馬 平，王凱宸，李紫君

·實驗技術(shù)·

基于半實物仿真平臺的溫度控制系統(tǒng)設(shè)計

馬 平，王凱宸，李紫君

(華北電力大學 自動化學院，河北 保定 071003)

在工業(yè)生產(chǎn)過程中，溫度對象的非線性、大遲延特性及其所處的復雜環(huán)境，使得在仿真機中研究的控制結(jié)構(gòu)和控制算法在實際工程應用中達不到預期的效果，為了改變這種狀況，該文提出了使用半實物仿真平臺進行溫度控制系統(tǒng)設(shè)計和研究的方法。在該平臺上，溫度對象為實際的電加熱水箱及其管道回路，控制器則由Matlab仿真實現(xiàn)，兩者通過I/O卡件進行連接。實踐表明，在半實物仿真平臺上進行的溫度控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計和算法研究，相比于在仿真機中的研究結(jié)果更具有工程應用價值。

溫度控制；半實物仿真；過程控制；系統(tǒng)設(shè)計

在工業(yè)生產(chǎn)過程中，溫度是一個常見且重要的物理參數(shù)，其不僅直接影響著產(chǎn)品的質(zhì)量，還與安全生產(chǎn)、系統(tǒng)運行有著密切的關(guān)系[1-2]。然而溫度對象常具有遲延大、慣性大的特點，且所處的環(huán)境較為復雜，干擾因素眾多，控制起來較為困難[3]。因此，對溫度控制系統(tǒng)進行研究具有重大的意義。

隨著計算機性能的提高，對被控對象的研究和控制系統(tǒng)的設(shè)計常借助于計算機仿真，但完全依靠計算機仿真也存在一定的問題:1)計算機仿真是以被控對象模型參數(shù)的辨識為基礎(chǔ)，在辨識過程中，往往存在著誤差；2)實際被控對象大多為非線性的，其模型參數(shù)往往不是常數(shù)，而計算機仿真常是將其在工作點附近進行線性化處理；3)生產(chǎn)現(xiàn)場存在很多不確定的干擾因素，這些因素很難在所辨識的對象中體現(xiàn)出來；4)某些工業(yè)生產(chǎn)過程較為復雜，進行模型辨識的難度大[4-9]。因此，可以將實際的被控對象引入計算機仿真的控制回路中，控制器和控制算法在計算機上通過編程實現(xiàn)，這樣的研究思路也稱為半實物仿真[10～12]。

1 半實物仿真平臺結(jié)構(gòu)

圖1 半實物仿真平臺結(jié)構(gòu)

本文所介紹的半實物仿真平臺主要由上位機、通訊板卡以及物理平臺3部分組成，其總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。在上位機中，通過Matlab編程實現(xiàn)控制算法的設(shè)計和圖像的顯示，操作界面使用Matlab的GUIDE功能進行設(shè)計。上位機與通訊板卡的數(shù)據(jù)交換是使用Matlab自有的串行通訊功能，并且通過RS-232轉(zhuǎn)RS-485轉(zhuǎn)換器實現(xiàn)兩者之間的連接[13]。使用Matlab打開串口進行通信的代碼如下:

通信板卡作為計算機與物理平臺之間的橋梁，其又分為模擬量輸入模塊和模擬量輸出模塊。模擬量輸入模塊的輸入特性為0～5 VDC，其能夠采集物理平臺上的模擬量數(shù)據(jù)，然后將其轉(zhuǎn)換成數(shù)字量并存儲在緩存空間中，等待計算機的讀取。模擬量輸出模塊的輸出特性為4～20 mA直流電流，其能夠?qū)⒂嬎銠C送達的數(shù)字量轉(zhuǎn)換成模擬量進行輸出，同時在下一個輸出指令到達之前保持當前的輸出值。

在物理平臺上，電加熱水箱及其管道回路組成系統(tǒng)的被控對象。在水箱內(nèi)裝有可變功率的電加熱棒，其功率的大小由三相調(diào)壓模塊進行控制，用于對水進行加熱。水溫由Pt100進行測量，由變送器轉(zhuǎn)換成0～5 VDC傳送到通信板卡中?？刂苹芈分惺褂玫膱?zhí)行器為電動閥，其輸入為4～20 mA的電流，輸出為0～100的閥門開度，控制流入加熱水箱的減溫水流量，從而達到控制水溫的目的。

