基于专家PID控制和COM技术的计算机分布式温压测控系统

摘要：结合对温度、压力实验设备的高温、低温及低气压等试验要求，设计并实现了计算机分布式（DCS）的温度、压力控制系统。利用COM技术构建了整个测控系统的软件。为了解决系统超调与响应速度之间的矛盾,以达到更好的控制效果，在经典PID调节的基础上，提出采用专家控制策略控制环境模拟舱内的温度，并对其控制效果进行了仿真研究。仿真结果与现场运行调试结果均表明：专家控制方法具有无超调、响应速度快、稳态精度高、加温效率明显的优点，是可行和有效的,对以计算机为核心的温压控制系统具有借鉴意义。

关键词：专家控制；分布式控制系统；COM；PID；

中图分类号：TP39;TP273+.5文献标识码：A

文章编号：1001-9081(2007)04-1003-03

为了实现国内常用的高、低温试验设备以及大气压力试验设备,包括高温舱(箱)、低温舱(箱)和真空舱的自动控制,同时实现对实验过程的集中管理和分散控制，达到多个设备同时工作，多项实验同时进行，以及多组实验信息同时获取同时处理的目的，采用了分布式控制系统（DistributedControlSystem，DCS），以充分利用其资源对实验过程进行实时监控和管理。利用COM(ComponentObjectModel)组建化软件模型技术可构建模块化的软件操作平台，增强数据交互的功能,使软件的灵活性、可扩展性、稳定性和可靠性得到提升。为了解决大多数的试验舱体设备属于大滞后的惯性环节[1]，使整个舱体加温、降温缓慢且无自平衡能力的问题，并达到国军标[2]中对舱体温度控制精度的要求，防止超调现象发生，本文提出采用专家PID控制策略。仿真研究和实际调试均表明：该方法可以有效地抑制超调，提高温控精度。

1测控系统结构

分布式计算机控制系统是以工业级计算机为核心[3]，集成单元组合仪器及微处理器的优点，可充分利用计算机技术、控制技术、通信技术及图像处理技术的应用成果来完成所要求的控制系统设计，其特点是：集中管理、分散控制。图1为测控系统结构。

图片图1测控系统结构

检测与执行级：指现场信号测量单元与设备执行单元。测量单元主要包括传感器、变送器等，其输出的信号由A/D采集进计算机。执行单元为调节阀、电加热器等执行机构。

下位控制级：由过程控制单元所组成，并和检测与执行级相连。除可直接显示现场测量参数值以外，还具有D/A的功能，以及同上位管理控制级通讯的功能，主要担负着控制现场执行机构的运行。

上位管理控制级：由上位控制计算机及接口电路组成。它与下位控制级通讯接口相连，直接从下位级获得各种试验数据，并处理和管理试验数据，生成各种曲线及报表，实时监控试验运行，执行现有设备报警与安全保护，在线修正试验参数和试验状态，同时还可以根据需要直接从现场级获取试验数据。

舱体温度测控原理如图2所示。温度传感器将温度信号变送给数显仪表，用于现场显示。数显仪表通过串口同上位计算机进行通讯，上位计算机再将计算后的控制量传给数显仪表，由数显仪表的D/A端输出的控制信号给执行机构（电加热器），即完成对温度的闭环控制。

2专家控制算法

计算机控制是一种采样控制，利用采样时刻的偏差值计算控制量。增量式PID控制算法的离散表达式为：

专家控制算法是建立在经典PID控制算法基础上的一种控制算法,其实质是基于受控对象和控制规律的各种知识，并以智能的方式利用这些知识来设计控制器。利用专家经验来设计PID参数便构成专家PID控制[4]。

3组件化的软件设计

COM是一种以组件为单元的对象模型，这种模型使软件组件可以用一种统一的方式进行交互。可以利用COM的基本原理将测控系统的软件结构按照不同的功能模块化设计，以DLL(动态链接库)或OCX(控件)的形式被主控程序调用。基于COM组件的温压控制系统软件结构如图3所示。软件采用C++语言编写，在VC++6.0的开发环境下编译运行。

