CN108153166A - 一种工业过程仿真系统及仿真方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种工业过程的仿真系统及仿真方法，本仿真系统既可以通过在终端设备上输入的工程参数结合仿真设备内的建模算法对工业过程系统进行建模，也可以通过对实际控制系统的输出控制信号以及工业过程系统的响应信号进行采集，通过终端设备中模型参数识别算法利用采集的数据对模型参数进行识别和建模，并根据建立的数学模型，计算在实际控制系统的输出控制信号的作用下模型的输出以实现工业过程系统的仿真，并且两种建模方式可由终端设备切换，实现操作方便、建模便捷、以及与真实工业过程系统匹配的仿真。

Description

一种工业过程仿真系统及仿真方法

技术领域

本发明涉及工业过程仿真技术领域，特别是涉及一种工业过程的仿真系统及仿真方法。

背景技术

目前工业控制系统的工程调试基本还是依赖于控制实际工业过程系统进行直接调试，而不是采用先仿真分析、再实际投入的流程，例如：如果工程师调试一套锅炉温度系统，则工程师会将控制器、传感器和执行器组成的控制系统连接至实际的锅炉对象系统。为了达到温度控制的性能要求，工程师需要通过对实际工业过程系统的控制和观察来调整优化工业控制器中控制参数。对于一个锅炉系统，在调试过程中每次升温、降温的过程比较缓慢(几个小时甚至几天)，调试时间漫长。一旦一套控制参数效果不满意，则整个调试过程需要重新进行。一套达到控制要求的控制参数，往往需要对实际工业过程系统对象进行长时间的操作、控制、调试才能得到。在这样反复调试过程中将浪费大量的资金、能源和时间。更突出的，在调试过程中由于工业过程系统处于过渡状态或非稳定状态，工业过程系统存在过压、过温、危险合成物溢出等安全隐患，所以使用实际被控系统直接进行调试存在高投入、高风险、耗时间的情况。而如果在调试控制器控制参数时，使用本工业过程仿真设备进行建模并仿真真实工业系统的输出响应，从而通过观察仿真所得到的工业过程系统的响应和动态变化对控制器的控制参数进行调试，使控制器连接控制仿真设备而非直接控制实际系统，避免实际工业系统的物理束缚和安全隐患问题，则可以经济、安全、高效的调试工业过程系统。

建模仿真系统包含模型和仿真两个主要部分。模型是进行良好仿真的基础。目前，主流的工业过程的建模仿真软件有ProModel，SIMIT等。此类系统建模和仿真软件所使用的模式大多依赖于其内置预设的模型，使得此类预设的模型与真实系统的匹配程度有限，造成通过此类模型得到的仿真结果无法完美的复现实际工业过程系统的真实响应。仿真系统与实际工业过程系统的“匹配”方面，目前此类仿真软件仍旧无法很好实现。另外，此类系统建模和仿真软件虽然功能强大，但其价格昂贵，使得中小企业和个人难以支付得起。且使用者上手使用困难，短时间内无法得心应手的使用此类软件。第三，由于此类软件几乎都是基于计算机的软件系统，在某些工业调试一线的现场对笔记本电脑没有空间和没有供电电源的场合，此类基于计算机的软件系统对于一线调试工程师使用起来很不方便。

发明内容

本发明的目的在于提出一种工业过程的仿真系统及仿真方法，以实现操作方便、建模便捷、以及与真实工业过程系统匹配的仿真。

为达到上述目的，本发明提供了以下技术方案：

一种工业过程的仿真系统，所述工业过程的仿真系统包括：便携式工业过程系统仿真设备和终端设备，所述便携式工业过程系统仿真设备包括：信号输入模块、算法处理控制器、通信控制器、信号输出模块以及供电模块，其中：

