工业自动化过程控制的教学实验装置制造方法及图纸

本发明专利技术提供一种工业过程控制的教学实验装置，包括：用于模拟真实的工业生产过程特点的复杂工业过程模拟器；用于模拟真实的执行机构和检测仪表的虚拟检测执行器；用于进行优化控制和仿真效果监控的控制器；所述控制器通过所述虚拟检测执行器对复杂工业过程模拟器进行优化控制。可以配合针对实际工业生产的过程控制教学，过程控制教学实验装置需要能够在真实模拟被控工业对象的基础上，对建模、优化与控制等多种控制算法进行仿真验证和效果评价，同时构成简单，成本可控。

【技术实现步骤摘要】
工业自动化过程控制的教学实验装置
本专利技术涉及自动化控制技术，具体涉及一种工业自动化过程控制的教学实验装置。
技术介绍
自动化专业教学过程中，教学实验是保证教学质量的重要环节，有助于提高学生实际操作能力，深入掌握专业知识。目前在自动化专业常见的教学实验装置主要用于满足经典控制理论、现代控制系统、最优控制等教学内容的实验要求。如采用倒立摆系统实现鲁棒性、随动性以及跟踪性等控制问题的仿真实验；采用三容水箱实验系统实现模糊控制、PID控制的仿真实验；采用机械臂系统实现振动控制和轨迹跟踪控制的仿真实验等。然而现有的教学内容、教学实验以及所采用的教学装置在一定程度上与实际工业控制过程脱节。从生产企业实际需求的角度看，工业过程，特别是流程工业过程控制系统的作用不仅仅是能够使被控对象的输出很好的跟踪设定值，还需要能够控制整个生产过程，使反应最终产品能耗、物耗等相关运行指标被控制在目标值范围内，实现整个工业生产过程的运行优化控制。而现有的教学实验装置所能仿真验证的控制算法多为跟踪控制算法，实验系统本身无法模拟实际工业过程的动态特性，无法进行针对生产过程运行指标的运行优化控制方法验证，难以满足相关内容的教学实验需求。为了配合针对实际工业生产的过程控制教学，过程控制教学实验装置需要能够在真实模拟被控过程动态特性的基础上，对建模、优化与控制等多种控制算法进行仿真验证和效果评价，同时又要求实验系统构成简单，成本可控。针对上述问题，开发一个能够满足工业过程运行优化控制算法的教学需求，且结构简单，造价便宜的过程控制教学实验装置具有很强的必要性。
技术实现思路
针对现有教学实验装置无法满足运行优化控制算法的教学需求，本专利技术提供一种工业过程控制的教学实验装置，包括：用于模拟真实的工业生产过程特点的复杂工业过程模拟器，用于模拟真实的执行机构和检测仪表的虚拟检测执行器，用于进行优化控制和仿真效果监控的控制器；所述控制器包括主控制器、扩展板、交直流转换电源；所述控制器通过所述虚拟检测执行器对复杂工业过程模拟器进行控制；所述扩展板通过工业控制总线与所述主控制器连接，用于实现被控变量的模拟量输入和控制变量的输出，所述交直流转换电源为所述主控制器和所述扩展板提供电源支持；所述复杂工业过程模拟器包括根据工业控制理论建立的虚拟工业生产过程模型和网口通信单元，所述虚拟工业生产过程模型包括基础回路模型单元，运行指标模型单元；所述基础回路模型单元，包括以实验过程中采集到的控制变量作为输入，以被控变量为输出，建立的回路控制模型；所述运行指标模型单元，包括以实验过程中采集到的控制设定值作为输入，以运行指标为输出，建立的运行指标模型；所述网口通信单元，包括网口通信函数以及定时器，所述定时器以一定的周期时间执行所述网口通信函数，发送基础回路模型单元输出的被控变量数据和接收控制器产生的控制变量数据，实现复杂工业过程模拟器与控制器的实时交互。所述虚拟检测执行器与控制器之间设有数据采集卡和转接板，所述虚拟检测执行器与数据采集卡连接后，通过转接板与控制器连接。