实时过程控制

计算机术语

随着微电子技术的发展，计算机在实时过程控制中已获得广泛应用，现在人们关心的不仅仅是计算机硬件的性能与价格，同时也越来越多的关注控制软件的特性和功能。这里通过介绍一个中小型实时过程控制软件平台的设计来了解实时过程控制。

内容简介

随着微电子技术的发展，计算机在实时过程控制中已获得广泛应用，现在人们关心的不仅仅是计算机硬件的性能与价格，同时也越来越多的关注控制软件的特性和功能。软件平台(Softw are Platform )是近几年才兴起的一种软件结构。软件平台是由基本系统(如操作系统)支持的软件层面(layer)，把一些通用的服务提取出来，并通过这种方式拓展基本软件系统。

一般的软件平台由两个主要的部分组成，即平台的核心和一些功能服务模块，核心主要负责平台的启动、停止、功能服务模块的协调、运行管理和对应用进行功能支持等。功能服务模块主要是与平台相关的软件模块，这些功能模块按照核心的要求被调入、调出与核心共同构成一个运行环境。

用传统的方式开发往往要从操作系统做起，按照功能逐次往上开发，最下层是系统级服务功能，如发送消息等，这些往往占编码量的55%；向上一层是一些应用服务，最上层才真正是面向用户的应用。如果按照这种方法去开发，维护费用占70%左右。由于每个应用的底层分类相同，层次功能相近，因而可把下面两个层次的一般功能进行抽象、概括，与用户应用分离，编成软件提供给用户。

这里建立了一个面向中小型系统的实时过程控制软件平台。通过对常规的PID 算法改进，引入了比例因子和自学习功能，得到了智能 Bang-Bang/比例因子PID(IB —B/ ) 控制算法。

实时过程控制软件平台功能和组成

实时过程控制软件平台功能

实时过程控制软件平台应具有的功能简述如下：

（1）用户界面管理，如统一风格的菜单，对话框，边框，滚动条等；

（2）设备集成，为不同的底层设备提供统一的接口形式；

（3）为过程提供优化的算法和控制；

（4）数据存储，管理和通讯；

（5）安全与报警措施。

实时过程控制软件平台组成

实时过程控制软件平台包古四个模块：用户界面模块，运算、控制模块，数据模块和接口、通讯模块等。

功能模块的设计

界面模块的设计

本软件平台是基于Windows操作系统的应用程序，因而用户界面描述文件是Windows的资源描述文件，用户可利用资源编辑器等工具进行二次开发，由于平台界面具有统一的Windows风格，可适应于不同配置的系统，且平台简单易操作，利用菜单和对话框可具体到用户喜欢的背景颜色、图案等一些细节。

通过界面模块，使用者经过一系列菜单和对话框组合，用户可以完成选择回路、采取哪种控制算法和控制参散输入等一系列操作。

运算、控制模块和设计

运算，控制模块是整个平台的运行、控制中心，包括多种控制方式和运算方法。运行该模块，用户可以选定所期望使用的计算方法、控制方式、需要控制的通道和输入参数等一系列详细操作。因为本模块是面向生产点的，而生产点是生产线上最活跃的地区，也是控制的目标，所以运算、控制模块要能做到方案选择、控制过程的显示、控制参数的在线修改和实时监控等功能。运算、控制模块包含了当今实时过程控制中的多种常用算法，如常规PID，积分分离PID，Bang —Bang/PID，动态矩阵 (DMC)，前馈控制以及智能Bang-Bang/比例因子PID (IB—B/13)等控制算法。

控制参数的选择对于没有经验的人来说，会有一定的困难。考虑到这一点，此模块设有系统辨识程序，可以通过辨识进行初选系统的起始参数。系统在运行中可能会遇到多种意想不到的问题，从而使控制效果不理想，甚至使系统崩溃。为了避免出现这种情况，该模块具有应急保护措施和报警功能，在实施控制前先输入被控制量的临界值，控制过程中系统不断检测被控制量的值，一旦达到临界值，立即采取应急措施并报警，如调整某些控制量、参数等，使系统能安全运转。

随着新技术、新算法的不断出现，运算、控制模块应当是开放的，以便进一步扩充。

数据模块的设计

在过程控制中，数据模块是数据交换的枢纽。它主要完成数据的实时管理、统计、存储、维护以及和控制模块间交换数据，资料等功能。其管理的数据包括设备状态、输入、输出控制量和安全、报警信息等。在本过程控制软件平台中，为了保证数据的可靠性，数据模块对操作者是只读不写的，操作者只可以通过菜单和对话框来调度所需的数据。

接到控制模块的程序报警信息后，数据模块记录下当前时刻，并保存当前时刻的设备状态和输出控制量，然后保存前一时刻的输出控制量。在没有报警信号的情况下，数据模块每间隔固定时间接收到一个从控制模块发送来的消息，开始保存上一个消息之后的新数据。

接口、通信模块设计

接口、通信模块是系统能否很好与外界交流的基础，也是保证过程控制软件平台可移植性的重要环节。考虑到各厂商设备的多样性，它应尽可能地拥有多种类型的接口子程序，以确保可靠性、兼容性。该模块也是开放性的，用户在第一次使用本软件平台时应先选择合适的接口程序，如果在已有的子程序库中没有用户所需要的，用户可以编写一个合适的接口子程序，自行将其添加到接口模块中。

智能

对于常规PID控制，Bang-Bang控制等算法，在些仅简单介绍具有智能功能的Bang-Bang/比例因子PID控制算法PID控制是目前应用最为广泛的控制方法，但它的过渡过程较长Bang-Bang控制是一种极值控制，它可以大大加快系统的过渡过程，将二者有效地结合起来，就造成了Bang-Bang/PID控制。在常规PID控制的比例项中引入可变比例因子，可根据系统状态和输出在线调整。它于系统状态和输出之间的关系不能简单地用解析式描述，而是由一组启发式规则来定，这样就构成了智能Bang-Bang/比例因子PID控制。

比例因子只在系统闭环传递函数的分子中出现，而分母与常规 PID 的闭环传递函数的分母相同。由此可见：比例因子的引入既不改变系统的特征方程、闭环敏点，也不改变系统的稳定性。由于比例因子出现在闭环传递函数的分子中，通过改变，可以改变系统的闭环零点，从而改善系统的输出瞬态响应能力，提高控制系统的性能。由于比例因子只在比例项中引入，积分项、微分项都没有引入，因而不影响控制系统的稳态性能，系统仍然是无静差的。

Bang-Bang控制与PID控制间的切换值和比例因子的选取是比较复杂的，可以通过优化目标函数IAE，在线自学习的方法获得：

式中：e(t)系统编差；Y(t)系统当前输出值；Y(∞)系统稳态输出值。

PID的参数事先按有关公式计算出来，并调整好，以e(t)和超调量作为衡量控制效果的性能指标。每次过渡过程结束时，系统自动将本次的IAE值和超调量与上次的比较，不断优化比例因子以Bang-Bang与PID的切换值这样经过一段时间的在线自学习，就可以得到比较理想的控制效果。

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