2013年IFAC第10届研讨会：虚拟实验室ContLab.eu与工业PID控制方案的发展

2013年8月28日至30日，国际自动控制联合会第10届IFAC研讨会控制教育进展。英国谢菲尔德一个新的基于Web的控制教育资源ContLab.euM. 好的。 S chlegelpalace. 巴尔达，你好。Severa捷克共和国比尔森西波希米亚大学控制论系（电子邮件：mcech@kky.zcu.cz）。电子邮件：schlegel@kky.zcu.cz电子邮件：pbalda@kky.zcu.cz电子邮件：osevera@kky.zcu.cz翻译后摘要：在过去的二十年中，虚拟实验室有助于教学生和培训技术人员在广泛的工程领域，包括自动化和控制。然而，仍然缺乏实验室提出与工业问题直接相 关 的 更 复 杂 的 控 制 方 案 。 本 文 介 绍 了 一 个 新 的 虚 拟 实 验 室 门 户 网 站ContLab.eu。它诞生于流行的PIDlab网站的基础上，其中只演示了与PID控制相关的算法ContLab将涵盖更广泛的自动化主题，包括振动阻尼，运动控制和机器人技术。一种新的技术被用来创建每个单独的实验室。仿真核心在Matlab/Simulink中设计，然后自动部署到Java中。类似地，核心可以被发送到实时目标以控制真实机器或工厂。这确保了所有三个平台（虚拟实验室、Matlab/Simulink和实时目标）的行为完全相同，包括功能块算法、参数及其相互信号连接。介绍了几个与PID控制相关的ContLab虚拟实验室作者相信，这些实验室将对工业和学术领域都有帮助。关键词：网络教育，虚拟实验室，过程控制，PID控制1. 介绍在过去的二十年里，虚拟实验室帮助教授学生和培训技术人员在广泛的工程领域，包括自动化和控 制 （ Prieto-Blazquez et al.[2008] ， Villar-Zafra etal.[2012]，Duarte et al.[2008年]）。它们允许用户在家中舒适地同时进行实验。有时远程服务器有助于进行高级数值计算，而在其他情况下，实验室是嵌入到网页中的完全独立的模块。可以肯定的是，这些工具吸引了更多的网络流量，并有助于使您的想法熟悉。通常，用于创建实验室的工具更倾向于流程建模。目前仍然缺乏实验室提出与工业问题直接相关的更复杂的控制更具体地说，许多实验室的严重缺点是，内置的算法不能直接用于控制真实的工厂或机器。本 文 介 绍 了 一 个 新 的 虚 拟 实 验 室 门 户 网 站 Con-tlab.eu。它诞生于流行的PIDlab 网络（Schlegel和Cech[2004]）的基础上，其中仅演示了与PID控制相关的算法ContLab将涵盖这项工作得到了捷克共和国技术局（对这种支持表示感谢。更广泛的自动化主题，包括振动阻尼，运动控制和机器人技术。许多虚拟实验室由计算数学模型的状态的Matlab引擎和LabView软件驱动以显示实验室GUI（Cheng和Fu [2011]，Qiong等人，2012）。[2012年]）。在这种情况下，微分方程在远程Matlab服务器上求解，因此需要连接互联网来显示模拟结果（Koretsky等人[2008]， Uran和Jezernik [2008]）。 另一方 面，Easy Java Simulations（EJS）平台可以用于开发更多不需要远程服务器的独立实验室不幸的是，该模型不能从成熟的功能块中构建，这是有问题的 ， 特 别 是 在 创 建 控 制 方 案 时 （ Esquembre[2003]，Farias et al. [2010年]）。在Contlab上，一种新的技术被用来创建每个单独的 实 验 室 。 仿 真 核 心 在 Matlab/Simulink 中 使 用RexLib功能块设计（Balda et al. [2005]），然后自动部署到Java中（Ce chandBalda[2009]）。 类似地，内核可以发送到实时目标以控制真实机器或工厂。这 确 保 了 所 有 三 个 平 台 （ 虚 拟 实 验 室 、Matlab/Simulink和实时目标）的行为完全相同，包括功能块算法、参数及其相互信号连接。而且，与传统的手工编写实验室代码的方式相比，内核的维护和更新更加简单© IFAC 1 10.3182/20130828-3-UK-2039.00025第十届IFAC ACE2013年8月28日至30日。