一种虚拟过程控制实验装置

1.本发明涉及过程控制实验领域，特别涉及一种虚拟过程控制实验装置。


背景技术：

2.过程控制技术课程是高等学校自动化专业及相关专业的一门重要的专业 课，是将自动控制原理课程中的理论与方法与生产实践相结合的课程，有较 强的实践性，因此，设立过程控制实验室，对学生实践能力的提高具有现实 的意义。
3.经过多年的发展，现有的过程控制实验装置的功能日趋完善，但实验装 置结构复杂，体积较大，价格昂贵，从实验场地以及购置经费考虑，高校一 般是少量采购，导致实验台套数较少，难以满足课程实验教学的需要，不利 于学生实践能力的提高。


技术实现要素：

4.针对背景技术中提到的问题，本发明的目的是提供一种虚拟过程控制实 验装置，以解决背景技术中提到的问题。
5.本发明的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：
6.一种虚拟过程控制实验装置，包括：
7.监控组态计算机，所述监控计算机采用组态软件设计多个实验项目的组 态画面，所述监控计算机通过运行画面中的切换按钮选择相应的实验项目并 利用内部变量实现pid运算，所述监控计算机同时提供pid参数的调整画面；
8.模拟仪表盘，所述模拟仪表盘中给出各仪表的接线端子，所述模拟仪表 盘模拟数字化智能pid调节器的接线与显示；
9.虚拟被控对象，所述虚拟被控对象包括计算机；
10.所述监控计算机通过串行接口与所述模拟仪表盘进行通信；
11.所述虚拟被控对象通过can总线与所述模拟仪表盘进行通信。
12.较佳的，所述监控计算机向所述模拟仪表盘发送的数据帧中包含：实验 项目编号与各调节器的输出信号；所述监控计算机从模拟仪表盘接收的数据 帧包括：与实验项目对应的各被控量的归一化数值以及代表盘接线是否正确 的信号。
13.较佳的，还包括监控系统，当所述监控系统接收到所述模拟仪表盘接线 正确的信号时，监控系统开始以0.5秒为控制周期进行被控变量的信号采集、 pid运算，运算结果返回到模拟仪表盘供显示使用。
14.较佳的，所述模拟仪表盘模拟两台数字化智能pid调节器的接线与显示、 调节器的过程值、操作量和使用四段led数码管显示，所述模拟仪表盘上的 一台调节器用作常规调节器或主调节器，包括有pv输入端子和mv输出端子； 所述模拟仪表盘上的另一台调节器用作串级控制时的副调节器，包括有sp输 入端子、pv输入端子以及mv输出端子。
15.较佳的，所述模拟仪表盘上还包括过程变量信号端子，所述过程变量信 号端子对应于三个水箱中的上、中、下液位、2个流量信号以及调节阀控制端 子。
16.较佳的，所述模拟仪表盘包括stm32f103vet6单片机，所述 stm32f103vet6单片机用于各pid调节器pv值和mv值的显示，用于接收 来自与监控计算机的实验项目编号信息、各操作量数据，用于根据实验项目 的编号判断实验人员实验接线是否正确，用于将接收是否正确的信息以及实 验项目对应的各过程值发送给监控计算机供监控使用，以及用于将接收到的 mv数据、本机编号、实验项目编号发送给虚拟对象。
17.较佳的，所述模拟仪表盘的接线在实验前进行判断，判断时先将各接线 端子分成两类，一类归为过程类端子，包括过程变量信号端子、调节阀控制 端子以及副调节器的sp输入端子；另一类包括仪表类端子、调节器的pv端 子、mv端子；将仪表类端子设置位输出，过程类端子设成输入，首先令所有 端口为高电平，然后逐一使输出端口为低电平，检查各输入端口的状态，如 对应端口为低电平，则说明连线正确，检查下一条连线，直到所有连线均正 确为止；当实验接线正确时才能进行相应项目的实验操作。
18.较佳的，所述虚拟被控对象用于模拟对象特性，所述虚拟被控对象根据 被控对象的工作原理建立机理模型，并在实际的被控对象上进行实验测试， 同时利用实测数据采用数据拟合的方法获得机理模型中无法使用机理来确定 的部分，使得模型能够精确地反映被控过程的动态特性。
19.综上所述，本发明主要具有以下有益效果：
