图3中,上面两幅图是单容和双容水箱PID控制,下面两幅图是三容水箱在不同PID参数设定下的曲线图.[4]对比单容、双容和三容水箱可以发现,随着被控对象的阶次的增加,PID控制器的控制效果变差.PID控制对一阶和二阶系统有较好的控制,对于三阶系统控制较差,无论是超调量还是调整时间都比较大.三容水箱的PID控制曲线的两幅图.使用的被控对象是相同的,对比可以发现,PID控制器参数设置对其控制效果影响很大.且整定也较为复杂.由于仿真只是实时的一种近似,是真实对象的一种模型简化,在真实环境中是非线性的状态.这里都作为线性来处理了,因此在曲线较为圆滑,参数较容易整定.控制效果也较为理想.

五、结论

以上介绍了基于LabView软件的过程控制虚拟实验平台,与传统的实验平台相比较,本文设计的平台突出的特点是提供了仿真功能,非常直观,与实时操作时界面相似,可以更好的让学生在仿真实验时有更直观的体验.并且仿真实验与实时实验相比较,实验时间大为缩短,更可方便缺乏硬件的实验室使用,节省实验室的开销.设计的实时实验与以往相比,开放性和扩展性更好,用户可以自主设定参数,进行硬件在环实验.由于平台提供了多个实验,且有的实验极为相似,因此这里只选择了有代表性的实验进行介绍.