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。英国谢菲尔德用PLC控制四缸钻机作为硕士论文项目J. Carrasc olouboutin，1W. P. 希思，2M。C. RodriguezLinJiang，3R. Alli-Oke，4 O.A. R. Abdel Kerim10岁，5岁S. Rodriguez Gutierrez，6英国曼彻斯特大学电气与电子工程学院电气控制系统中心，Sackville St Building，M13 9PL，UK1电子邮件：joaquin.carrascogomez@manchester.ac.uk2电子邮件：william. manchester.ac.uk3电子邮件：mariadelcarmen. postgrad.manchester.ac.uk4电子邮件：razak. postgrad.manchester.ac.uk5电子邮件：omar. postgrad.manchester.ac.uk 6电子邮件：sergio.rodriguezgutierrez@manchester.ac.uk翻译后摘要：我们报告一个成功的主题大师级项目。十名学生使用各种控制算法和硬件平台解决了一个单一的多变量控制问题。OPC服务器的使用提供了不同的控制结构，设计具有不同规格的控制器，如带宽和噪声抑制。关键词：控制工程教具，可编程逻辑控制器，解耦预补偿器，超前滞后补偿，H∞控制，模糊逻辑控制，最优控制，滑模控制，PID控制，模型预测控制，内模控制。1. 介绍1.1 背景曼彻斯特大学对本科生和硕士生的教学控制有着悠久而自豪的传统（Atherton，2008; Smith，1996）。目前，我们的高级控制和系统工程硕士课程每年吸引约60名学生。三分之一本课程的学分是在论文项目中获得的;此外，为了获得所有项目的区分，必须在项目中获得区分。目前的数字对项目分配造成相当大的压力。在2011-2012学年，我们尝试了所谓的“主题项目”，学生被分配类似但独立的项目;一些监督时间被小组会议和小组学习所取代。在本文中，我们报告了一个这样的主题项目，学生被要求控制一个四缸装置，并作为一种选择，使用PLC来实现他们的控制器。10名学生被分配到该项目，导致Asabor（2012年）的论文;日期（2012年）; Goewam（2012年）; Gopalkrishnan（2012年）; Ku-mar （ 2012 ） ; Li （ 2012 ） ; Okolo （ 2012 ） ;Pachemanov（2012）;Subramanian（2012）; Zhang（2012）1.1.2 学生我们这门课的大部分学生都是本科毕业的.然而，有相当一部分人1可向第一作者索取其中任何或所有文件的副本在工业领域工作，有一定的工业控制实施经验在硕士的第一学期，他们成为精通经典控制，状态空间和系统识别技术。他们还参加与本项目相关的过程控制专业课程。在第二学期，他们将介绍更先进的线性和非线性控制技术。在本学年，我们推出了一门新课程1.3 实验装置该项目的重点是四缸装置。Johansson（2000）介绍了该实验室，作为一个教学实验室，适用于教学多变量控制。如图1和图2所示布置四个罐。特别地，装备可以被配置为具有非最小相位零点，使得控制具有挑战性。在他最初的设计中，零点可以通过阀门设置连续调整。对于这个钻机，我们使用了Quanser四罐装置，通过组合一对耦合罐钻机来配置。这具有由宽度确定的离散设置数管道和apperture大小;这些设置中的一些需要非最小相位动态。虽然可能缺乏原始设计的优雅，但这种设置对于共享资源非常有用;学生可以将设备重新配置为“自己的”设置，而不管使用历史。© IFAC 238 10.3182/20130828-3-UK-2039.00044第十届IFAC ACE2013年8月28日至30日。英国谢菲239Fig. 1.四缸装置示意图（改编自Quanser手册）。图二.在我们的实验室中设置的Quanser装置（Subra-manian，2012）。Quanser钻机的另一个优点是它配备了硬件（例如 ， Quanser 实 时 控 制 板 ） 和 软 件 （ 例 如 ，QuARC），允许Matlab与钻机的传感器和执行器之间的实时学生可以直接在Matlab/Simulink中测试控制设计，然后直接在实际设备上实现它们。所有十名学生都将他们的控制设计转移到实际实现中。我们有许多PLC，包括西门子，直接逻辑和罗克韦尔。对于该项目，我们选择提供西门子S-7 300（图3）和DirectLOGIC DL 06（图5）PLC。