2 溫度控制系統(tǒng)設(shè)計

2.1 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖2 溫度控制系統(tǒng)方框圖

如圖2所示，為溫度控制系統(tǒng)方框圖。其主要由調(diào)節(jié)器、執(zhí)行器、被控對象、測溫裝置和變送器組成。其中調(diào)節(jié)器采用PID控制器；執(zhí)行器為電動調(diào)節(jié)閥；被控對象為電加熱水箱及其管道回路；測量裝置為Pt100[14]。其中，電動調(diào)節(jié)閥的閥門開度作為調(diào)節(jié)量，水溫作為被調(diào)量。

2.2 溫度對象的數(shù)學模型

由前文的介紹可知，電加熱器是安裝在加熱水箱當中的。電加熱器產(chǎn)生的熱量，一方面引起水箱內(nèi)水溫的上升，另一部分則通過熱傳遞散發(fā)到周圍環(huán)境中[15-16]。同時，由于系統(tǒng)中存在減溫水，在其作用下還要再帶走一部分的熱量。通過查閱文獻[17-20]以及根據(jù)熱量守恒方程，可以得到如下的微分方程:

式中，輸出T(t)為t時刻加熱水箱內(nèi)水的溫度，輸入q(t)為t時刻流入加熱水箱的減溫水流量，C為水的比熱容，ρ為水的密度，V為加熱水箱的體積，Q為加熱器的加熱功率，α為容器的散熱率，Te為環(huán)境溫度，T0為減溫水的溫度。其中，C、ρ、α、V、Q、Te和T0均為常數(shù)。

補充說明一點，雖然加熱器的加熱功率是可以調(diào)節(jié)的，但是在實驗過程中一旦設(shè)置好了加熱功率便不會再改變。因此，此處的加熱功率視為常數(shù)。

顯然，式 (1)是非線性微分方程，在工作點(T，q)附近進行小增量 (ΔT，Δq)線性化，可得:

為了獲得其傳遞函數(shù)，對式 (2)進行拉普拉斯變換，可得:

因此，Δq(s)到ΔT(s)的傳遞函數(shù)為:

式中，K1為 Δq(s)到 ΔT(s)的穩(wěn)態(tài)增益，T1為Δq(s)到ΔT(s)的時間常數(shù)。

由于實際的溫度控制對象還存在一定的時滯，所以其模型還應帶上純遲延環(huán)節(jié)，即為:

管道內(nèi)減溫水的流量是由電動閥的閥門開度控制的，Δu(s)到Δq(s)常可用一階慣性環(huán)節(jié)來近似，即為:

式中，K2為管道流量的增益，T2為管道流量的時間常數(shù)。

由控制系統(tǒng)方框圖可以知道，電加熱水箱及其管道回路組成的被控對象應為G1(s)和G2(s)的串聯(lián)，即為Δu(s)到ΔT(s)的傳遞函數(shù)，由式(5)和式(6)可得:

2.3 方案設(shè)計

如圖3所示，為溫度控制系統(tǒng)的工藝流程圖。水在水箱中以恒定的功率被加熱，水溫由Pt100測量后通過溫度變送器與給定值進行比較，當兩者存在偏差時，PID控制器動作，改變電動調(diào)節(jié)閥的閥門開度大小，進而改變流入加熱水箱中減溫水的流量，最終達到控制水溫的目的。

圖3 溫度控制系統(tǒng)工藝流程圖

在最初的設(shè)計當中，并沒有冷水入口和熱水出口。水泵2從儲水箱中抽水作為減溫水加入到加熱水箱當中，加熱水箱中的熱水則通過溢流管直接流進儲水箱內(nèi)。由于儲水箱的儲水容量為60 L，加熱棒的額定功率為1 600 W，由熱量守恒定律有:

式中:Q為單位時間內(nèi)水的吸熱量；

C為水的比熱容，4 200 J/(kg·℃)；

m為水的質(zhì)量；

Δt為水吸熱前后的溫差。

將設(shè)備的基本數(shù)據(jù)代入式(8)計算有:

