CN103019104A - 一种可视化过程控制系统组态仿真方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可视化过程控制系统组态仿真方法，步骤1：组态图及原理图的建立；通过从组件库中选取虚拟对象组件建立用于模拟实际设备的组态图，并通过从控件库中选取虚拟对象控件建立用于表征过程控制系统框图的原理图；将组态图的虚拟对象组件和原理图中的虚拟对象控件绑定；将原理图中虚拟对象控件对应的图形与作为后台仿真支撑的M文件或Simulink模块绑定；步骤2：仿真运行，启动Matlab引擎，生成仿真数据，并在组态图中显示控制结果。该仿真方法能够根据可视化的原理图对组态图所描绘的过程控制系统进行在线或离线仿真，具有操作简便、仿真效率高的特点，能够良好地模拟工业过程控制系统的生产状况。

Description

一种可视化过程控制系统组态仿真方法

技术领域

本发明涉及一种可视化过程控制系统组态仿真方法。

背景技术

过程控制对象具有体积大、能耗高、污染大等特点，存在多变量、非线性、强耦合、干扰严重和工况变化频繁等复杂特性，因此真实的模拟整个过程控制系统具有很大的难度。随着自动化、信息化的快速发展，推动了模拟工业过程控制实验系统的需求和开发。

目前，大部分工业过程控制系统是针对特定领域特定流程进行模拟，缺乏通用性和扩展性。过程控制平台主要是一些监控软件，虽然提供可视化的监控界面，能够非常直观、形象的模拟工业系统，但只能进行简单的数学运算、参数设定和查看系统运行状况等功能，控制算法单一，而且不具备控制原理可视化功能。由于大部分软件不是开源软件，系统的二次开发时间长，使其在应用上受到限制。

Matlab是一款集算法开发、数据可视化、数据分析及数值计算等为一体的功能强大的仿真软件，但是其界面单调，缺乏对实际过程控制系统的各个环节形象化描述。而基于Matlab的工业过程仿真实验平台开发大部分是建立在PLC或者DCS硬件系统的基础上设计开发的，缺乏纯软件的过程控制仿真实验平台。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种可视化过程控制系统组态仿真方法，该可视化过程控制系统组态仿真方法，不但充分利用了MATLAB的强大数据处理功能，还具有VC界面人性化、操作使用方便的优点。

发明的技术解决方案如下：

一种可视化过程控制系统组态仿真方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：组态图(即虚拟图)及原理图(即控制系统图，或称为控制框图)的建立；

在可视化的工程界面中，通过从组件库中选取虚拟对象组件建立用于模拟实际设备的组态图，并通过从控件库中选取虚拟对象控件建立用于表征过程控制系统框图的原理图；

将组态图的虚拟对象组件和原理图中的虚拟对象控件绑定；将原理图中虚拟对象控件对应的图形与作为后台仿真支撑的M文件或Simulink模块绑定；

步骤2：仿真运行

建立仿真机制，启动Matlab引擎，生成仿真数据，并在组态图中显示控制结果。

建立组件库的方法为：利用VC++调用Visual Graph绘制虚拟对象组件所需图形；虚拟对象组件采用基于传递函数模型、状态空间模型、最小二乘模型、神经网络四种建模方式构造，后两种建模方式需进行参数设置；虚拟对象组件与原理图中的虚拟对象控件建立自动连接；

所述的虚拟对象组件是能在组态界面中操作的广义对象图形，广义对象包含控制系统的被控对象、执行机构和传感器。

将原理图中Visual Graph控件图形即虚拟对象控件和作为后台仿真支撑的Simulink控制算法模块绑定，控件库中包括控制器控件和输入控件，控制器控件包括PID控制器控件、模糊控制器控件和专家控制器控件，输入输出控件包括阶跃信号输入控件、正弦信号输入控件、模拟量输入控件、模拟量输出控件、数字量输入控件和数字量输出控件。

建立仿真机制的方法为：在Matlab中建立ws0和ws1的两个mdl文件，在ws0中设置初始数据结构，在ws1中将上一时刻仿真末状态赋予下一时刻仿真初状态；进行仿真时，首先执行一次ws0，即进行了一个仿真步长的仿真，建立初始数据结构后，按照仿真步长执行ws1。