每个模块都有几个可用的模块。既定的一个后备选项是使用PLC作为钻机和PC之间的通信链路，通过OPC服务器，控制将运行;Matlab/Simulink OPC工具箱的可用性意味着这是一个相对简单的选项，同时足够有趣，可以激励学生，并显著改变系统的带宽限制。我们没有规定学生的选择，而是鼓励他们各自选择不同的选项。西门子S-7 300是由西门子公司开发和制造的一种模块化中央处理单元（CPU）型可编程逻辑控制器（ PLC ） 。 学 生 可 以 使 用 其 中 一 个 版 本 ， 即SIMATIC S7-300 CPU 314- 2 PN/DP。该项目的突出特点是（SIMATIC S7-300手册，Siemens ST 70，第4节，2003年和日期，2012年）：它是一个高处理性能的CPU，特别是在浮点和二进制运算。• 板载消息传递接口（MPI）。• 它具有全面的集成系统诊断。• 支持Simatic工程工具的插入。DirectLOGIC DL 06（D 0 - 06 DD 1）是来自DL 06微型PLC系列的微型PLC，具有20个内置输入和16个内置输出。它支持4个选项卡，如模拟I/O模块，高速计数器模块等。DL06 PLC共有14.8K字的存储器。该存储器容量被分成两个，即，用于梯形存储器的7.6K字和用于V存储器的7.6K字。DL06还包括一个RAM，CPU存储系统参数，V内存和应用程序中不可用的其他变量图3. Siemens S7-314-2 PN/DP PLC CPU（Siemens AGBrochure，2011）。·第十届IFAC ACE2013年8月28日至30日。英国谢菲240HH图四、西门子PLC和Quanser板之间的接线（自2012年起）。图五. DirectLOGIC DL 06被配置为PC和Quanser硬件之间的通信链路（Asabor，2012）。它 有 两 个 内 置 串 行 端 口 （ DirectSOFT 手 册 和Asabor，2012）。1.4 监督该项目- 本文的前两位作者。此外，还有四名示威者----后四名提交人。学生和示威者每周一次作为一个团队与至少一名主要学者（通常是两人）会面。与此同时，学生们每周至少一次与一名主要学者或一名示威者单独会面，进行一对一的交流。2. 项目范围项目概况见表1。我们可以提出以下意见。从简单的PI控制到∞控制和滑模控制，都采用了广泛的控制技术.然而，只有两个学生在平台上实现了非最小相位配置的控制器（几个学生在仿真中考虑了它，并提出了在线实施作为“进一步工作”）。也许巧合的是，其中一个学生是唯一一个没有先在模拟中测试他的设计的学生。一半的学生在Quanser和他们选择的PLC上实现了他们的控制器。只有一名学生选择不在PLC上实现他的控制器。选择之间的分歧西门子或DirectLOGIC PLC之间的差异相当平均，因为PLC仅用于通信或用作控制平台之间的划分也是如此。然而，大多数使用西门子PLC的学生选择使 用 PLC 作 为 控 制 平 台 ， 而 大 多 数 使 用DirectLOGIC PLC的学生则将其用于通信。我们将在下面更详细地讨论项目范围。表1中未强调 的 项 目 的 两 个 重 要 方 面 是 系 统 识 别 和SCADA/OPC服务器的使用。下文也将讨论这些问题2.1 控制结构表1显示了在硬件平台上成功实现这些结构中的一些MSc课程。其他人充其量只是顺便提到。学生在论文中报告了其他几种控制结构;通常在仿真中比较不同的控制器（或控制调整），并选择其中一种进行最终实现。令人失望的是，只有两名学生（Ku- mar，2012;Pachemanov，2012）解决了钻机本身的非最小相位零。我们推测，这很可能反映了该项目运行时的严格时间限制。值得注意的是，其中一名学生跳过了仿真阶段，直接在设备上使用他的控制器（在Matlab中运行的模型预测控制）进行实验;另一名学生是第一个成功配置PLC和钻机之间通信的学生另一个因素可能是，目前课程中几乎没有教授多变量控制（课程涵盖了几种状态空间控制设计，包括模型预测控制和∞控制，但没有强调多变量控制系统的具体结构）;学生可能不会立即适应右半平面零点的概念，因为右半平面零点不能直接在传递函数分子多项式中看到。2.2 系统辨识该工厂是直接建模的-每个罐从流入到水平高度的动态可以很好地近似为一阶过程。因此，可以使用一阶和二阶传递函数元素来表示传递函数矩阵。 其他动态（例如电机响应和传感器特性）比较快，可以忽略不计。如果一阶元件的参数被认为是高度相关的 ， 则 可 以 找 到 更 好 的 近 似 - 这 在 Subramanian（2012）的增益调度方法中得到了解决。