第九届国际会计师联合会会议教育进展——俄罗斯下诺夫哥罗德：控制系统与Matlab/Simulink应用案例

第九届国际会计师联合会控制教育进展国际自动控制联合会，俄罗斯下诺夫哥罗德，2012年工业分布式控制系统与Matlab/Simulink结合用于过程控制教学赖纳·迪特马尔德国海德西海岸应用科学大学（电话：+49 481 8555-325;电子邮件：dittmar@fh-westkueste.de）。翻译后摘要：本文演示了如何在不同的控制工程实验室的本科生和研究生水平配备了现代化的分布式控制系统（DCS）的四罐实验室过程。这包括利用商业工具进行DCS工程以及传统和先进控制解决方案的设计和调试。Matlab/Simulink工具通过OPC连接，通过快速控制原型和硬件在环仿真扩展实验室范围。在不同的课程中使用相同的中试工厂，DCS和科学计算环境降低了成本，允许重复利用结果，并实现了高效的实验室组织。它还支持学习不同过程控制相关主题的内部背景的过程。1. 介绍在德国，工程科学的高等教育在技术大学（TU）和应用科学大学（UAS，德语：Fachhochschule）提供。西德的大多数无人机系统都是在1970年左右建立的，以应对科学和技术进步以及相关的新培训要求带来的工作场所的新挑战。东德各州于1991年开始建立无人机系统。奥地利和瑞士在90年代也采用了这种模式。无人机系统的教育任务和概况可概括如下（联邦卫生和林业局，2003年）：理论与实践的紧密联系（例如，绝大多数课程包括强制性的一学期工业实习，几乎所有课程都包括除了讲座和练习之外的综合实践实验室，学士/硕士论文作品都是在工业或共同的工业/大学项目中完成的。有效组织学习和考试，缩短学习面向应用的研究和开发，向中小企业转让技术和知识。大约三分之二的德国工程师毕业于UAS。UAS毕业生满足行业对具有高等教育资格和实用培训的专家的需求。因此，许多公司在招聘毕业生时，并没有过多区分UAS和TU资格。UAS毕业生的初始工资水平与TU毕业生基本相同。由于TU工程课程以研究为导向，在数学基础方面更具挑战性，TU毕业生通常会在公司的研发团队中工作，而UAS毕业生在项目规划和执行以及技术销售部门中的份额更高。除了少数例外，只有教授在UAS进行教学，不仅包括讲座，还包括练习和实验室。他们由额外的指导员/助理支持。为了能够在UAS工作，教授必须拥有博士学位和至少五年的职业经验，其中包括至少三年的行业经验。UAS教授的教学义务在教学期间达到18小时/周。积极从事研究的教授可以选择减轻他们的教学负担。UAS本身不提供博士或博士学位课程，因为有关获得博士学位的机构法律是TU自治的核心领域的一部分。但特别合格的UAS毕业生可以被录取攻读博士学位，越来越多的UAS也与TU合作UAS工程教育的具体特点导致实验室练习在一般教学和学习工作量中的比例较高。同时，实验室练习不仅是为了加强科学基础知识的学习，也是为了获得实践经验和专业技能，以便以后在工业中就业。实验室练习（本地和远程访问，真实和模拟工厂）对控制和仪器教育的重要性得到了广泛认可（Bencomo，2004年，Edgar等人，2006年a）。在本科生和研究生过程控制教育中使用的实验室实验和模拟实例的概述在（Edgar等人，2006 a和2006 b）。在（Rivera等人，1996年），在亚利桑那州立大学（ASU）的高级课程“过程动力学与控制”中，描述了Honeywell TDC3000 DCS 与不同 试验工厂的结 合使用。当时（例如90年代中期），ASU的安装只能通过行业捐赠100多万美元才能实现。在本文中，一个新开发的实验室，它可以重复使用在不同类的控制工程教育的本科生和研究生水平。它包括一个四槽实验室过程，© 2012 IFAC 378 10.3182/20120619-3-RU-2024.000042012年6月19日至21日，俄罗斯下诺夫哥罗德，国际会计师联合会第九届研讨会379工业规模的DCS，以及一些Matlab/Simulink工具。