过程控制系统(即仿真系统)运行时，对已建好的过程控制系统的识别是通过对组件和控件使用统一的命名绑定机制实现的，一个虚拟对象对应于一个在组态图中显示的图形外框、一个在原理图中显示的图形外框和一个Simulink模块，一个控制器控件或输入控件对应于一个在原理图中显示的图形外框和一个Simulink模块；

步骤1中所述的绑定指采用命名绑定机制进行绑定，即将虚拟对象组件名称、控件名称以及虚拟对象数据存储单元名称统一化【可以理解为：将同一个虚拟对象所对应的虚拟对象组件名称、控件名称以及虚拟对象数据存储单元名称设定为同一个名称】；虚拟对象的名称格式为w_i，其中i表示虚拟对象的序号；w_i就作为虚拟对象在整个仿真过程中的唯一标识；

仿真过程中涉及到的运行数据交换是指Simulink与组态图、原理图运行时的变量数据交换，三者之间通过同一的命名来实现关联；

仿真进行时，以Matlab workspace作为数据交换中心，其中Simulink仿真运行时所需的输入参数通过VC调用Matlab引擎执行Simulink仿真命令来实现，Simulink仿真运行时所产生数据上传到Matlab workspace，同时Simulink仿真运行时所产生数据也作为原理图与组态图中的数据进行显示。

所述的虚拟对象主要包涵两个方面内容，一个方面是实物外观的表示，包括名称、编号、形状、颜色等；一个方面是虚拟对象的数学模型，主要是使用虚拟对象描述的实物对象物理特性，输入输出特性。

虚拟对象建模过程为：

(1)从组件库中组件拖动到组态图中或利用绘图工具栏绘制图形，组合成所需图形；

(2)双击选择建模方式，基于神经网络的建模方式需设置虚拟对象参数，包括输入个数、输出个数、导入数据，基于最小二乘拟合的建模方式需要设置输入个数、输出个数、拟合曲线阶次；

(3)在原理界面中单击，得到虚拟对象的框图，即虚拟对象控件，双击进行虚拟对象参数设定，对于基于传递函数建模方式需要设定分子、分母，对于基于状态空间的建模方式需设置状态矩阵A、B、C、D。

所述的组件库，指为方便用户操作预先设定的基本虚拟对象图形库。

步骤2中，对所述的控制器的形式包含有PID控制器、模糊控制器、专家控制器，所述的输入输出的形式包含有阶跃输入、方波输入、正弦波输入、模拟量输入、模拟量输出、数字量输入、数字量输出。

仿真系统控制器、输入的建立过程为：

(1)从控件库中将所需控制算法的控制器控件或所需输入输出控件拖动到原理界面中；

(2)双击设定控制器参数或输入参数。PID控制器需设定P、I、D参数值，模糊控制器需设置输入个数、输入规则、输出个数、输出规则、解模糊方法，还可以从Excel中进行规则导入，专家控制器需设置输入个数、输入条件、输出个数、输出量。

所述的控件库，指指为方便用户操作预先设定的基本控制器、输入、输出控件集。

将虚拟对象控件、控制器控件、输入输出控件根据组态图虚拟对象间的相互关系按照所需控制系统规则连接起来，得到仿真系统原理图。

建立仿真机制，在Matlab中建立名为ws0，ws1的两个mdl文件，在ws0中设置初始数据结构，是一个通过进行短暂的(如1s)。仿真，保存末状态，即为ws1运行的初始状态；ws1主要是通过调用定时器来运行，从ws0中自动继承了运行的初始状态，运行时将上一时刻仿真末状态赋予下一时刻仿真初始状态。ws1每次运行后将其末状态覆盖workspace中的状态，以这样的方式保证了运行的连续性，实现数据不断的滚动更新。

有益效果：

本发明的可视化过程控制系统组态仿真方法，能够根据可视化的原理图对组态图所描绘的过程控制系统进行在线或离线仿真，解决了现有过程控制仿真平台缺乏通用性，对环境依赖较强等问题，可以避免如matlab等软件没有很好的监控画面，仿真画面单调，不够形象的缺点，可以生成生动形象的仿真界面模拟实际现场设备，且易于操作，直观性好。

本发明的可视化仿真系统借助matlab软件，可以建立神经网络、模糊控制等的复杂控制系统，可选控制器的种类丰富，而且功能强大；通过实际工业控制的应用需求，建立如经典PID控制、模糊控制、模糊PID控制、专家控制等工业过程中运用较多的专用算法控件，使仿真软件更接近工业应用的需求，解决了目前市场上仿真系统个性较强，缺乏通用性算法控件的缺点。