本课程的学生将在两个独立的模块中学习系统识别。他们热衷于测试他们新发现的技能，大多数人使用PRBS激励信号进行测试。虽然有选择权，但没有人选择第十届IFAC ACE2013年8月28日至30日。英国谢菲241系统对PRBS的10864200200400600时间（秒）80010001200G（s）=101.一、810965岁033s + 1二、6823(114. 72 s +1）（38.0296s + 1）1.一、5（65. 033 s +1）（26.462 s +1）3. 4565114号72秒 +1系统识别他们的项目的焦点;相反，他们把它看作是控制设计和实现的必要（和有趣）的预备。一个通道的典型实验数据如图6所示，相应的验证数据如图7所示（日期，2012）。在等式（1）中给出了双输入双输出工厂（Date，2012）的典型模型。此外，几个学生一起工作，以获得模型。在许多情况下，他们一起进行实验，但分别分析数据-这种工作模式是典型的更正式的实验室工作时，教学课程的一部分一个困难是，这使得很难认可这方面工作的具体贡献。2.3 结果使用Quanser的硬件和软件对设备进行控制相对简单。由于学生在之前的课程中已经实现了实际的控制器，因此他们将预先学习如何处理信号偏移等。图8显示了一组典型的结果，在这种情况下，来自Zhang（2012）使用滑模控制并演示解耦。允许选择使用PLC作为一个交流工具是学生可以专注于实时实现方面，而不必担心控制设计。事实证明，这一选择需要两个额外的设计考虑：(1) 采样速率通常比使用直接连接慢控制设计必须考虑到这一点系统输出（cm）Input Voltage（V）图第六章系统识别典型实验数据日期（2012年）。模型验证18161412108642植物产量（cm）型号输出（cm）至泵1的电压（V）00100200300400 500 600时间（秒）7008009001000见图7。典型模型验证实验日期（2012年）。201510500 100 200 300 400 500t（s）25201510500 100 200 300 400 500t（s）见 图 8 。 使 用 Quanser 硬 件 和 软 件 的 结 果 Zhang（2012）。201510500 50 100 150 200 250 300t（s）25201510500 50 100 150 200 250 300见图9。使用PLC实现的结果与使用Quanser硬件和软件的结果进行比较Zhang（2012）。特别是在高频性能方面。(2) 与直接连接相比，PLC接线的屏蔽效果较差（见第2.4节），因此回路中的噪声更大。这影响了闭环带宽的选择.当然，当控制器直接在PLC上实现时，也会出现类似的问题。图9比较了使用PC和PLC控制的典型性能。同样，这是来自Zhang（2012）。在使用PLC作为通信通道的设计中，最有趣的可能是Kumar（2012）。在这里，Matlab MPC工具箱被用来控制被控对象时，配置为有一个非最小相位零。在其他设计中，经典PI和超前滞后控制器、内模控制和滑模 控制都直接在PLC上实现（见 表1）。2.4 SCADA和OPC服务器几 个 学 生 使 用 7- Technologies A/S 开 发 的 IGSSSCADA系统等工具构建了自己的SCADA接口。该SCADA有一个免费版本，限制为50个对象（IGSSFREE502），足够并适合于2此版本可从http://igss.schneider-electric.com/products/igss/download/free-scada.aspxL2设定值L2模拟L2实验L4设定点L4模拟L4实验L2-PLCL2-L4-PLCL4-PCL4（cm）L4（cm）L2（cm）L2（cm）中国（1）第十届IFAC ACE2013年8月28日至30日。英国谢菲242PLCOPC服务器布线PLCOPC服务器布线MATLAB植物宽泽板MATLAB（OPC植物宽泽板见图10。Simulink和坦克之间的不同通信。在这两种情况下，控制器都在Simulink中运行。在红色路径中，OPC服务器通过OPC工具箱提供MATLAB和PCL之间的通信;信号通过附加布线到达工厂。在绿色路径中，通信基于Quanser配置，其中信号通过Quaser板到达工厂。所有学生的项目。在图12a、12b、12c和12d中示出了四个这样的示例。所有这些都使用IGSS FREE50构建。SCADA和PLC之间的通信需要一个OPC服务器（见图 1 ） 。 