1)任务管理模块：是整个软件应用程序的核心，起到调度各模块工作和数据交互的作用。并且保证系统实时运行，及时响应用户的命令。时钟管理保证系统运行的实时性及周期性，完成任务间同步、通讯和数据互斥保护。该模块采用多任务多线程技术来管理并实现任务间的同步、通讯与互斥。因为线程具有并发性关系，测量的数据作为共享资源需加以保护。可以定义临界区对象、互斥对象及红绿灯等来保护共享资源。几个线程如果逐个读取共享资源并完成各自任务，速度太慢，不能发挥线程的优势。为此，数据存储线程和监测线程定义了各自的数据副本，读取共享测量数据时，把共享区作为一个内存块复制到副本中，并立即退出共享资源，再完成各自的任务。

2)实时采集与控制模块：该模块是试验控制任务的核心，主要完成采集试验各测点的数据，完成工程单位的转换，处理数据，根据试验工况解算控制算法(专家控制算法)控制设备，输出各种控制信号。其软件流程如图4所示。其中,时钟同步模块设计的优劣直接影响到系统能否实时运行。所谓时钟同步就是保证系统运行周期为固定时间T。在本测控系统中，时钟同步采用了多媒体定时器的时钟中断方式，即设置周期为T的时钟中断，每一次中断触发一次循环处理。其算法描述如下：

(1)进入主循环之前，设置周期为T的时钟中断；

（2)主循环开始阻塞等待时钟中断事件，该事件由时钟中断处理函数发生；

(3)中断事件到进入本次循环处理，完成数据采集、控制算法解算等任务；

(4)本次循环完成之后，阻塞等待下一次时钟中断事件。

3)硬件管理模块：管理所有的硬件功能板及其驱动程序硬件自测试、自诊断，包括直接同硬件相关的设备通讯模块和串口通讯模块。

4)实时监控模块：主要监控试验设备状态，显示所有的参数信息，并完成以下功能：在流程图窗口实时显示系统流程各测点的试验数据，在曲线图窗口实时绘制趋势图，在综合数据显示窗口显示所有的试验数据，在报警窗口显示报警信息。

5)数据管理模块：定时存储试验数据，即时打印试验数据，处理试验数据，完成数据表格打印、曲线处理打印等，提供更方便外部接口。该模块采用数据库技术，设计了CSaveDataBase类来管理试验数据，用数据文件的形式备份数据。在本系统软件中使用了ADO(ActiveXDataObjects)接口技术连接SQLServer2000数据库管理系统作为数据管理工具。其中为了方便调用，提高效率，将变量信息、传感器信息、设备信息和控制回路等数量不定，又需要各对象有文件读写能力的试验信息数据采用MFC(MicrosoftFoundationClass)中已有的链表结构作为数据存储结构，它支持文档读写操作序列化，插入检索方便，为了类型安全，选择template版本，分别定义如下：

4仿真及实验结果

为了验证专家控制算法的正确性，在Matlab的Simulink环境中进行仿真研究。仿真模型选自某环境室的高温舱体，该舱体是一个长30m，宽2m，高2m的长方体。舱体内部包有保温材料，经过传热计算后，电加热器功率足够大，能提供的热量远远大于散失的热量。整个系统是一个二阶系统，具有较大的滞后和惯性环节，所以要特别防超调现象的发生，还要保证一定的温控精度。该舱体模型的可由(3)式表示如下：

按照升温要求从室温T0（18℃）加热到E0（70℃)，采用无超调的专家PID控制算法，其仿真结果与经典PID控制仿真曲线比较如图5所示。其中曲线b为经典PID控制仿真曲线，曲线c为专家PID控制仿真曲线。可以看出采用专家PID控制策略的控制效果比经典PID控制要好，可以有效地抑制超调并且提高升温速率。

在实际高温舱体的升温过程中，采用专家控制算法取得了较好的控制效果，升温曲线如图5曲线a所示。在调试过程中发现，为了加快升温速率同时避免超调发生，可以利用专家判断在系统启动初时采用PD控制，当温度接近设定值时采用PID控制以保证系统的控制精度。

5结语

利用计算机分布式控制系统原理及COM技术，设计温压测控系统的软硬件，可以实现对舱体温度、压力控制系统的集中管理和分散控制，并从数据库获得可靠的试验数据。结合专家PID控制方法可以防止超调、加快响应速度,提高稳态精度高，符合国军标[3]的检测规定，对于类似问题的处理具有较大意义。

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