所述终端设备与所述便携式工业过程系统仿真设备的通信控制器通过蓝牙通信连接，所述终端设备用于向所述便携式工业过程系统仿真设备输入工程参数及操作建模模式的切换，即通过所述输入工程参数结合仿真设备内的建模算法进行建模的工程参数输入建模模式；与通过终端设备中模型参数识别算法利用采集的数据对模型参数进行识别和建模的模型参数在线自动识别建模模式，实现两种建模模式的切换；

所述信号输入模块作为所述工业过程的仿真系统的数据采集输入端与所述实际控制器的控制变量输出端相连，用于采集所述实际控制器的控制变量U，所述信号输入模块同时也作为所述工业过程的仿真系统的数据采集输入端与所述实际工业过程系统的响应变量输出端相连，用于采集所述实际工业过程系统的实际输出变量V，所述便携式工业过程系统仿真设备根据所述控制变量U和所述实际输出变量V，通过所述模型参数在线自动识别建模模式进行建模；

所述便携式工业过程系统仿真设备根据所述工程参数输入建模模式或模型参数在线自动识别建模模式建立的模型，结合所述信号输入模块所采集的所述实际控制器的控制变量U，进行计算并输出所述实际工业过程系统的仿真响应输出值Y；

所述信号输出模块作为所述工业过程的仿真系统的输出端与所述实际控制器的接收反馈变量输入端相连，用于将所述工业过程的仿真系统的响应输出值Y对被控对象的实际输出变量V进行仿真；

所述算法处理控制器与所述通信控制器之间采用UART串口进行数据交互，所述算法处理控制器结合实时操作系统，用于进行建模算法运算；

所述供电模块分别与所述算法处理控制器和所述通信控制器相连，为所述算法处理控制器和所述通信控制器提供电源。

优选的，所述便携式工业过程系统仿真设备还包括：

与所述通信控制器相连的以太网接口，通过通信处理器通信协议处理实现ModbusTCP/IP通信协议、Profinet-IO通信协议、Ethernet/IP通信协议、TCP/IP通信协议、OPC UA通信协议。

优选的，所述便携式工业过程系统仿真设备还包括：

与所述通信控制器相连的RS485接口或A/B端子接口，通过通信处理器通信协议处理实现Modbus RTU通信协议、Profibus-DP通信协议、DeviceNet通信协议、CAN通信协议。

优选的，所述便携式工业过程系统仿真设备还包括：

分别与所述算法处理控制器和所述通信控制器相连的存储模块，用于存储所述便携式工业过程系统仿真设备的历史归档数据。

优选的，所述供电模块为两路供电24VDC和5VDC，包括：24V电压输入的接口为供电端子，5V电压输入的接口为与移动终端接口兼容的mini-USB接口。

优选的，所述供电模块还包括：内置锂电池，所述内置锂电池的供电电压为4.2V。

优选的，所述终端设备为智能手机、平板电脑或个人数字助理。

一种工业过程的仿真方法，应用于所述的工业过程的仿真系统，所述工业过程的仿真系统包括：便携式工业过程系统仿真设备和终端设备，该仿真方法包括：

所述终端设备向所述便携式工业过程系统仿真设备输入工程参数及操作建模模式的切换；

所述便携式工业过程系统仿真设备根据所述工程参数结合仿真设备内的建模算法进行系统建模，得到工业过程系统仿真模型，或，所述便携式工业过程系统仿真设备根据对所述实际控制器的控制变量U和所述实际工业过程系统的实际输出变量V进行采集，并利用采集来的数据进行模型参数在线自动识别建模，自动得到工业过程系统模型，基于所述两种建模模式所建立的模型，所述工业过程系统模型接收所述实际控制器的控制变量U，并将所述工业过程的仿真系统的计算输出值Y对被控对象的实际输出变量V进行仿真。