在不同的模块中使用相同的中试设备、控制系统和编程环境降低了成本，允许重复利用结果，并实现了高效的实验室组织。它还支持学习不同过程控制相关主题的内部背景的过程。本文的组织如下：中试装置和DCS配置在第2节中描述。在第3节中，将介绍使用该设备进行的选定实验室练习，这些练习反映了UAS控制教育的特定需求。第4节介绍了如何在通过OPC接口连接的Matlab/Simulink工具的帮助下扩展实验室的范围。2. 四罐系统与DCS图1所示为过程控制实验室中用作中试装置的四槽系统。1.一、Fig. 1.西海岸UAS Heide它由一个蓄水池、四个圆柱形水箱、四个速度控制泵和五个超声波液位变送器组成。该实验室过程首先在（Johansson，2000）中描述，并且在世界范围内的许多大学中使用（Vadigepalli等人，2001年，Rusli等人，2004和Felder等人，2008年）。在大多数实验室中，使用两个泵，并通过三通阀设置1号和2号罐的流速。在我们的实验室（以及斯图加特大学）中，使用了四个泵，流量比由速比控制器设置。与许多其他控制实验室不同，该工厂没有连接到PC或PLC/PC SCADA 系 统 ， 而 是 连 接 到 工 业 规 模 的 DCS（Honeywell Experion PKS），当然是以最小的配置。选择这种相对昂贵的仪器的原因是：学生可以获得实践经验与“真正的”DCS作为工业规模控制系统设备的最重要形式之一，特别是对过程工业，相同的设备可以用于不同的实验室课程，以完成不同的任务，即成本由多个实验室分担（请注意，与ASU实验室相比，我们的DCS加上中试装置安装的成本不到50.000欧元）。连接到四罐系统的DCS结构如图所示。二、图二.过程控制实验室DCS结构分布式控制系统由Honeywell C200控制器、Experion PKS工作站和Experion PKS服务器组成。EPKS站用作“操作员”界面。EPKS服务器保存DCS的实时数据库，也用作控制器和操作员站软件的工程计算机。两者都是霍尼韦尔认证的戴尔电脑运行Windows 2000 SP4作为操作系统。对于C200控制器、工作站和服务器之间的连接，使用容错以太网连接。该服务器还通过大学局域网连接到另一栋大楼的PC池。从这个池中，多达12名学生能够并行设计系统，并在模拟模式下对其进行测试。当然，一次只有一组人可以进入实验室。3. 精选实验练习和优秀项目电气和信息工程系（EIE）提供电气和信息工程七个学期的学士学位课程，包括强制性的一个学期的工业实习（第五学期）。在这个学士学位课程，从第四学期开始，学生可以选择两个配置文件：自动化和应用信息工程（AAI），和微电子系统。此外，该部门提供了一个为期三个学期的硕士课程在信号与系统，过程动力学和控制，计算机网络和总线系统，软件工程，传感器和测量，电力电子/电机和驱动器课程旁边的学士学位课程的AAI路径，包括工业控制系统/PLC和DCS课程。它在第四学期授课，每周包括3小时讲座，1小时练习和4小时实验。2012年6月19日至21日，俄罗斯下诺夫哥罗德，国际会计师联合会第九届研讨会380三个学期的合作硕士课程“工业自动化”的结构如表1所示。提供的其他选修课程包括楼宇自动化，动态系统建模，实时软件技术和企业资源规划/制造执行系统。同样，所有必修课程都分别包括实验室练习或学生项目。在下面的小节中，将详细介绍在学士和硕士课程的选定课程中使用DCS/中试装置的示例。表1：硕士课程工业自动化（强制性课程）3.1 本科课程：工业控制系统/DCS课程在电气和信息工程学士学位课程的AAI路径中，DCS（没有四罐系统）用于工业控制系统/PLC和DCS课程（第四学期）。它被组织为每隔一周在计算机实验室进行一系列4小时的实验练习（即平均每周2小时，每学期14周），最多12名学生并行。在同一学期，学生参观1小时/周DCS讲座。由于通常有大量的学生参加这门课程，四罐系统被演示，但不作为实验练习的一部分。