實時過程控制

隨著微電子技術的發展，計算機在實時過程控制中已獲得廣泛套用，現在人們關心的不僅僅是計算機硬體的性能與價格，同時也越來越多的關注控制軟體的特性和功能。這裡通過介紹一個中小型實時過程控制軟體平台的設計來了解實時過程控制。

基本介紹

• 中文名：實時過程控制
• 外文名：Real-time process control             
• 使用工具：各種程式語言
• 功能：用戶界面管理、算法、數據存儲等
• 組成：平台的核心和功能服務模組
• 領域：計算機

概述

隨著微電子技術的發展，計算機在實時過程控制中已獲得廣泛套用，現在人們關心的不僅僅是計算機硬體的性能與價格，同時也越來越多的關注控制軟體的特性和功能。軟體平台(Softw are Platform )是近幾年才興起的一種軟體結構。軟體平台是由基本系統(如作業系統)支持的軟體層面(layer)，把一些通用的服務提取出來，並通過這種方式拓展基本軟體系統。

一般的軟體平台由兩個主要的部分組成，即平台的核心和一些功能服務模組，核心主要負責平台的啟動、停止、功能服務模組的協調、運行管理和對套用進行功能支持等。功能服務模組主要是與平台相關的軟體模組，這些功能模組按照核心的要求被調入、調出與核心共同構成一個運行環境。

用傳統的方式開發往往要從作業系統做起，按照功能逐次往上開發，最下層是系統級服務功能，如傳送訊息等，這些往往占編碼量的55%；向上一層是一些套用服務，最上層才真正是面向用戶的套用。如果按照這種方法去開發，維護費用占70%左右。由於每個套用的底層分類相同，層次功能相近，因而可把下面兩個層次的一般功能進行抽象、概括，與用戶套用分離，編成軟體提供給用戶。

這裡建立了一個 面向中小型系統的實時過程控制軟體平台。通過對常規的PID 算法改進，引入了比例因子和 自學習功能，得到了智慧型 Bang-Bang/比例因子PID(IB —B/ ) 控制算法。

實時過程控制軟體平台功能和組成

實時過程控制軟體平台功能

實時過程控制軟體平台應具有的功能簡述如下：

（1）用戶界面管理，如統一風格的選單，對話框，框線，滾動條等；
（2）設備集成，為不同的底層設備提供統一的接口形式 ；
（3）為過程提供最佳化的算法和控制 ；
（4）數據存儲，管理和通訊 ；
（5）安全與報警措施。

實時過程控制軟體平台組成

實時過程控制軟體平台包古四個模組：用戶界面模組，運算、控制模組，數據模組和接口、通訊模組等。

功能模組的設計

界面模組的設計

本軟體平台是基於Windows作業系統的應用程式，因而用戶界面描述檔案是Windows的資源描述檔案，用戶可利用資源編輯器等工具進行二次開發，由於平台界面具有統一的Windows風格，可適應於不同配置的系統，且平台簡單易操作，利用選單和對話框可具體到用戶喜歡的背景顏色、圖案等一些細節。

通過界面模組，使用者經過一系列選單和對話框組合，用戶可以完成選擇迴路、採取哪種控制算法和控制參散輸入等一系列操作。

運算、控制模組和設計

運算，控制模組是整個平台的運行、控制中心，包括多種控制方式和運算方法。運行該模組，用戶可以選定所期望使用的計算方法、控制方式、需要控制的通道和輸入參數等一系列詳細操作。因為本模組是面向生產點的，而生產點是生產線上最活躍的地區，也是控制的目標，所以運算、控制模組要能做到方案選擇、控制過程的顯示、控制參數的線上修改和實時監控等功能。運算、控制模組包含了當今實時過程控制中的多種常用算法，如 常規PID，積分分離PID，Bang —Bang/PID，動態矩陣 (DMC)，前饋控制以及智慧型Bang-Bang/比例因子PID (IB—B/13)等控制算法。