优选的，还包括：

将仿真得到的所述工业过程的仿真系统的响应输出值Y在所述终端设备上进行显示。

优选的，还包括：

将仿真得到的所述工业过程的仿真系统的响应输出值Y通过所述便携式工业过程系统仿真设备的模拟量输出接口以及通信的方式输出给外部设备。

经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明公开了一种工业过程的仿真系统及仿真方法，该仿真系统用于仿真实际工业过程系统，所述工业过程的仿真系统包括：便携式工业过程系统仿真设备和终端设备，所述便携式工业过程系统仿真设备包括：信号输入模块、算法处理控制器、通信控制器、信号输出模块以及供电模块，本仿真系统通过在终端设备上输入的工程参数结合仿真设备内的建模算法对工业过程系统进行建模，也可以通过对实际控制系统的输出控制信号以及工业过程系统的响应信号进行采集，通过终端设备中模型参数识别算法利用采集的数据对模型参数进行识别和建模，并根据通过以上两种方式建立的数学模型，计算在实际控制系统的输出控制信号的作用下模型的输出以实现工业过程系统的仿真，并且两种建模方式可由终端设备切换，实现操作方便、建模便捷、以及与真实工业过程系统匹配的仿真。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的一种工业过程的仿真系统结构示意图；

图2为本发明实施例提供的另一种工业过程的仿真系统结构示意图；

图3为本发明实施例提供的自适应在线建模模式的结构原理图；

图4为本发明实施例提供的工程参数建模模式的结构原理图；

图5为本发明实施例提供的一阶系统的曲线显示图及对应的所需工程参数；

图6为本发明实施例提供的二阶欠阻尼系统的曲线显示图及对应的所需工程参数；

图7为本发明实施例提供的二阶过阻尼系统的曲线显示图及对应的所需工程参数；

图8为本发明实施例提供的一种工业过程的仿真方法流程图。

具体实施方式

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。

请参见图1所示，本发明实施例公开了一种工业过程的仿真系统，用于仿真实际控制系统，该工业过程的仿真系统包括：便携式工业过程系统仿真设备1和终端设备2，便携式工业过程系统仿真设备1包括：信号输入模块13、算法处理控制器11、通信控制器12、信号输出模块14以及供电模块17，其中：

终端设备2与便携式工业过程系统仿真设备1的通信控制器12通过蓝牙通信连接，终端设备2用于向便携式工业过程系统仿真设备2输入工程参数及操作建模方式的切换，即通过输入工程参数结合仿真设备内的建模算法进行建模的工程参数建模模式；与通过对实际控制器的输出信号及实际工业过程系统的响应信号进行数据采集，并通过终端设备中模型参数识别算法利用采集的数据对模型参数进行识别和建模的模型参数在线自动识别建模模式，实现两种建模模式的切换。

便携式工业过程系统仿真设备1根据工程参数通过算法处理控制器11进行系统建模；信号输入模块13接收来自实际控制器的控制信号与实际控制器相连，用于输入实际控制器的控制变量U，也可以接收实际工业过程系统的实际输出变量V，以进行通过对U,V的采集进行在线自动建模；信号输出模块14将内部所建模型结合控制变量U后的运算结果作为实际系统响应的仿真变量转换为输出信号与实际控制器的输入端相连，用于输出可以仿真实际系统响应的仿真响应输出值Y，信号输出模块作为工业过程的仿真系统的输出端与实际控制器的接收反馈变量输入端相连，用于将仿真系统的工业过程响应输出值Y对被控对象的实际输出变量V进行仿真。

算法处理控制器11与通信控制器12之间采用UART串口进行数据交互，算法处理控制器11结合实时操作系统，用于进行建模算法运算；供电模块17分别与算法处理控制器11和通信控制器12相连，为算法处理控制器11和通信控制器12提供电源。

优选的，如图1所示，上述所述便携式工业过程系统仿真设备1还包括：

与通信控制器12相连的以太网接口15，通过通信处理器通信协议处理实现ModbusTCP/IP通信协议、Profinet-IO通信协议、Ethernet/IP通信协议、TCP/IP通信协议、OPC UA通信协议。