20.本虚拟过程控制实验装置发明旨在解决上述结构复杂、体积大、价格贵 的问题，采用计算机来模拟被控对象的动态特性，以单片机为核心实现仪表 的接线、显示以及各控制开关的模拟，在计算机上实现过程控制系统的监视 与操作，完成基本的过程控制实验项目。该装置无需实际被控对象，占据空 间小，价格低，可完成过程控制的常见控制方案的实验研究，能在有限的实 验场所内有效地拓展实验设备的台套数，更好地进行实验教学，是市面上过 程控制实验装置的有效补充。
附图说明
21.图1是虚拟实验装置结构图；
22.图2是模拟仪表盘正面布局图。
具体实施方式
23.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行 清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而 不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做 出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
24.实施例1
25.参考图1和图2，一种虚拟过程控制实验装置，包括：
26.监控组态计算机，监控计算机采用组态软件设计多个实验项目的组态画 面，监控计算机通过运行画面中的切换按钮选择相应的实验项目并利用内部 变量实现pid运算，监控计算机同时提供pid参数的调整画面；
27.模拟仪表盘，模拟仪表盘中给出各仪表的接线端子，模拟仪表盘模拟数 字化智能pid调节器的接线与显示；
28.虚拟被控对象，虚拟被控对象包括计算机；
29.监控计算机通过串行接口与模拟仪表盘进行通信；
30.虚拟被控对象通过can总线与模拟仪表盘进行通信。
31.其中，监控计算机向模拟仪表盘发送的数据帧中包含：实验项目编号与 各调节器的输出信号；监控计算机从模拟仪表盘接收的数据帧包括：与实验 项目对应的各被控量的归一化数值以及代表盘接线是否正确的信号。
32.其中，还包括监控系统，当监控系统接收到模拟仪表盘接线正确的信号 时，监控系统开始以0.5秒为控制周期进行被控变量的信号采集、pid运算， 运算结果返回到模拟仪表盘供显示使用。
33.其中，模拟仪表盘模拟两台数字化智能pid调节器的接线与显示、调节 器的过程值、操作量和使用四段led数码管显示，模拟仪表盘上的一台调节 器用作常规调节器或主调节器，包括有pv输入端子和mv输出端子；模拟仪 表盘上的另一台调节器用作串级控制时的副调节器，包括有sp输入端子、pv 输入端子以及mv输出端子。
34.其中，模拟仪表盘上还包括过程变量信号端子，过程变量信号端子对应 于三个水箱中的上、中、下液位、2个流量信号以及调节阀控制端子。
35.其中，模拟仪表盘包括stm32f103vet6单片机，stm32f103vet6单片机用 于各pid调节器pv值和mv值的显示，用于接收来自与监控计算机的实验项 目编号信息、各操作量数据，用于根据实验项目的编号判断实验人员实验接 线是否正确，用于将接收是否正确的信息以及实验项目对应的各过程值发送 给监控计算机供监控使用，以及用于将接收到的mv数据、本机编号、实验项 目编号发送给虚拟对象。
36.其中，模拟仪表盘的接线在实验前进行判断，判断时先将各接线端子分 成两类，一类归为过程类端子，包括过程变量信号端子、调节阀控制端子以 及副调节器的sp输入端子；另一类包括仪表类端子、调节器的pv端子、mv 端子；将仪表类端子设置位输出，过程类端子设成输入，首先令所有端口为 高电平，然后逐一使输出端口为低电平，检查各输入端口的状态，如对应端 口为低电平，则说明连线正确，检查下一条连线，直到所有连线均正确为止； 当实验接线正确时才能进行相应项目的实验操作。
37.其中，虚拟被控对象用于模拟对象特性，虚拟被控对象根据被控对象的 工作原理建立机理模型，并在实际的被控对象上进行实验测试，同时利用实 测数据采用数据拟合的方法获得机理模型中无法使用机理来确定的部分，使 得模型能够精确地反映被控过程的动态特性。