所述数据采集卡包括数据采集卡A和数据采集卡B；所述数据采集卡A与所述虚拟检测执行器之间通过PCI卡槽连接；所述数据采集卡B与所述虚拟检测执行器之间通过PCI卡槽连接；所述转接板包括转接板A和转接板B；所述转接板A与数据采集卡A连接；所述转接板B与数据采集卡B连接；控制器输出的控制变量通过转接板A传送到数据采集卡A，再经过数据采集卡A输入到虚拟检测执行器，由虚拟检测执行器转换为复杂工业过程模拟器所需的控制变量，输入到复杂工业过程模拟器；复杂工业过程模拟器通过网口输出被控变量，输入到虚拟检测执行器，再通过虚拟检测执行器传至数据采集卡B，由其输出被控变量，通过转接板B传送到控制器。所述虚拟检测执行器包括虚拟检测单元和虚拟执行单元；所述虚拟检测单元模拟真实检测装置动态特性，实现被控变量的虚拟检测和采集；所述虚拟执行单元用于模拟真实执行机构，实现对复杂工业过程模拟器的控制。所述主控制器还包括，优化控制单元、仿真效果监控单元。所述主控制器基于过程参数通过优化控制单元和仿真效果监控单元，实现对复杂工业过程模拟器的控制。所述仿真效果监控单元用于实时监控所述优化控制单元在运行的过程中的过程变量，所述变量包括控制变量、被控变量、过程参数和运行指标。所述教学实验装置还包括根据工业控制理论建立的工业生产过程控制实验模型；所述控制器根据工业生产过程控制实验模型通过所述虚拟检测执行器控制所述复杂工业过程模拟器，进行工业过程控制教学实验。所述实验模型包括pid控制算法实验、设定控制算法实验、异常工况诊断与自愈控制算法实验、优化工况诊断与自优化校正算法实验。上述教学实验装置的工业过程控制方法，包括以下步骤：S1、所述控制器根据输入的初始变量，通过pid控制算法获得控制变量，通过虚拟检测执行器输入到复杂工业过程模拟器中；S2、所述复杂工业过程模拟器执行基础回路模型单元及运行指标模型单元，根据控制变量获得被控变量和运行指标，并将被控变量和运行指标通过虚拟检测执行器输入到控制器中；S3、所述控制器根据被控变量、运行指标，获得被控变量并传至复杂工业过程模拟器；S4、重复步骤S2-S3，实现工业过程控制的教学实验。上述装置可以配合针对实际工业生产的过程控制教学，过程控制教学实验装置需要能够在真实模拟被控过程动态特性的基础上，对建模、优化与控制等多种控制算法进行仿真验证和效果评价，同时构成简单，成本可控。附图说明此处所说明的附图用来提供对本专利技术的进一步理解，构成本专利技术的一部分，本专利技术的示意性实施例及其说明用于解释本专利技术，并不构成对本专利技术的不当限定。在附图中：图1为本专利技术实施例一所述教学实验装置的结构框图；图2为本专利技术实施例一所述教学实验装置的结构框图；图3为本专利技术所述教学实验装置的电路原理示意图；图4为本专利技术所述控制器的输出通道实现方法示意图；图5为本专利技术所述控制器的输入通道实现方法示意图；图6为本专利技术所述的控制系统模块中仿真效果监控软件界面示意图；图7为本专利技术所述的控制系统模块中仿真效果监控软件界面示意图；图8为本专利技术所述的控制系统模块中仿真效果监控软件界面示意图；图9为本专利技术所述的控制系统模块中仿真效果监控软件界面示意图；图10为本专利技术所述的控制系统模块中仿真效果监控软件界面示意图。具体实施方式为了更好的解释本专利技术，以便于理解，下面结合附图，通过具体实施方式，对本专利技术作详细描述。本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本专利技术的