优选的，上述所述便携式工业过程系统仿真设备1还包括：

与通信控制器12相连的RS485接口或A/B端子接口16，通过通信处理器通信协议处理实现Modbus RTU通信协议、Profibus-DP通信协议、DeviceNet通信协议、CAN通信协议。

优选的，上述所述便携式工业过程系统仿真设备1还包括：

分别与算法处理控制器和通信控制器相连的存储模块，用于存储便携式工业过程系统仿真设备的历史归档数据。

具体的，可以设置为存储卡插槽，其可安装MicroSD卡，用于存储变量U/V/Y以及对应时间的历史归档数据(Log文件格式csv/txt)，达到数据可以导出进行进一步分析的功能，同时仿真设备的内部诊断信息和故障码也可以导出。

优选的，如图2所示，上述所述供电模块17为两路供电24VDC和5VDC，包括：24V电压输入的接口为供电端子，5V电压输入的接口为与移动终端接口兼容的mini-USB接口。

优选的，上述所述供电模块17还包括：内置锂电池，所述内置锂电池的供电电压为4.2V。

具体的，mini-USB此接口连接智能终端通用的USB线，既可以对此仿真器内部的电池进行充电，也可连接至计算机将此设备的参数和归档的数据进行备份。

上述算法处理控制器将对U/V/Y进行归档，数据将存储在外置MicroSD卡，同时时间标签也作为一个变量与U/V/Y共同存储，归档周期从1秒至10秒频率可以设定。仿真设备中的时间标签可以来自于APP与智能终端同步时间。当使用计算机通过USB线连接此仿真设备，或将外置的MicroSD卡接于计算机时，可将存储在卡中的数据文件以csv/txt格式导出至计算机硬盘，以便对归档的数据进行进一步分析。

优选的，上述所述终端设备为智能手机、平板电脑或个人数字助理(英文全称：Personal Digital Assistant，英文缩写：PDA)等。此处以智能手机为例进行介绍，然而并不应构成对本发明方案的限定。

具体的，对一个工业过程系统建立模型，本仿真系统有“工程参数输入建模模式”和“模型参数在线自动识别建模模式”两种模式。此两种建模模块可以通过终端设备进行操作切换。在过程系统可用一阶、二阶模型系统描述时，可以采用输入工程参数输入建模模式进行建模，当过程系统需要通过高阶模型描述时，则可以采用模型参数在线自动识别模式进行建模。此仿真系统的特点是，其包含的这两种建模模式都是根据实际过程系统进行建模，所以在建模完成后，模型及结合实际控制器的控制信号所计算的工业过程系统的仿真响应输出值与实际系统的响应有比较高的匹配度，从而模型输出的仿真响应能够很好的复现工业系统实际响应值。

具体的，本发明实施例以锅炉系统为例来说明在该便携式工业过程系统仿真设备进行建模时通过工程参数输入建模模式-离线辨识模式如图3所示，或自动识别建模模式-在线辨识模式如图4所示。

通过工程参数输入建模模式-离线辨识模式

如图3所示，对被识别的过程系统的进行控制信号阶跃给定输入，观查工业过程系统变量V的响应变化。工程师通过观察响应变化，选择匹配的模型及从响应曲线中读取工程参数并录入至终端设备。所供选择的模型(一阶系统，如图5所示；二阶欠阻尼，如图6所示；二阶过阻尼，如图7所示)及所需参数，工程师可通过终端设备的操作界面和操作指示录入至对应参数框中即可。

如图5所示，一阶模型确立所需参数:T₀为算法采样周期；T_D为输入信号U对系统响应V的死区时间＝>d＝T_D/T₀；ΔU(k)为对过程系统的控制输入阶跃变化信号ΔU(k)＝U(k)-U₀₀；ΔV(k)为实际系统的过程变量响应经过控制信号阶跃给定后的变化。再根据V₀₀为系统在开始进行阶跃响应前系统进入稳定状态下的静态值；U₀₀为系统在开始进行阶跃响应前对系统进行给定的给定信号。