5 ） 。 学 生 使 用 的 OPC 服 务 器 是KEPServerEX v53的演示版本;该演示将实验限制在两个小时内，这对于项目来说已经足够了。如果使用OPC服务器的最初动机是支持SCADA和PLC之间的通信，那么它就成为了一个通用工具。它为学生提供了一个简单的实现他们的控制器通过PLC（见图。10）在PLC本身上使用它使学生在控制设计方面进行了有趣的练习，因为与Quanser硬件相比，采样时间和噪声水平显着不同。由于学生在项目开始时对Simulink比PLC编程更熟悉，因此他们可以在对PLC进行编码之前使用Simulink测试控制器设计。可以与OPC服务器一起使用的另一种配置在图11中提出。两种配置都在PLC中运行控制器，但噪声水平明显不同。我们的学生没有使用这种配置，但将在未来的项目中提出。3. 讨论这些项目很受欢迎，学生们做得很好。在49名学生中，14人将其作为第一选择，6人作为第二选择。项目的分配独立于考试结果，但四名学生获得了他们的论文优秀水平的成绩（其中两人获得了整体优秀）。事实上，3演示版可从http://www.kepware.com/Products/kepserverexfeatures.asp见图11。PLC与储罐之间的通信方式不同。在这两种情况下，控制器都在PLC上运行。在红色路径中，PLC信号通过附加布线到达工厂。在绿色通道中，SCADA系统用于PLC和MATLAB之间的通信;然后信号通过Quaser板到达工厂。论文成绩比考试成绩高出3.3分（满分100分）;整个队列的平均成绩是提高1.3分。一个潜在的问题是学分的分配，学生分享工作。我们只对明显独立的工作给予学分在这种情况下，几个学生共享系统识别实验的数据，但随后独立分析数据。类似地，如果学生分享想法，例如使用特定的OPC服务器，那么很难识别和信任创新者。主题项目形式的一个优点是，学生被鼓励，并没有，形成一个一对一的融洽关系与研究生除了他们的时间与学术人员。一名学生选择留下来攻读博士学位。很明显，许多学生都喜欢项目的团队氛围然而，它仍然是开放的问题，是否有些学生会做得更好，与学术人员更多的一对一的互动。引用E.阿萨伯四槽过程多变量离散LQG控制的PLC实现。硕士论文，曼彻斯特大学，2012年。D. P. Atherton 战 后 曼 彻 斯 特 大 学 的 控 制 工 程 。UKACC，曼彻斯特，2008年。V. S.约会在四容水箱系统的PLC上实现解耦超前滞后补偿器。硕士论文，曼彻斯特大学，2012年。M. S.哥瓦姆基于OPC-PLC的四槽工艺控制硕士论文，曼彻斯特大学，2012年。第十届IFAC ACE2013年8月28日至30日。英国谢菲243学生控制结构仿真宽泽西门子（通讯）西门子（对照）DL（通讯）DL（对照）NMP阿萨博尔离散LQGYY日期带倍频器的YYY格瓦姆H∞YYY戈帕尔克里希南模糊逻辑YYKumarMPCYY李LQGYYOkolo分散式IMCYYY帕切马诺夫IMCYYYSubramanian增益计划PIYY张滑模YYYY表1.项目范围。除了一个学生之外，所有的学生都首先在模拟中实现了他们的控制。正好有一半的学生使用Quanser硬件与Matlab在PC上单独实现了他们的控制器。四名学生在西门子PLC上编码他们的控制器。五名学生通过DirectLOGIC PLC实现了他们的控制器，但其中只有一名学生实际在PLC上对控制器进行了编码。只有两个学生在非最小相位模式下在实际钻机上实现了他们的控制器。(a) Pachemanov（2012）构建的SCADA接口（b）Date（2012）(c)Asabor（2012）构建的SCADA接口（d）Zhang（2012）构建的SCADA接口见图12。SCADA接口A.哥帕克里什南模糊逻辑在四容水箱系统上的应用。硕士论文，曼彻斯特大学，2012年。K. H. 约翰森四槽工艺：具有可调零点的IEEE控制系统技术学报，2000年8月，模型预测控制在四容水箱系统上的实现。硕士论文，曼彻斯特大学，2012年。P. Li.四槽过程的线性二次型高斯控制。硕士论文，曼彻斯特大学，2012年。J. E.奥科洛四容水箱的分散修正内模控制（IMC）的PLC实现。硕士论文，曼彻斯特大学，2012年。L.帕切曼诺夫四容水箱系统的内模控制。硕士论文，曼彻斯特大学，2012年。M.史密斯联合王国（控制教育）。IEEE控制系统杂志，卷。16，pp.51-56，1996年。A.萨勃拉曼尼亚四容系统增益补偿控制器的2012年，曼彻斯特大学硕士学位H. Zhang四槽过程滑模控制硕士论文，曼彻斯特大学，2012。