由計算的結(jié)果可知，儲水箱中的水溫每秒上升0.006 35℃。在設(shè)備啟動的初始狀態(tài)下，加熱水箱中的水溫比減溫水的溫度高約5℃，而溫度控制實驗的給定值比初始的穩(wěn)態(tài)溫度高2℃左右。假設(shè)系統(tǒng)的過渡過程時間約為500 s。由此可以看出，當系統(tǒng)運行500 s后，儲水箱中的水溫上升了約3℃，這使得加熱水箱中的水溫與減溫水的溫差減小，極大地降低了減溫水的降溫效果，使得系統(tǒng)的控制品質(zhì)變差。

因此，在原方案的基礎(chǔ)上，又分別設(shè)計了一個冷水入口和熱水出口。冷水入口連接的是自來水，直接將外部的冷水引入系統(tǒng)的水循環(huán)中，熱水的出口處設(shè)置了水泵1，由其將系統(tǒng)中的熱水抽到外部環(huán)境中排出，通過調(diào)整冷水的進水量和熱水的出水量保證系統(tǒng)中有充足的水能夠進行循環(huán)。通過這樣的設(shè)計，能有效抑制減溫水溫度的上升，實現(xiàn)水溫的精確控制。

3 仿真及結(jié)果

3.1 系統(tǒng)初始化

首先，將系統(tǒng)設(shè)置為手動運行，給定一個初始的閥門開度，灌滿加熱水箱。當水在系統(tǒng)內(nèi)部穩(wěn)定地流動時，打開加熱棒的電源，對水箱中的水進行加熱。接著，打開監(jiān)控畫面，觀察水溫在手動的狀態(tài)下是否達到穩(wěn)定狀態(tài)，當水溫穩(wěn)定時，表明系統(tǒng)已經(jīng)處于穩(wěn)定的初始運行狀態(tài)。此時，將系統(tǒng)投入自動運行狀態(tài)，即可開始進行相關(guān)的實驗。

3.2 對象辨識

圖4 階躍響應曲線

獲得溫度對象的階躍響應曲線后，在離線狀態(tài)下用粒子群算法進行模型參數(shù)的辨識，辨識結(jié)果如圖4中的實線所示，其傳遞函數(shù)為:

3.3 控制器參數(shù)整定

系統(tǒng)初始的PID控制器參數(shù)為Kp＝-0.2，Ki＝-0.002，Kd＝0，如圖5所示，為該參數(shù)所得的溫度輸出曲線。

圖5 溫度曲線 (K p＝-0.2，K i＝-0.002)

由圖5的曲線可以看出，系統(tǒng)的初始溫度為24.6℃，溫度設(shè)定值為27.0℃，在該控制器參數(shù)的作用下，系統(tǒng)沒有超調(diào)，過渡過程較緩慢，經(jīng)歷了約550 s達到穩(wěn)態(tài)。因此在整定參數(shù)的時候，可以適當?shù)卦黾颖壤鲆婧头e分增益，提高系統(tǒng)的響應速度。

通過反復在線調(diào)試，整定后PID控制器的參數(shù)為Kp＝-0.25， Ki＝-0.006， Kd＝0， 如圖 6 所示，為整定后的溫度輸出曲線。

圖6 溫度曲線 (K p＝-0.25，K i＝-0.006)

由圖6的曲線可以看出，系統(tǒng)的初始溫度為25.25℃，給定值為27.5℃。整定后的控制系統(tǒng)響應速度明顯加快了，約經(jīng)過400 s達到穩(wěn)態(tài)，其峰值為27.75℃，超調(diào)量小于20，沒有穩(wěn)態(tài)誤差。

4 結(jié)束語

通過在半實物仿真平臺上建立實際的被控對象模型，解決了溫度對象難以建立精確的數(shù)學模型的問題，彌補了使用仿真機進行研究時的不足，這為研究大滯后、大慣性對象的控制算法提供了一個可行的方案。

在本文所設(shè)計的溫度控制系統(tǒng)半實物仿真平臺上，不僅能實現(xiàn)PID控制算法，還能實現(xiàn)史密斯預估補償算法、預測控制算法等，也能進行控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的設(shè)計，如串級控制結(jié)構(gòu)、前饋控制結(jié)構(gòu)、比值控制結(jié)構(gòu)等。并且在實驗過程中，設(shè)備操作簡單，控制器參數(shù)可以在線調(diào)試，能夠更加直觀地看到系統(tǒng)的運行過程，便于分析與解決問題。

由于這套系統(tǒng)中使用的被控對象為實際的物理對象，所以其研究結(jié)果相比于在仿真機上的研究結(jié)果更具有工程應用價值。

[1]殷斌.基于單片機的溫度控制系統(tǒng)的研究[J].機電工程，2015(6):887-890.