如图6所示，二阶欠阻尼模型确立所需参数：OS％超调百分比值；t_p指系统输出响应超过其终值达到第一个峰值所需的时间；T₀、T_D、ΔU(k)、ΔV(k)、V₀₀、U₀₀等参数与一阶模型相同。

如图7所示，二阶过阻尼模型确立所需参数：t_r指系统输出响应曲线从终值10％上升到其终值90％所需的时间(自动控制原理标准定义)；t_d指系统输出响应曲线第一次达到其终值一半所需的时间(自动控制原理标准定义)；T₀、T_D、ΔU(k)、ΔV(k)、V₀₀、U₀₀等参数同样与一阶模型相同。

具体方法：

以工业过程系统为锅炉加热系统为例：供热热风门是供热的执行器，是锅炉加热过程系统的输入影响量。供热热风门的开度被控制器控制，其控制量为U，来自于控制器。假设在供热热风门开度控制量U为30％时，锅炉的温度值进入稳定状态，此时锅炉温度在150℃附近轻微波动进入基本稳定状态(U₀₀为30％，V₀₀为150℃)。然后对控制信号U进行阶跃给定，(如阀门控制开度从之前的30％增加至40％，即阶跃增量10％开度)。在控制信号U进行阶跃给定后，被控过程系统的发生阶跃变化。然后观查被控过程系统的输出响应值的变化规律和状态。比如在供热热风门开度调整为40％后，锅炉温度逐步上升，直至温度进入新的稳定状态，此后温度上升并基本稳定于170℃。在锅炉温度从150℃上升至170℃的过程中，其变化趋势可能呈现一阶系统响应、二阶过阻尼、二阶欠阻尼的现象。通过观察曲线变化趋势，选择对应的模型进行工程参数的测量。如果变化趋势符合图5的二阶欠阻尼曲线趋势，则按照图5的中的指示，使用者读取过程响应曲线所对应的时间和变量变化工程参数值并输入至图5的对应的参数框中。在使用者在终端设备点击建模按钮后，本仿真系统能够根据所输入的参数进行建模计算建立二阶欠阻尼模型。

模型参数在线自动识别建模模式-在线辨识模式

如图4所示，当过程系统没有条件进行阶跃响应或是过程系统无法使用一阶或是二阶模型进行描述时，本仿真系统还可通过对控制器控制量和过程系统响应量采集的方式使用在线辨识模式进行系统模型的参数自动识别。

具体方法：

通过对所关注过程系统的控制系统控制量U(如阀门控制开度)和过程系统的输出响应量V(锅炉温度值)进行数据采集，进行模型参数识别以在线自动实现模型建模。在线辨识所采用模型结构为ARX模型，辨识算法采用递归最小二乘法。为了能够使系统模型能够满足对高阶系统建模，同时综合平衡模型参数识别带来的计算复杂度，系统模型可采用m阶(典型为m＝5阶)的线性ARX模型：

v(k)+a₁v(k-1)+...+a_mv(k-m)

＝b₁u(k-d-1)+...+b_mu(k-d-m)

其中：

其中，过程系统在稳定工作点时的变量值为V_oo，控制输入信号为U(k)，U_oo为过程系统在V_oo时U(k)比较稳定时的值。V_oo和U_oo可通过计算V(k)和U(k)的平均值或由用户根据实际系统要求直接输入获得。d＝T_D/T₀(T₀为算法采样周期T_D为输入信号U对系统响应V的死区时间)。使用辨识算法对参数组