控制參數的選擇對於沒有經驗的人來說，會有一定的困難。考慮到這一點，此模組設有系統辨識程式，可以通過辨識進行初選系統的起始參數。系統在運行中可能會遇到多種意想不到的問題，從而使控制效果不理想，甚至使系統崩潰。為了避免出現這種情況，該模組具有應急保護措施和報警功能，在實施控制前先輸入被控制量的臨界值，控制過程中系統不斷檢測被控制量的值，一旦達到臨界值，立即採取應急措施並報警，如調整某些控制量、參數等，使系統能安全運轉。

隨著新技術、新算法的不斷出現，運算、控制模組應當是開放的，以便進一步擴充。

數據模組的設計

在過程控制中，數據模組是數據交換的樞紐。它主要完成數據的實時管理、統計、存儲、維護以及和控制模組間交換數據，資料等功能。其管理的數據包括設備狀態、輸入、輸出控制量和安全、報警信息等。在本過程控制軟體平台中，為了保證數據的可靠性，數據模組對操作者是唯讀不寫的，操作者只可以通過選單和對話框來調度所需的數據。

接到控制模組的程式報警信息後，數據模組記錄下當前時刻，並保存當前時刻的設備狀態和輸出控制量，然後保存前一時刻的輸出控制量。在沒有報警信號的情況下，數據模組每間隔固定時間接收到一個從控制模組傳送來的訊息，開始保存上一個訊息之後的新數據。

接口、通信模組設計

接口、通信模組是系統能否很好與外界交流的基礎，也是保證過程控制軟體平台可移植性的重要環節。考慮 到各廠商設備的多樣性，它應儘可能地擁有多種類型的接口子程式，以確保可靠性、兼容性。該模組也是開放性的，用戶在第一次使用本軟體平台時應先選擇合適的接口程式，如果在已有的子程式庫中沒有用戶所需要的，用戶可以編寫一個合適的接口子程式，自行將其添加到接口模組中。

智慧型 Bang-Bang/比例因子PID控制算法

對於常規PID控制，Bang-Bang控制等算法，在些僅簡單介紹具有智慧型功能的Bang-Bang/比例因子PID控制算法PID控制是目前套用最為廣泛的控制方法，但它的過渡過程較長Bang-Bang控制是一種極值控制，它可以大大 加快系統的過渡過程，將二者有效地結合起來，就造成了Bang-Bang/PID控制。在常規PID控制的比例項中引入可變比例因子 ， 可根據系統狀態和輸出線上調整。它於系統狀態和輸出之間的關係不能簡單地用解析式描述，而是由一組啟發式規則來定，這樣就構成了智慧型Bang-Bang/比例因子PID控制 。

比例因子 只在系統閉環傳遞函式的分子中出現，而分母與常規 PID 的閉環傳遞函式的分母相同。由此可見： 比例因子 的引入既不改變系統的特徵方程、閉環敏點，也不改變系統的穩定性。由於比例因子 出現在閉環傳遞函式的分子中，通過改變 ，可以改變系統的閉環零點，從而改善系統的輸出瞬態回響能力，提高控制系統的性能。由於比例因子 只在比例項中引入，積分項、微分項都沒有引入， 因而不影響控制系統的穩態性能，系統仍然是無靜差的。

Bang-Bang控制與PID控制間的切換值和比例因子 的選取是比較複雜的，可以通過最佳化目標函式IAE，線上自學習的方法獲得：

式中：e(t)系統編差；Y(t)系統當前輸出值；Y(∞)系統穩態輸出值 。

PID的參數事先按有關公式計算出來，並調整好，以e(t)和超調量作為衡量控制效果的性能指標。每次過渡過程結束時，系統自動將本次的IAE值和超調量與上次的比較，不斷最佳化比例因子以Bang-Bang與PID的切換值這樣經過一段時間的線上自學習，就可以得到比較理想的控制效果。