英国谢菲2本文介绍了ContLab中与PID控制相关的虚拟介绍先进的PID自动调谐器（脉冲、继电器）、Smith预估器、浮动控制、分程控制和中心搜索控制的实验室的简短描述将在单独的小节中给出。本文的组织如下：第2节回顾了Contlab的历史，特别是与众所周知的PIDlab.com的关系。在第三节中，描述了自动生成仿真核的特殊技术ContLab实验室相关PID控制的特征总结在第4节的各个小节第5节显示了如何容易可以直接控制实际工厂或机器所提出的控制方案。第6节给出了结论和未来工作的想法。2. CONTLAB和PIDLAB历史七年多来，PIDlab.com为鲁棒PID控制器设计和整定提供了交互式工具。它们变得非常受欢迎，因为与控制系统工具箱提供的Matlab GUI相比，它们更紧凑，响应更快。此外，还实现了标准Matlab环境下无法实现的过程辨识和鲁棒域计算的算法。目前，这些工具被数百所大学和公司使用，包括主要的自动化公司（参见PIDlab.com上的参考资料）。在2013年的前几个月，网站进行了全面的重新设计，不仅展示了通用的PID设计工具，还展示了从PIDlab思想中成长起来的成熟功能块，这些功能块已经准备好进行产业转移。PIDlab还提供先进的PID控制结构。帮助学生熟悉过程控制和工程师日常PID控制工作。显然，还需要提出PID控制范围之后的其他控制技术。因此，ContLab.eu成立了。它采用了PIDlab.com的所有功能和网页设计。人们甚至可以使用统一的用户帐户为两个门户网站。值得一提的是，Contlab实验室正在西波希米亚大学的硕士学位课程（工业控制系统）中使用。3. 仿真核心三平台思想的自动生成为了确保实验室算法可以被广泛测试并简单地部署到实时目标，遵循树平台的思想。它提供了从模拟和开发平台到实时目标和网络虚拟实验室的自动转换（见图1）。更具体地说，我们使用与Matlab/Simulink兼容的函数块li-rexLib（Balda et al.[2005]）。在这种环境下，所有的租赁和先进的控制结构可以测试和评估。之后，它们可以简单地部 署 到 各 种 实 时 C 语 言 目 标 ， 包 括 工 业 PC ，PLC/PAC ， 嵌 入 式 板 和 低 成 本 原 型 平 台 ， 如Arduino和Raspberry Pi。最后一可能性可以被看作是控制教育的一个新的进化步骤。在第5节中有更详细的描述。RexLib库的主要特点是控制方案可以自动转换为Java语言。这种技术是早期开发的，并在C. C.h和Balda[2009]中进行了描述。在这种情况下，所有三个平台的控制方案100%兼容确保。因此，虚拟实验室的出现不仅是它们以比纯Mat-lab/Simulink模型更吸引人和交互式的方式呈现控制问题。例如，一些不必要的块输入被隐藏，或者实验室被工厂/机器模型（2D/3D）和交互式按钮、滑块等补充。想象一下，工程师可以多快熟悉例如使用虚拟实验室的PID自动调谐器因此，我们认为，三个相互连接的平台的想法有助于弥合学术领域和工业实践之间的差距4. CONTLAB虚拟实验室在本节中，简要介绍了几个Contlab实验室。这些问题都涉及到PID控制问题。与其他虚拟实验室相比，这些实验室既展示了PID自整定研究成果（见4.1和4.2节），也展示了先进的工程问题（见4.3 - 4.8节所有的实验室都是完全虚拟的，用户不需要安装任何东西。第一次下载后不再需要互联网访问。但是，用户必须注册才能解锁此功能。此外，所提出的算法可以很容易地移植到流行的低成本电子平台，如Arduion和Raspberry Pi（见第5节）。4.1 PID脉冲自动调谐器PIDMA小程序（图2）演示了PID脉冲自动调谐器（PID Pulse Autotuner）调谐算法是基于三个脉冲响应的时刻估计。首先，估计过程变量的漂移和噪声然后将矩形脉冲施加到该过程。该过程模型是建立在内部使用三个脉冲响应时刻。最后，控制器参数计算从内部表。RexLib函数块手册（参见Balda et al. [2005年]）。4.2 PID继电器自动调谐器PIDAT小程序（图3）演示了PIDAT功能块（PID脉冲自动调谐器）的特性。整定算法是基于自适应继电器实验，识别频率响应样本与给定的相移。