进行参数识别，一旦参数识别成功，则ARX模型确定。

在使用工程参数输入建模模式或模型参数在线自动识别建模模式完成建模后，可将控制系统控制量U(如阀门控制开度)作为模型的输入量，则锅炉温度量的仿真响应输出值则通过模型计算得出。由于所建立的模型是根据实际过程系统得到的控制信号和响应而得到建立的，故此仿真系统结合控制信号U和模型而实时计算的仿真响应输出值Y能够较好的仿真复现实际锅炉系统的温度响应量V。此后使用者则可以通过使用本仿真系统输出值作为仿真的过程系统响应值，用以调试其控制器的控制参数，测试锅炉在不同控制参数和控制指令的变化下的响应，而不是使用实际过程系统进行操作。由于此仿真系统输出的仿真值能够与真实系统高度匹配，则使用此仿真系统作为控制对象来调试控制器，则可以避免在调试控制器参数过程中对实际过程系统引起震荡、耗费能源、耗费时间的情况，达到经济、安全、高效的调试控制系统的目的。

综上所述，本发明公开了一种工业过程的仿真系统，该仿真系统用于仿真实际工业过程系统，所述工业过程的仿真系统包括：便携式工业过程系统仿真设备和终端设备，所述便携式工业过程系统仿真设备包括：信号输入模块、算法处理控制器、通信控制器、信号输出模块以及供电模块，本仿真系统既可以通过在终端设备上输入的工程参数结合仿真设备内的建模算法对工业过程系统进行建模，也可以通过对实际控制系统的输出控制信号以及工业过程系统的响应信号进行采集，通过采集的数据进行模型参数在线自动识别建模，并根据建立的数学模型，计算在实际控制系统的输出控制信号的作用下模型的输出以实现工业过程系统的仿真，并且两种建模方式可由终端设备切换，实现操作方便、建模便捷、以及与真实工业过程系统匹配的仿真。

本发明在上述公开的系统的基础上，还公开了对应的方法。

下面对本发明实施例提供的一种工业过程的仿真方法进行介绍，需要说明的是，有关该工业过程的仿真方法的说明可参照上文提供的工业过程的仿真系统的例子，以下并不做赘述。

请参见图8所示，本发明实施例公开了一种工业过程的仿真方法，应用于上述所述的工业过程的仿真系统，所述工业过程的仿真系统用于仿真实际控制系统，所述工业过程的仿真系统包括：便携式工业过程系统仿真设备和终端设备，该仿真方法具体包括如下步骤：

步骤S801中，根据工业过程系统的实际情况选择建模模式。

本实施例中，需要说明的是，如果工业过程系统有条件进行控制信号给定阶跃信号进行阶跃响应测试，则可以选择工程参数输入建模模式。如果工业过程系统处于连续生产无法进行阶跃响应的情况，或工业过程系统比较复杂需要使用高阶模型描述的情况下，则可以选择模型参数在线自动识别建模模式，选择这两种模式的操作在终端设备上的操作界面进行切换操作。

工程参数输入建模模式：

步骤S802中，通过控制器对实际过程系统施加阶跃控制信号，即U为阶跃信号，观察工业过程系统输出变量V在U的作用下的阶跃响应变化。

待过程系统的响应进入稳定状态后，观察V阶跃响应符合一阶、二阶欠阻尼、二阶过阻尼哪一种响应曲线，并根据对应曲线所需要的模型工程参数进行测量和记录。

步骤S803中，通过终端设备向便携式工业过程系统仿真设备输入所测量的工程参数；

步骤S804中，便携式工业过程系统仿真设备根据工程参数进行系统建模，得到工业过程系统模型。

模型参数在线自动识别建模模式：

步骤S802’中，将控制器的控制信号U以及实际过程系统的输出变量V接入此便携式工业过程系统仿真设备的输入信号端(或通过通信的方式)进行数据采集，在在终端设备上设置基本的参数后，启动模型参数在线自动识别建模模式进行建模。此时，控制器和实际过程系统正常的操作和生产。

