[發明專利]一種可視化過程控制系統組態仿真方法

有效

• 申請號: 201210578544.7
• 申請日: 2012-12-27
• 公開（公告）號: CN103019104A
• 公開（公告）日: 2013-04-03
• 發明（設計）人: 吳敏;曹衛華;王芳;安劍奇;何勇;王冠華
• 申請（專利權）人: 中南大學
• 主分類號: G05B17/02
• 分類號: G05B17/02
• 代理公司: 長沙市融智專利事務所 43114
• 代理人: 黃美成

技術領域

本發明涉及一種可視化過程控制系統組態仿真方法。

背景技術

過程控制對象具有體積大、能耗高、污染大等特點，存在多變量、非線性、強耦合、干擾嚴重和工況變化頻繁等復雜特性，因此真實的模擬整個過程控制系統具有很大的難度。隨著自動化、信息化的快速發展，推動了模擬工業過程控制實驗系統的需求和開發。

目前，大部分工業過程控制系統是針對特定領域特定流程進行模擬，缺乏通用性和擴展性。過程控制平臺主要是一些監控軟件，雖然提供可視化的監控界面，能夠非常直觀、形象的模擬工業系統，但只能進行簡單的數學運算、參數設定和查看系統運行狀況等功能，控制算法單一，而且不具備控制原理可視化功能。由于大部分軟件不是開源軟件，系統的二次開發時間長，使其在應用上受到限制。

Matlab是一款集算法開發、數據可視化、數據分析及數值計算等為一體的功能強大的仿真軟件，但是其界面單調，缺乏對實際過程控制系統的各個環節形象化描述。而基于Matlab的工業過程仿真實驗平臺開發大部分是建立在PLC或者DCS硬件系統的基礎上設計開發的，缺乏純軟件的過程控制仿真實驗平臺。

發明內容

本發明所要解決的技術問題是提供一種可視化過程控制系統組態仿真方法，該可視化過程控制系統組態仿真方法，不但充分利用了MATLAB的強大數據處理功能，還具有VC界面人性化、操作使用方便的優點。

發明的技術解決方案如下：

一種可視化過程控制系統組態仿真方法，其特征在于，包括以下步驟：

步驟1：組態圖(即虛擬圖)及原理圖(即控制系統圖，或稱為控制框圖)的建立；

在可視化的工程界面中，通過從組件庫中選取虛擬對象組件建立用于模擬實際設備的組態圖，并通過從控件庫中選取虛擬對象控件建立用于表征過程控制系統框圖的原理圖；

將組態圖的虛擬對象組件和原理圖中的虛擬對象控件綁定；將原理圖中虛擬對象控件對應的圖形與作為后臺仿真支撐的M文件或Simulink模塊綁定；

步驟2：仿真運行

建立仿真機制，啟動Matlab引擎，生成仿真數據，并在組態圖中顯示控制結果。

建立組件庫的方法為：利用VC++調用Visual?Graph繪制虛擬對象組件所需圖形；虛擬對象組件采用基于傳遞函數模型、狀態空間模型、最小二乘模型、神經網絡四種建模方式構造，后兩種建模方式需進行參數設置；虛擬對象組件與原理圖中的虛擬對象控件建立自動連接；

所述的虛擬對象組件是能在組態界面中操作的廣義對象圖形，廣義對象包含控制系統的被控對象、執行機構和傳感器。

將原理圖中Visual?Graph控件圖形即虛擬對象控件和作為后臺仿真支撐的Simulink控制算法模塊綁定，控件庫中包括控制器控件和輸入控件，控制器控件包括PID控制器控件、模糊控制器控件和專家控制器控件，輸入輸出控件包括階躍信號輸入控件、正弦信號輸入控件、模擬量輸入控件、模擬量輸出控件、數字量輸入控件和數字量輸出控件。

建立仿真機制的方法為：在Matlab中建立ws0和ws1的兩個mdl文件，在ws0中設置初始數據結構，在ws1中將上一時刻仿真末狀態賦予下一時刻仿真初狀態；進行仿真時，首先執行一次ws0，即進行了一個仿真步長的仿真，建立初始數據結構后，按照仿真步長執行ws1。

過程控制系統(即仿真系統)運行時，對已建好的過程控制系統的識別是通過對組件和控件使用統一的命名綁定機制實現的，一個虛擬對象對應于一個在組態圖中顯示的圖形外框、一個在原理圖中顯示的圖形外框和一個Simulink模塊，一個控制器控件或輸入控件對應于一個在原理圖中顯示的圖形外框和一個Simulink模塊；

步驟1中所述的綁定指采用命名綁定機制進行綁定，即將虛擬對象組件名稱、控件名稱以及虛擬對象數據存儲單元名稱統一化【可以理解為：將同一個虛擬對象所對應的虛擬對象組件名稱、控件名稱以及虛擬對象數據存儲單元名稱設定為同一個名稱】；虛擬對象的名稱格式為w_i，其中i表示虛擬對象的序號；w_i就作為虛擬對象在整個仿真過程中的唯一標識；

仿真過程中涉及到的運行數據交換是指Simulink與組態圖、原理圖運行時的變量數據交換，三者之間通過同一的命名來實現關聯；