38.其中，本虚拟过程控制实验装置发明旨在解决上述结构复杂、体积大、 价格贵的问题，采用计算机来模拟被控对象的动态特性，以单片机为核心实 现仪表的接线、显示以及各控制开关的模拟，在计算机上实现过程控制系统 的监视与操作，完成基本的过程控制实验项目。该装置无需实际被控对象， 占据空间小，价格低，可完成过程控制的常见控制方案的实验研究，能在有 限的实验场所内有效地拓展实验设备的台套数，更好地进行实验教学，是市 面上过程控制实验装置的有效补充。
39.实施例2
40.整个虚拟实验装置包括3个部分，如图1所示：监控组态计算机、模拟 仪表盘、虚拟被控对象。其中，学生在监控组态计算机上通过组态运行画面 完成各过程控制实验项目的
监控与操作，模拟仪表盘中给出各仪表的接线端 子，学生完成实验项目的仪表连接，由单片机完成正确性的判断，只有在连 接无误时才能够继续进行实验，虚拟被控对象是一台计算机，在该计算机中， 用计算机程序来对多个被控对象动态特性进行模拟，并能通过can总线与多 个模拟仪表盘进行通信。
41.监控计算机中，采用组态软件设计多个实验项目的组态画面，通过运行 画面中的切换按钮选择相应的实验项目，并利用内部变量实现pid运算，同 时提供pid参数的调整画面。监控计算机通过串行接口与模拟仪表盘进行通 信，向模拟仪表盘发送的数据帧中包含：实验项目编号，各调节器的输出信 号，从模拟仪表盘接收的数据帧包括：与实验项目对应的各被控量的归一化 数值，代表盘接线是否正确的信号。在监控系统中，当接收到仪表盘接线正 确的信号时，开始以0.5秒为控制周期，进行被控变量的信号采集、pid运算， 运算结果通过串口发送到模拟仪表盘供显示使用。
42.模拟仪表盘模拟数字化智能pid调节器的接线与显示，其布局如图2所 示。模拟仪表盘可以模拟两台数字化智能pid调节器的接线与显示，各调节 器的过程值(pv)、操作量(mv)使用四位led数码管显示，一台调节器用作常 规调节器或主调节器，有pv输入端子和mv输出端子，另一台用作串级控制 时的副调节器，有sp输入端子、pv输入端子以及mv输出端子。模拟仪表盘 上还有各过程变量信号端子，对应于三个水箱(上、中、下)液位、2个流量 信号，以及调节阀控制端子、变频器控制端子等，以构成多种过程控制系统。
43.模拟仪表盘的核心是stm32f103vet6单片机，实现功能如下：各pid调 节器pv值和mv值的显示；接收来自与监控计算机的实验项目编号信息、各 操作量数据；根据实验项目的编号判断实验人员实验接线是否正确；将接收 是否正确的信息以及实验项目对应的各过程值发送给监控计算机供监控使 用；将接收到的mv数据、本机编号、实验项目编号发送给虚拟对象。
44.实验接线正确性判断方法是：先将各接线端子分成两类，一类归为过程 类端子，如各过程变量信号端子、调节阀控制端子以及副调节器的sp输入端 子等，另一类是仪表类端子，如调节器的pv端子、mv端子等。各端子都连接 到单片机的i/o端口上。将仪表类端子设置位输出，过程类端子设成输入， 首先令所有端口为高电平，然后逐一使输出端口为低电平，检查各输入端口 的状态，如对应端口为低电平，则说明连线正确，检查下一条连线，直到所 有连线均正确为止。实验接线正确，才能进行相应项目的实验操作。
45.虚拟被控对象起到模拟对象特性的作用。根据被控对象的工作原理，建 立机理模型，在实际的被控对象上进行实验测试，利用实测数据，采用数据 拟合的方法获得机理模型中无法使用机理来确定的部分，使得模型能够精确 地反映被控过程的动态特性，能替代实际的被控对象来供学生进行实验研究。 得到模型后，在计算机中利用数值计算方法编程对模型进行求解，用can总 线通信方式与模拟控制柜进行数据的交换。
46.对象模拟计算机中有多个数学模型，对于不同的实验项目，有不同的数 学模型。程序运行时，根据选定的实验项目选择不同的模型进行计算。程序 运算的结果通过总线方式传回到模拟控制柜。
47.尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而 言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行 多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限 定。