步骤S803’中，自适应在线建模算法在在线采集一段时间的数据后，进行ARX模型参数识别。待所识别的参数组中参数稳定后，系统判定参数识别完毕，结合所识别的参数和ARX模型结构，模型建立完毕。

步骤S804’中，将连接在本仿真系统输入信号端的实际工业过程系统的实际输出变量V信号断开，保持控制信号U不改动。

步骤S805中，使用控制信号U作为所建立模型的输入信号，任选一种上述两种建模方法所建立的模型作为计算仿真响应输出值Y的模型，准备进行仿真响应输出值Y的计算输出。启动开始仿真按钮，本仿真系统的输出信号端(或通信方式)开始输出仿真响应输出值Y。

步骤S806中，将仿真响应输出值Y输出至终端设备上进行显示。使用者可观察仿真值的响应及变化是否合理，如果与实际过程系统V值的变化相近匹配，则说明此仿真系统仿真值可以作为可以替代真实过程系统的输出值接至实际控制系统。

步骤S807中，将仿真响应输出值Y通过便携式工业过程系统仿真设备的模拟量输出接口(或通过通信方式)接至实际控制器的过程变量反馈输入端以替换实际过程系统的响应值，以使用此仿真系统来代替和仿真实际过程系统。

综上所述，本仿真设备在实现仿真实际过程系统方面有如下两个重要特点和优点。

1)高度匹配-模型建立根据实际过程系统建立，模型计算输出的仿真值高度匹配实际过程系统。由于所建立的模型是根据实际过程系统得到的控制信号和响应而得到建立的，故此仿真系统结合控制信号U和模型而实时计算的仿真响应输出值Y能够较好的匹配实际工业过程系统的实际输出变量V。以达到使用者可以使用此仿真系统作为控制对象代替实际过程系统来调试控制器，可以避免在调试控制器参数过程中对实际过程系统操作而引起的震荡、耗费能源、耗费时间的情况，达到经济、安全、高效的的调试控制系统的目的。

2)操作方便-本实施例中，终端设备上安装有应用APP，其与便携式工业过程系统仿真设备进行蓝牙交互。以使得使用者可以通过APP来无线操作此设备，无需专业软件，也不受电缆距离的限制。终端上设备上可方便设置参数、观测设备内部状态、监控仿真变量的趋势图。

3)建模便捷-工程参数输入建模模式所需要的工程参数可以通过观察实际过程响应曲线得到。模型参数在线自动识别建模模式则由此仿真系统自动计算得出。这使得使用工程师无需专业建模知识，也无需基于个人电脑的复杂软件就可实现工业过程的建模与仿真。使用此仿真设备的终端设备操作即可以实现建模和仿真，使使用者可以方便便捷的得到真实系统的模型。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括上述要素的物品或者设备中还存在另外的相同要素。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种工业过程的仿真系统，其特征在于，所述工业过程的仿真系统包括：便携式工业过程系统仿真设备和终端设备，所述便携式工业过程系统仿真设备包括：信号输入模块、算法处理控制器、通信控制器、信号输出模块以及供电模块，其中：

所述终端设备与所述便携式工业过程系统仿真设备的通信控制器通过蓝牙通信连接，所述终端设备用于向所述便携式工业过程系统仿真设备输入工程参数及操作建模模式的切换，即通过所述输入工程参数结合仿真设备内的建模算法进行建模的工程参数输入建模模式；与通过终端设备中模型参数识别算法利用采集的数据对模型参数进行识别和建模的模型参数在线自动识别建模模式，实现两种建模模式的切换；

所述信号输入模块作为所述工业过程的仿真系统的数据采集输入端与所述实际控制器的控制变量输出端相连，用于采集所述实际控制器的控制变量U，所述信号输入模块同时也作为所述工业过程的仿真系统的数据采集输入端与所述实际工业过程系统的响应变量输出端相连，用于采集所述实际工业过程系统的实际输出变量V，所述便携式工业过程系统仿真设备根据所述控制变量U和所述实际输出变量V，通过所述模型参数在线自动识别建模模式进行建模；