实验室工作量每学期60小时，包括准备。实验室的目标是帮助理解过程工业获得使用主要工程工具的经验，如典型控制功能的连续和顺序功能图（CFC/SFC）设计，以及操作员屏幕设计概述了DCS工程中使用的其他工具，如报警和事件管理、OPC接口、DCS安全管理等。在本课程中，所使用的具体DCS并不重要，因为不同供应商的DCS的基本原理是相同的，并且所获得的知识可以很容易地转移到其他系统中。当然，本实验室的目标不是取代霍尼韦尔工程专业人员的培训计划。学生可以使用全面的DCS用户手册。此外，还提供了一份讲义，其中详细描述了DCS工程的所有步骤。实验练习中要解决的具体任务包括使 用 CFC 环 境 （ 霍 尼 韦 尔 术 语 中 的 “ControlBuilder”）为模拟工业炉设计包括前馈作用的串级控制回路开发一个图形界面，使用“图形生成器”可视化和操作控制功能以执行控制功能的“虚拟调试”。该过程和控制配置的简化PI图如图3所示。产品温度由主控制器控制，主控制器设定辅助燃料气体压力控制器的设定点。进料流量被认为是主要的可测量干扰变量。前馈路径被设计为压力设定点的校正动作。快速的学生可以扩展这个问题，并通过燃料气体与空气流量比控制结构来代替压力控制，和/或包括废气氧气控制器。基于简单的标准功能块，在DCS本身上模拟炉动态。控制结构的设计也是基于标准库PID模块。与工业环境不同，压力控制器的输出与熔炉模拟相连接，而不是发送到执行器。类似地，压力、温度和流量信号取自模拟，而不是来自变送器。图3：炉子控制问题通过将Control Builder从“项目视图”切换到“监控视图”，可以测试设计的功能。在这种情况下，可以实时追踪所有信号。对于操作员屏幕的设计，学生们使用所谓的“图形生成器”。它的任务是使用图形库绘制PI冬季学期高级过程控制，运动控制，计算机网络与安全，工业图像处理，综合管理夏季学期传感器系统、机器人技术、微控制器技术、计算机工程、质量和项目管理第三学期Master Thesis（in Industry）2012年6月19日至21日，俄罗斯下诺夫哥罗德，国际会计师联合会第九届研讨会381为PID控制器创建一个包括由DCS本身包括趋势显示以监控信号图4示出了由学生组设计的操作员屏幕的示例。图4：熔炉操作员屏幕示例要解决的任务是故意选择巩固和加深学生的知识，在过程动力学和控制一个学期前教。特别是，实际问题，如简单的方法的过程识别，PID控制器整定，选择特定的PID控制算法，控制器模式和无扰转移强调。3.2 高级过程控制（APC）课程在硕士课程中，DCS与“先进过程控制”课程中的四罐系统一起使用。与本科课程不同，实验室练习是作为学生项目在整个学期进行的，学生小组（通常是2... 4名学生）负责自己的项目组织。每个小组在学期末的一系列口头报告会中陈述项目结果。不同的经验和任务/结果可以分享，因为所有学生参加这些会议。这些项目的内容不同，但规模和复杂程度大致相同，工作量为在过程工业中，单回路PID控制器被设计用于控制固有的多变量过程。与工业设置类似，在调整控制器之前必须执行以下步骤：使用标准数据采集和PID功能块，通过在手动模式通过手动技术和/或使用系统识别包（Matlab系统识别工具或基于模型的调整工具的识别部分）识别简单过程模型（一阶或二阶加死区）。在接下来的步骤中，学生可以比较PI控制器整定的不同方法，即- 不考虑过程相互作用的单回路调谐，即两个控制器彼此独立地对待。对于控制器整定，可以应用整定规则或商业上可获得的PID整定软件。同时或多回路调整PI控制器考虑到过程的相互作用。平均电平控制调谐。2）静态或动态解耦控制结构的设计。另一个学生项目集中在简化解耦控制结构的设计上，如图5中的“反向解耦”版本所示（Gagnon等人，1998年）。图5：四容水箱系统的逆解耦控制这种方法需要通过实验识别或基于理论模型来开发过程的（2x2）传递函数模型。The Championers约90小时，包括 自学， 实验室执行D（s）D12（s）， D（s）D（s）G21（s）（一）工作和口头陈述的准备。