本发明的可视化仿真系统在后台运行层，通过使用调用matlab引擎的方法，并在仿真软件的界面下实现复杂的控制算法的运行，解决了目前市场上反正仿真软件没有强大的算法库的问题，减少了研发的工作量，运算方便，易于实现。

本发明有机地将Visual C++编程环境和Matlab开发工具结合在了一起，实现了对运行数据和对象模型信息的读取与保存，实现仿真的实时进行，本发明提供了一种全新的、实用性好、可视化强、功能强大、界面人性化的仿真模式。

本发明的可视化过程控制仿真方法将系统监控与仿真画面集中于同一个视窗，不同于传统的仿真软件的单调界面，提供了形象、丰富的组件库和控件库，极大的方便了操作人员对监控效果的查看和参数修改。该仿真方法也克服了监控软件的画面丰富但仿真功能简单缺点，又能有效的提高开发人员设计开发控制系统进度，方便监控画面组态图的搭建和原理图的建立，开发复杂的过程控制系统。该方法建立的仿真系统人机交互界面设计简单，易于操作使用。

本发明的可视化过程控制仿真方法建立的仿真系统提供多种虚拟对象的建模方式、多种控制器和多种输入方式，通过统一的命名绑定机制，能够快速准确的实现虚拟对象组件、控件和后台Simulink仿真模型之间的参数传递。该系统依托Matlab进行仿真计算，仿真精度高，工作稳定可靠，具有较强的适用性，不仅能够进行纯虚拟仿真，也能进行半实物仿真。

该仿真方法能够根据可视化的原理图对组态图所描绘的过程控制系统进行在线或离线仿真，具有操作简便、仿真效率高的特点，能够良好地模拟工业过程控制系统的生产状况。

附图说明

图1为可视化过程控制系统组态仿真方法流程图；

图2为单回路水箱液位模糊控制系统仿真界面图；

图3为单回路水箱液位模糊控制系统输出仿真曲线；

图4为单回路水箱液位PID控制系统总体结构示意图；

图5为单回路水箱液位PID控制系统仿真界面图；

图6为单回路水箱液位PID控制系统实时曲线。

具体实施方式

以下将结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明：

实施例1：

一种基于VC++与Matlab混编的可视化过程控制系统组态仿真方法流程图如图1；通过单回路水箱液位模糊控制系统为例，利用本系统进行水箱液位控制，实现使用本控制系统仿真的模拟操作。

首先，在如图2的新建工程组态图中，建立虚拟对象水箱w6，是一个二阶系统，二阶系统的传递函数是：

其次，在原理图中，搭建系统控制框图，输入信号为方波，周期是62秒；输出是跟踪方波的相应，控制器选用模糊控制器。

模糊控制器是控制系统的核心，是两个输入一个输出，两个输入分别为误差，和系统实际输出；一个输出即控制输出。其建立的具体实现步骤如下：

(1)利用Visual Graph设计模糊控制器的外框图形，并将其导入到控件库中，方便控制系统的搭建。

(2)在matlab中，模糊控制器是写在一个M文件中，在命令行中执行文件名，此时在workspace中会产生一个模糊控制器的数据结构，将这个数据结构嵌入到simulink中的Fuzzy Logic Controller模块，即可在simulink环境下实现模糊控制效果。

其中，M文件的生成是通过VC的用户界面(GUI)操作实现的，即利用VC自带的文件操作函数，主要是WritePrivateProfileString和GetPrivateProfileString，将信息暂存到一个文件中，后缀设置成.ini，然后利用文件流istream，将文件.ini中的信息组成M文件。

(3)系统编译时，会将模糊控制器相关设置，如输入变量个数、输入变量名、输出变量个数、输出变量名、论域范围、隶属度函数、模糊规则，保存到.txt文件中。其中，隶属度设置，系统提供的隶属度有三个，分别对应Z/PS/NS，即零/偏大/偏小，隶属度类型是高斯型隶属度，各自的范围由用户依据设计而定。