所述便携式工业过程系统仿真设备根据所述工程参数输入建模模式或模型参数在线自动识别建模模式建立的模型，结合所述信号输入模块所采集的所述实际控制器的控制变量U，进行计算并输出所述实际工业过程系统的仿真响应输出值Y；

所述信号输出模块作为所述工业过程的仿真系统的输出端与所述实际控制器的接收反馈变量输入端相连，用于将所述工业过程的仿真系统的响应输出值Y对被控对象的实际输出变量V进行仿真；

所述算法处理控制器与所述通信控制器之间采用UART串口进行数据交互，所述算法处理控制器结合实时操作系统，用于进行建模算法运算；

所述供电模块分别与所述算法处理控制器和所述通信控制器相连，为所述算法处理控制器和所述通信控制器提供电源。

2.根据权利要求1所述的工业过程的仿真系统，其特征在于，所述便携式工业过程系统仿真设备还包括：

与所述通信控制器相连的以太网接口，通过通信处理器通信协议处理实现ModbusTCP/IP通信协议、Profinet-IO通信协议、Ethernet/IP通信协议、TCP/IP通信协议、OPC UA通信协议。

3.根据权利要求1所述的工业过程的仿真系统，其特征在于，所述便携式工业过程系统仿真设备还包括：

与所述通信控制器相连的RS485接口或A/B端子接口，通过通信处理器通信协议处理实现Modbus RTU通信协议、Profibus-DP通信协议、DeviceNet通信协议、CAN通信协议。

4.根据权利要求1、2或3所述的工业过程的仿真系统，其特征在于，所述便携式工业过程系统仿真设备还包括：

分别与所述算法处理控制器和所述通信控制器相连的存储模块，用于存储所述便携式工业过程系统仿真设备的历史归档数据。

5.根据权利要求1所述的工业过程的仿真系统，其特征在于，所述供电模块为两路供电24VDC和5VDC，包括：24V电压输入的接口为供电端子，5V电压输入的接口为与移动终端接口兼容的mini-USB接口。

6.根据权利要求5所述的工业过程的仿真系统，其特征在于，所述供电模块还包括：内置锂电池，所述内置锂电池的供电电压为4.2V。

7.根据权利要求1所述的工业过程的仿真系统，其特征在于，所述终端设备为智能手机、平板电脑或个人数字助理。

8.一种工业过程的仿真方法，其特征在于，应用于权利要求1所述的工业过程的仿真系统，所述工业过程的仿真系统包括：便携式工业过程系统仿真设备和终端设备，该仿真方法包括：

所述终端设备向所述便携式工业过程系统仿真设备输入工程参数及操作建模模式的切换；

所述便携式工业过程系统仿真设备根据所述工程参数结合仿真设备内的建模算法进行系统建模，得到工业过程系统仿真模型，或，所述便携式工业过程系统仿真设备根据对所述实际控制器的控制变量U和所述实际工业过程系统的实际输出变量V进行采集，并利用采集来的数据进行模型参数在线自动识别建模，自动得到工业过程系统模型，基于所述两种建模模式所建立的模型，所述工业过程系统模型接收所述实际控制器的控制变量U，并将所述工业过程的仿真系统的计算输出值Y对被控对象的实际输出变量V进行仿真。

9.根据权利要求8所述的工业过程的仿真方法，其特征在于，还包括：

将仿真得到的所述工业过程的仿真系统的响应输出值Y在所述终端设备上进行显示。

10.根据权利要求8或9所述的工业过程的仿真方法，其特征在于，还包括：

将仿真得到的所述工业过程的仿真系统的响应输出值Y通过所述便携式工业过程系统仿真设备的模拟量输出接口以及通信的方式输出给外部设备。