12G（s）21G（s）学生的专题集中在解决四容系统多变量控制问题的不同方法上。具体而言，研究了以下方法：1）用于罐1和罐2中的液位的分散PI控制这结构代表的传统方式的11 22如果传递函数首先由FOPDT模型近似，则可以手动设计，然后可以使用DCS上的标准软件功能块（例如，使用“可变死区时间超前-滞后”块）来实现2012年6月19日至21日，俄罗斯下诺夫哥罗德，国际会计师联合会第九届研讨会3823）使用MPC控制器的集中式多变量控制。第三个也是最具挑战性的项目是为四容系统设计和调试多变量模型预测控制器（MPC），见图6。鼓励学生使用商业MPC（霍尼韦尔利润控制器）包。任何MPC控制器的核心都是多变量过程模型。在该项目中，学生执行一系列改变操纵变量（泵速）的阶跃测试，记录储罐液位的阶跃响应，并使用MPC控制器的内部识别包进行系统识别。由于在以前的项目中至少开发过一次经验过程模型，因此可以使用早期的结果进行验证。然后，MPC控制器的设计和仿真离线模式。最后一步是将MPC控制器的输入和输出连接到DCS，并在在线模式下测试控制器。为此，可以使用DCS的现有OPC服务器和MPC包的OPC客户端。MPC控制器的操作员界面在设计阶段自动开发，图6：四容水箱系统4. 利用OPC接口实现在过去的几十年中，Matlab/Simulink及其众多工具箱成为教育和研究中科学计算的标准环境。在学习过程中，EIE系的学生越来越熟悉Matlab/Simulink的使用。因此，采用OPC接口技术将Experion PKS与Matlab/Simulink工具集成是一个显而易见的结果。在我们的案例中，现有的Experion PKS OPC服务器提供了对工厂数据的实时访问，Matlab OPC工具箱可以用作OPC客户端，连接不同的Matlab/Simulink应用程序。由于Matlab/Simulink许可证已经用于其他课程，这种集成提供了一个廉价的可能性，以扩大实验室的范围。设置如图所示。第七章见 图 7 。 基 于 OPC 接 口 技 术 的 Experion PKS 与Matlab/Simulink的集成在工业控制应用的其他领域（例如汽车/机电系统），Matlab/Simulink 广 泛 用 于 快 速 控 制 原 型 和 硬 件 在 环（HIL）仿真。使用上述扩展环境，学生可以在学习期间熟悉这些概念。对于快速控制原型，Matlab/Simulink用于开发新算法，例如识别、监控和控制，Experion PKS/中试 工 厂 系 统 用 于 测 试 它 们 。 对 于 HIL 仿 真 ， 可 以 在Experion PKS上开发控制配置和“操作员”屏幕，并通过运行基于Simulink的过程仿真进行测试。在下面的小节中，将更详细地描述两个学生项目。4.1 快速控制原型：四容系统预测函数控制（PFC）是用于SISO应用的简单模型预测控制（MPC）算法（Richalet和O'Donovan，2009）。PFC易于理解，易于实现和调整，并且在某些应用中可以替代PID控制器。由于它不是标准DCS控制软件的一部分，该项目的目的是为Experion PKS开发PFC软件功能块。项目步骤包括：为了理解PFC的概念，通过为具有死区时间的一阶过程编程PFC算法，并通过在Matlab中的闭环仿真中对其进行测试，通过OPC工具箱命令将Matlab PFC代码与ExperionPKS连接，针对DCS功能块创建的过程仿真运行控制算法利用Matlab PFC程序对开发并测试DCS PFC自定义算法模块，包括模式选择、无扰动转换等功能。该项目的范围可以很容易地扩展到Matlab/Simulink或DCS侧的图形用户界面的开发。2012年6月19日至21日，俄罗斯下诺夫哥罗德，国际会计师联合会第九届研讨会3834.2 HIL仿真：模拟FCC装置在过去的几十年中，大量的基于Matlab/ Simulink的过程工厂仿真器的教育和研究已经出版。