[2]陳旭燦.基于單片機的溫度控制系統(tǒng)的研究與實現(xiàn)[J].電子技術(shù)與軟件工程，2014(14):269.

[3]金以慧.過程控制[M].北京:清華大學出版社，2013.

[4]宋鋒，劉瑞歌.基于Labview的鍋爐溫度過程控制系統(tǒng)仿真[J].化工自動化及儀表，2015(2):183-185.

[5]高彬彬，李宇華，高丙朋，等.基于S7-300PLC和組態(tài)軟件的分布式溫度控制系統(tǒng)[J].實驗室研究與探索，2015(4):96-98，116.

[6]MATTI L，TAPIO V，GUSTAFSSON J.Semi-physical environment for servo system controller design[J].Microprocessors and Microsystems， 2000， 24(1):34-35.

[7]DARCY B， BRAIN J， RICHARD B.Semi-physical simulation[J].Transportation Research Part C:Emerging Technologies， 2010， 12(1):46-47.

[8]莊源昌，高羅卿，鄭湃，等.基于Labview和Matlab的模糊PID溫度控制系統(tǒng)研發(fā)[J].計算機測量與控制，2014(8):2485-2487，2507.

[9]李航.基于半實物仿真技術(shù)的模型預測控制研究與實現(xiàn)[D].天津:天津理工大學，2014.

[10]朱永德.半實物仿真實驗系統(tǒng)的設(shè)計與應用[D].大連:大連理工大學，2014.

[11]FAN C.A simulation study of real-time scheduling and handling schemes for multimedia support[J].Simulation Practice and Theory， 2007， 7(2):33-36.

[12]GREGA W，KOLEK K.Simulation and real-time control:from simulation to industrial application[J].Computer Aided Control System Design，2002(4):36-40.

[13]MACHACEK J.Control of serial port(RS-232)communication in LabVIEW[J].Modern Technique and Technologies，2008(9):36-40.

[14]馮毅萍，仲玉芳，曹崢.過程控制工程實驗[M].北京:化學工業(yè)出版社，2013.

[15]陳浩然.基于Matlab的半實物溫度仿真系統(tǒng)的研究與實現(xiàn)[D].沈陽:東北大學，2012.

[16]徐健.基于Labview的溫度控制實驗教學系統(tǒng)研究與開發(fā)[D].長沙:中南大學，2013.

[17]寧德亮，龐鳳閣，高璞珍.噴水減溫器動態(tài)仿真模型的建立及其解法[J].核動力工程，2005(3):280-283，290.

[18]張鎬辛，張建民.基于PCS7的半實物仿真系統(tǒng)的實現(xiàn)[J].自動化技術(shù)與應用，2014，55(11):62-66.

[19]鄭昌瑜.溫度控制實驗對象裝置的設(shè)計[D].合肥:合肥工業(yè)大學，2008.

[20]陳書立.純滯后系統(tǒng)控制方法及其實驗教學的研究[D].鄭州:鄭州大學，2009.

Design of Temperature Control System Using Semi-physical Simulation Platform

MA Ping， WANG Kaichen， LI Zijun
(Department of Automation， North China Electric Power University， Baoding 071003， China)

In the process of industrial production， the temperature object of the nonlinear， large delay characteristics and its complex environment，which caused the control structure and the control algorithm studied in the simulator cannot be achieved the expected effect in the practical engineering application.In order to change this situation，this paper presents a hardware-based simulation platform for temperature control system design and research methods.On the platform，the temperature object is the actual electric heating water tank and its pipeline circuit， and the controller is realized by the simulation of Matlab， both through the I/O card connection.The results show that the design and algorithm research of the temperature control system on semi-physical simulation platform has more engineering application value than the research results in the simulation machine.

temperature control； semi-physical simulation； process control； system design

TP273＋.5

A

10.3969/j.issn.1672-4550.2017.05.003

2016-02-22；修改日期:2016-04-20

馬平(1961-)，女，碩士，教授，主要從事過程控制、火電廠單元機組控制和優(yōu)化、計算機原理及應用方面的研究和教學。