过程模型是使用一个频率响应样本在内部构建的。最后，控制器参数计算从内部表。RexLib函数块手册（参见Balda et al. [2005年]）。第十届IFAC ACE2013年8月28日至30日。英国谢菲3Fig. 1.三个平台图二、PID脉冲自动调谐器虚拟实验室图3. PID继电器自整定器虚拟实验室4.3 Smith预估器小程序显示了从RexLib函数块构建的基本Smith预测器结构（图4）。该方案的目的是控制过程占主导地位的死区时间。该任务包含一个PIDMA控制器和三个MDL模块。一个MDL作为过程模型，而其他两个是史密斯预测器的一部分P0和PDT分别表示无时滞和有时滞的过程模型。见图4。Smith预估器虚拟实验室调谐首先，史密斯的反馈必须断开（史密斯=0）。然后，PIDMA控制器可以被调谐。所获得的参数被直接写入过程模型块P0和PDT。最后，史密斯4.4 串级控制串级控制（图5）用于当有一些次要变量（pv S）与主要过程变量（pv = pv P）一起可用时。次级变量相对于操纵值（mv = mv S）具有比初级变量更低的死区时间。串级控制由内/次控制器（PIDUS）和外/主控制器（PIDU P）组成。如果CAS常数设置为1，则主控制器使用辅助控制器控制过程初级控制器输出是次级控制器的设定点，次级控制器控制过程变量。为了获得适当的性能，必须处理主控制器积分器的上发条也第十届IFAC ACE2013年8月28日至30日。英国谢菲4必须确保二次控制器MAN/AUT模式的无扰切换这些要求由其余的区块执行。图五.串级控制虚拟实验室4.5 三状态输出PID控制器并非所有的执行器都配备有可以直接连接到PID控制器输出的模拟输入信号。除了PWM（脉宽调制）之外，还经常使用具有两个数字输入的执行器。控制动作，如改变一个值- “right”可以通过这两个数字输入来实现。电动阀门采用这种策略，如图6- 1所示。PIDMA自动调谐器用作主控制器。当位置信号不可用时，SCUV模块用于步进控制器回路。主控制器使用模块输入mv、dmv和SAT与SCUV模块连接。如果主控制器使用PI或PID控制律，则SCUV块的所有三个输入mv、dmv和SAT由特殊积分算法和三状态元件顺序处理。三态元件的脉冲输出还被如此成形，使得在块输出UP和DN处保证最小脉冲持续时间和最小脉冲中断时间。阀的位置由具有指定时间常数的积分器估计如果来自阀门上下限开关的信号可用，则应将其连接到输入HS和LS。4.6 分程控制当存在两个致动器时使用这种类型的调节这样的致动器的组合允许在操纵变量的小值中增加调节的精度的替代方法1两个数字输入的控制动作也称为见图6。具有三态输出的PID控制器虚拟实验室浮动控制和中心搜索控制。然而，后一种方法的缺点是它们不允许快速打开和关闭粗调阀。 CNDR FINE和CNDR COARSE块定义如何将操作值“分割”为从零（完全闭合）到一（完全打开）的区间。过程模型（蓝色块）假设所有阀门都由精确位置控制，否则需要使用SCU 或SCUV 块通过逻辑信号UP（更多）和DOWN（更少）控制阀门。见图7。分程控制虚拟实验室4.7 浮动控制在这种结构中，微调阀总是用于控制（见图1）。（八）。粗调阀由PI控制器控制，使得精调阀的开度在阀值范围的25%-75%之间可以在CNDR模块中调整间隔然而，积分控制器必须足够慢（即，时间 常 数 必 须 足 够 高 ） ， 以 便 保 持 主 控 制 回 路（PIDU PV）的稳定性。第十届IFAC ACE2013年8月28日至30日。英国谢菲5见图8。浮动控制虚拟实验室4.8 寻中心控制与前两种情况类似，中心搜索控制是一种控制策略，可用于具有不同控制动作范围（精细和粗略）的两个致动器（通常为阀门）（图9）。控制功能始终由精（小）阀执行。粗调（大）阀由积分控制器控制，使得微调阀处于其范围2的中心。这可以通过继电器块RLY 1和RLY 2的适当选择来确保。 积分控制器PIDU I应该足够慢（即，其积分时间常数必须足够大），使得具有PIDU PV控制器的主控制回路保持稳定。每当精细阀离开规定（推荐）间隔（0：25; 0：75）时，将通过将PIDUI控制器切换到自动模式（MAN=关闭）来校正粗调阀的位置，并在达到（推荐）间隔（0：45; 0：55）时完成校正。RTOI 1和RTOI 2块仅执行作为逻辑AND块的输入的实数到整数的5. 