对于硕士课程APC课程的另一个学生项目，采用了（Bequette，2003）中描述的简化FCCU模型。它是一个完全耦合的两输入两输出系统，包括非线性，不寻常的过程动态，大的过程噪声，以及两个控制变量的一个数量级不同的建立时间。然而，该FCCU模型比用于例如操作员培训系统的成熟的FCCU动态模拟器更容易操作。学生项目的步骤包括：通过Matlab OPC SDK/Simulink OPC模块集利用Experion PKS利用Matlab系统辨识程序用不同的多回路整定方法整定PID控制器，以及闭环仿真分析参考信号和负载扰动的响应，并研究与植物模型失配的鲁棒性。作为示例，图8显示了Simulink框图，其中包含FCCU模型子系统和OPC模拟器Simulink模块，用于配置接口、读取Experion PKS PID控制器输出信号以及将模拟过程值写入DCS。见图8。FCCU仿真与Experion PKS5. 结论本文中记载的控制实验室实验和项目是在过去四年中开发的。学生对实验室课程的反应数据是从学期末的部门调查中获得的。这项调查的结果是，4.1实验课程的总体价值（范围从1=最低评级到5 =最高评级）。就改进分散控制系统文件提出了意见。学生们发现他们作为工业控制工程师的未来工作既具有挑战性又充满挑战性，并且是对讲座的必要认可。根据与校友和工业控制工程师的大量讨论，对在UAS教育中使用工业规模的设备和商业软件给予了积极的反馈。由于该部门的许多毕业生申请在邻近的过程工业公司的工程和项目执行团队以及自动化工程办公室工作，他们认为控制实验室是一个很大的帮助，可以很容易地融入他们以后的团队，并避免从学术界过渡到工业界时的“现实冲击”。在未来，该实验室将被修改，并可能扩大，以涵盖要求和额外的内容，为继续控制教育的过程工业。引用Bencomo，D.（2004年）。控制学习Annual Reviews in Control，28，115Bequette，W.B.（2003年）的报告。过程控制联邦医疗保健基金（2003年）。德国应用科学大学。由德国联邦教育和研究部（BMBF）出版。波恩埃德加，TF，等（2006 a）。改革本科过程控制课程。计算机和化学工程，153，254埃德加，TF，Ogunnaike，文学士，Muske，K.R.（2006年b）。研究生过程控制教育的全球视野。计算机和化学工程，30，1763Felder ， J. et al. （ 2008 ） . Praktikum Mess- und Regel-technik ： Anleitung zum Versuch Quadruple Tank ，Institut für Mess- und Regeltechnik，ETH Zürich. (in德语）Gagnon ， E. ， Pomerleau ， A. ， Desbiens ， A. （ 1998年）。简化、理想或反向去耦。ISA Transactions，37，265- 276.Johansson，K.H..（2000年）的第10/2000号决议。四槽过程：具有可调零点的多变量实验室过程。IEEE Trans.on Control Systems Technology，8，256Rivera，D.E.等（1996）中所述。教学过程动力学和控制使用工业规模的实时计算环境。计算机在工程教育中的应用，4，191Richalet，J.，O'Donovan，D.（2009年）。预测函数控制，Springer，伦敦。Rusli，E.，Ang，S.，布拉茨河（2004年）。四槽过程控制实验。化学工程教育，38，174Shin，J. et al.（2008）.库存回路约束最优调节控制的PI控制器解析设计。控制工程实践，16，1391Vadigepalli，E.P. Gatzke，F.J. Doyle III（2001）.多变量实验四容系统的鲁棒控制。工业和工程化学研究，40，1916- 1927。