最后，系统运行时，用户进行输入、模糊控制器设置，查看实时仿真曲线，如图3，观察控制变化的效果。

实施例2：

通过单回路水箱液位PID控制系统为例，利用本系统进行实际水箱对象的液位控制，说明该系统同样可以用于实际系统的控制仿真。

首先，根据图4连接水箱液位控制系统硬件。实际水箱的外形是一上面为倒立圆锥台、下面是圆柱形，R＝275mm，r＝50mm，H₁＝500mm，H₂＝155mm，进水口变频器是执行机构，出水口电磁阀开度固定值25。

其次，根据硬件连接系统新建工程组态图，如图5。

再次，在原理图中，搭建系统控制框图，初始输入设置w3＝400，控制器w2选用PID控制器，PID控制器参数P＝20，I＝1，D＝1，在经过控制量的限幅和单位换算后，w1为系统下发到PLC的量，w0为水箱液位调节后的PLC采集值，经单位换算后，w8为系统输出的水箱液位数据(即控制系统反馈值)。

最后，运行系统，调节输入信号和P、I、D参数值，查看系统输出w8跟踪输入w3(w9)的实时曲线，如图6，具有很好的跟踪控制效果。

Claims (5)

1.一种可视化过程控制系统组态仿真方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：组态图及原理图的建立；

在可视化的工程界面中，通过从组件库中选取虚拟对象组件建立用于模拟实际设备的组态图，并通过从控件库中选取虚拟对象控件建立用于表征过程控制系统框图的原理图；

将组态图的虚拟对象组件和原理图中的虚拟对象控件绑定；将原理图中虚拟对象控件对应的图形与作为后台仿真支撑的M文件或Simulink模块绑定；

步骤2：仿真运行

建立仿真机制，启动Matlab引擎，生成仿真数据，并在组态图中显示控制结果。

2.根据权利要求1所述的可视化过程控制系统组态仿真方法，其特征在于，建立组件库的方法为：利用VC++调用Visual Graph绘制虚拟对象组件所需图形；虚拟对象组件采用基于传递函数模型、状态空间模型、最小二乘模型、神经网络四种建模方式构造，后两种建模方式需进行参数设置；虚拟对象组件与原理图中的虚拟对象控件建立自动连接；

所述的虚拟对象组件是能在组态界面中操作的广义对象图形，广义对象包含控制系统的被控对象、执行机构和传感器。

3.根据权利要求2所述的可视化过程控制系统组态仿真方法，其特征在于，将原理图中Visual Graph控件图形即虚拟对象控件和作为后台仿真支撑的Simulink控制算法模块绑定，控件库中包括控制器控件和输入控件，控制器控件包括PID控制器控件、模糊控制器控件和专家控制器控件，输入输出控件包括阶跃信号输入控件、正弦信号输入控件、模拟量输入控件、模拟量输出控件、数字量输入控件和数字量输出控件。

4.根据权利要求3所述的可视化过程控制系统组态仿真方法，其特征在于，建立仿真机制的方法为：在Matlab中建立ws0和ws1的两个mdl文件，在ws0中设置初始数据结构，在ws1中将上一时刻仿真末状态赋予下一时刻仿真初状态；进行仿真时，首先执行一次ws0，即进行了一个仿真步长的仿真，建立初始数据结构后，按照仿真步长执行ws1。

5.根据权利要求4所述的可视化过程控制系统组态仿真方法，其特征在于，过程控制系统运行时，对已建好的过程控制系统的识别是通过对组件和控件使用统一的命名绑定机制实现的，一个虚拟对象对应于一个在组态图中显示的图形外框、一个在原理图中显示的图形外框和一个Simulink模块，一个控制器控件或输入控件对应于一个在原理图中显示的图形外框和一个Simulink模块；

步骤1中所述的绑定指采用命名绑定机制进行绑定，即将虚拟对象组件名称、控件名称以及虚拟对象数据存储单元名称统一化；虚拟对象的名称格式为w_i，其中i表示虚拟对象的序号；w_i就作为虚拟对象在整个仿真过程中的唯一标识；

仿真过程中涉及到的运行数据交换是指Simulink与组态图、原理图运行时的变量数据交换，三者之间通过同一的命名来实现关联；

仿真进行时，以Matlab workspace作为数据交换中心，其中Simulink仿真运行时所需的输入参数通过VC调用Matlab引擎执行Simulink仿真命令来实现，Simulink仿真运行时所产生数据上传到Matlab workspace，同时Simulink仿真运行时所产生数据也作为原理图与组态图中的数据进行显示。

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