联系实验室作为快速开发周期如前所述，ContLab虚拟实验室与工业问题密切相关，因为整个概念符合三个平台的概念。请注意，控制系统的快速开发/原型设计涉及几个关键步骤，这些步骤有助于最大限度地减少设计阶段的错误和失配。在随后的小节中，将提到最重要的几个。5.1 MIL-在这里，机器/对象模型和控制系统都在虚拟环境中进行仿真。一般控制概念的评价和几个机器/植物参数可能会被优化。ContLab虚拟实验室可以被视为MIL模拟（见图10的左半部分）。整个仿真核心在Web浏览器中以Java运行，没有实时要求。2这种策略通常被称为见图9。寻中心控制虚拟实验室5.2 SIL-该开发步骤的目的是以几乎成熟的方式（不包括I/O和其他通信）测试控制系统，以检查在所需采样周期内正确运行所需的内存和计算能力。在ContLab网站上，可以下载在每个实验室运行的RexLib安装RexLib后，可以在Matlab/Simulink中进一步检查或下一步，您可以下载并安装REX实时核心，并在软实时（例如在笔记本电脑上）运行模型。你甚至可以连接到现实世界中使用廉价的Arduino是今天流行的开源电子原型平台。图中的中间部分展示了这种10.5.3 HIL-在此最终开发阶段，控制算法用于以期望的实时目标运行。当谈到控制教育时，人们需要找到一个便宜的平台，可供各种学生和家庭技术怪胎使用。Raspberry PI就是这样的解决方案之一。它由实时Linux提供支持，并且在正确安装REXLinux RT调度程序时可以运行ContLab模型。Arduino不足以处理复杂的控制结构，就像前面的情况一样用作I/O接口。笔记本电脑或PC只关心配置和远程诊断功能。这最后一个阶段描绘在图的右边部分。10.因此，上述电子设备的进步为快速发展原理的教学带来了全新的可能性。然而，三个平台的想法必 须 考 虑 在 内 。 总 而 言 之 ， ContLab （ 基 于RexLib ） 是 如 何 以 专 业 的 方 式 利 用 Arduino 和Raspberry PI等设备而无需手动编码算法的一种可能方法。对上述深度嵌入式平台的使用情况的详细描述超出了本文的篇幅限制。然而，在Sobota et al. [2013年]。第十届IFAC ACE2013年8月28日至30日。英国谢菲6见图10。ContLab作为快速开发周期6. 结论本文介绍了ContLab.eu的目标是在未来成为一个知名的虚拟实验室的广泛来源虽然本文主要涉及与PID控制相关的实验室，但ContLab涉及更广泛的问题，如预测控制，振动阻尼或运动控制。实验室仿真核的自动生成大大提高了嵌入式算法在现实世界中的适用性。据推测，在未来的实验室图形用户界面将基于最新的W3C标准（HTML5，SVG，X3D），因此实验室将很容易移植到智能手机等作者认为，免费访问的交互式工具将是有用的学术和工业领域。引用P. Balda ，M. S chlegel和M. 我是萨蒂蒂娜。 先进的控制算法+Simulink兼容性+实时操作系统=REX。《2005年国际会计师联合会会议记录》，第16卷，第2292-2292页，捷克共和国Praque，2005年7月琼城和伯甫。 的研究与实现基于LabVIEW的电力电子虚拟实验室。 在计算机科学教育（ICCSE），2011年第6届国际会议上，第619 - 622页，2011年8月。doi：10.1109/ICCSE.2011.6028715。M. Duarte，B.P. Butz，S.M. Miller和A. Mahalingam 智能 通 用 虚 拟 实 验 室 （ UVL ） 。 教 育 ， IEEETransactions on ， 51 （ 1 ） ： 22008 年 ISSN 0018-9359。doi：10.1109/TE.2006.888902。F. Esquembre。使用Easy Java Simulations在Java中创建科学模拟。在2003年欧洲会议上。计算机作为工具IEEE区域8，第1卷，第20 - 23页，第1卷，9月。2003. doi：10.1109/EUR- CON.2003.1247971。G.法里亚斯河De Keyser，S. 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