的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本专利技术的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本专利技术。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。实施例一具体的，如图1所示，本实施例一种工业自动化过程控制的教学实验装置包括，复杂工业过程模拟器1、虚拟检测执行器2、控制器3。复杂工业过程模拟器1用于模拟真实的工业生产过程特点。例如，模拟真实工厂生产中镁氧化物熔炼过程动态特性。虚拟检测执行器2用于模拟真实的执行机构和检测仪表。如图2所示，所述控制器3包括主控制器31、扩展板32、直流开关电源33。通过所述虚拟检测执行器2对复杂工业过程模拟器1进行控制。所述扩展板32通过PC本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种工业过程控制的教学实验装置，其特征在于，包括：用于模拟真实的工业生产过程特点的复杂工业过程模拟器，用于模拟真实的执行机构和检测仪表的虚拟检测执行器，用于进行优化控制和仿真效果监控的控制器；所述控制器包括主控制器、扩展板、交直流转换电源；所述控制器通过所述虚拟检测执行器对复杂工业过程模拟器进行控制；所述扩展板通过工业控制总线与所述主控制器连接，用于实现被控变量的输入和控制变量的输出，所述交直流转换电源为所述主控制器和所述扩展板提供电源支持；所述复杂工业过程模拟器包括根据工业控制理论建立的虚拟工业生产过程模型和网口通信单元，所述虚拟工业生产过程模型包括基础回路模型单元，运行指标模型单元；所述基础回路模型单元，包括以实验过程中采集到的控制变量作为输入，以被控变量为输出，建立的回路控制模型；所述运行指标模型单元，包括以实验过程中采集到的被控变量作为输入，以运行指标为输出，建立的运行指标模型；所述网口通信单元，包括网口通信函数以及定时器，所述定时器以一定的周期时间执行所述网口通信函数，发送基础回路模型单元输出的被控变量数据和接收控制器产生的控制变量数据，实现复杂工业过程模拟器与控制器的实时交互。...

【技术特征摘要】
1.一种工业过程控制的教学实验装置，其特征在于，包括：用于模拟真实的工业生产过程特点的复杂工业过程模拟器，用于模拟真实的执行机构和检测仪表的虚拟检测执行器，用于进行优化控制和仿真效果监控的控制器；所述控制器包括主控制器、扩展板、交直流转换电源；所述控制器通过所述虚拟检测执行器对复杂工业过程模拟器进行控制；所述扩展板通过工业控制总线与所述主控制器连接，用于实现被控变量的输入和控制变量的输出，所述交直流转换电源为所述主控制器和所述扩展板提供电源支持；所述复杂工业过程模拟器包括根据工业控制理论建立的虚拟工业生产过程模型和网口通信单元，所述虚拟工业生产过程模型包括基础回路模型单元，运行指标模型单元；所述基础回路模型单元，包括以实验过程中采集到的控制变量作为输入，以被控变量为输出，建立的回路控制模型；所述运行指标模型单元，包括以实验过程中采集到的被控变量作为输入，以运行指标为输出，建立的运行指标模型；所述网口通信单元，包括网口通信函数以及定时器，所述定时器以一定的周期时间执行所述网口通信函数，发送基础回路模型单元输出的被控变量数据和接收控制器产生的控制变量数据，实现复杂工业过程模拟器与控制器的实时交互。2.根据权利要求1所述的教学实验装置，其特征在于，所述虚拟检测执行器与控制器之间设有数据采集卡和转接板，所述虚拟检测执行器与数据采集卡连接后，通过转接板与控制器连接。3.根据权利要求2所述的教学实验装置，其特征在于，所述数据采集卡包括数据采集卡A和数据采集卡B；所述数据采集卡A与所述虚拟检测执行器之间通过PCI卡槽连接；所述数据采集卡B与所述虚拟检测执行器之间通过PCI卡槽连接；所述转接板包括转接板A和转接板B；所述转接板A与数据采集卡A连接；所述转接板B与数据采集卡B连接；控制器输出的控制变量通过转接板A传送到数据采集卡A，再经过数据采集卡A输入到虚拟检测执行器，由虚拟检测执行器转换为复杂工业过程模拟器所需的控制变...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴志伟，陈水城，谢铖，柴天佑，
申请(专利权)人：东北大学，
类型：发明
国别省市：辽宁,21