过程控制工程虚拟实验系统的设计与开发

论文摘要

随着科技的发展，传统实验的局限性日渐显著，它受时间、地点、容纳人数的限制，设备更新换代慢，实验效率低，而与此同时，在校大学生人数不断增加，社会对大学生专业实践能力的要求日益提高，这一切充分说明，传统实验已经难以满足当前日新月异的教育需求。针对这一现状，本文总结了国内外虚拟实验的研究状况，分析了各种实现方法的特点，以大连理工大学自动化系过程控制工程实验室为背景，设计了基于B／S结构的虚拟实验系统。本文介绍了系统的总体结构，采用VRML虚拟现实建模语言进行实验设备及实验环境的三维建模，实现了实验室虚拟环境的构建；通过实验室中基于Profibus现场总线的监控系统，设计了二阶水槽系统建模数据采集实验，并利用Matlab进行建模及液位的控制仿真；通过以上工作，实现了基于VRML和Matlab／Simulink仿真计算引擎的虚拟实验系统。利用得到的数学模型和仿真模型，根据实际工程实验控制器参数整定的要求，设计了基于遗传算法的控制器参数优化方法，通过实际实验的运行，验证了优化后的PID参数对控制器参数的整定具有指导性。最后，应用本文构建的虚拟实验环境，进行了先进控制理论的应用研究，采用动态矩阵控制算法(DMC)对一阶水槽液位进行了控制仿真研究，仿真结果验证了该算法的有效性。本文所设计的虚拟实验系统不仅解决了实际过程控制工程实验所具有的受时间地点限制，实验过程及结果受实验设备状况限制等问题，而且提供了一个虚拟研究平台，在此平台上，可以进行参数优化及先进控制理论的仿真应用研究。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 虚拟实验概述
• 1.1.1 虚拟实验室概念
• 1.1.2 虚拟实验的特点及应用前景
• 1.1.3 虚拟实验的研究状况
• 1.2 虚拟实验实现方法比较
• 1.2.1 基于交互式Flash技术的网络虚拟实验的实现方法
• 1.2.2 基于ActiveX技术的网络虚拟实验的实现方法
• 1.2.3 基于VRML技术的网络虚拟实验的实现方法
• 1.3 本课题研究的主要内容
• 2 虚拟实验系统分析与三维模型设计
• 2.1 体系结构分析
• 2.1.1 C/S模式与B/S模式
• 2.1.2 本文选择的方案
• 2.2 虚拟实验系统目标分析
• 2.2.1 功能要求
• 2.2.2 内容要求
• 2.2.3 性能要求
• 2.3 过程控制工程实验介绍
• 2.3.1 过程控制综合实验装置工艺流程简介
• 2.3.2 实际控制工程实验的特点
• 2.4 虚拟实验三维模型的设计
• 2.4.1 VRML语言概述
• 2.4.2 VRML场景的优化策略
• 2.4.3 实验室三维建模
• 2.4.4 模型整合
• 3 系统过程建模、仿真及参数优化
• 3.1 Matlab/Simulink简介
• 3.1.1 Matlab介绍
• 3.1.2 Simulink介绍
• 3.2 二阶流量—液位系统数学建模
• 3.2.1 二阶水箱机理模型
• 3.2.2 确定模型的工作点
• 3.2.3 确定模型参数
• 3.2.4 电动调节阀的流量特性
• 3.2.5 模型验证
• 3.3 控制过程仿真设计
• 3.4 基于遗传算法的PID参数整定
• 3.4.1 遗传算法的基本原理
• 3.4.2 基于遗传算法的PID参数整定理论基础
• 3.4.3 基于遗传算法的二阶水槽液位控制最优PID参数整定
• 4 虚拟实验系统的实现与应用
• 4.1 虚拟实验场景与Matlab/Simulink仿真环境连接
• 4.2 单回路控制工程实验
• 4.3 虚拟实验过程
• 4.4 虚拟实验的验证
• 4.4.1 实际工程实验
• 4.4.2 虚拟实验结果
• 4.4.3 实际实验与虚拟实验的比较
• 4.5 一阶水槽DMC控制效果验证
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表学术论文情况
• 致谢