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NTC-I型四容水箱復雜控制系統(tǒng)創(chuàng)新實驗平臺
一、平臺的用途與特色
四容水箱是一個典型的非線性、非最小相位、多變量耦合過程控制對象。采用該對象可以進行各種非線性控制、解耦控制、多變量控制和故障診斷與容錯控制等實驗。可以驗證各種復雜的先進控制與優(yōu)化算法，如模型預測控制，神經網絡控制，模糊控制等。該實驗平臺以四容水箱作為典型對象，其結構靈活多變，用戶可以根據需要自行配置水箱連通方式來組成單容水箱、兩容水箱、三容水箱和四容水箱的實驗平臺，也可以任意設置故障點，進行故障診斷與容錯控制實驗。該平臺采用超聲波液位計作為傳感單元，具有液位測量準確，量測噪聲小，線性度高等優(yōu)點；采用直流調壓水泵作為執(zhí)行單元，具有調節(jié)速度快，系統(tǒng)時滯小，控制準確等優(yōu)點。
二、圖形化、組態(tài)式控制模式
該四容水箱系統(tǒng)的控制單元采用自行設計開發(fā)的高性能圖形化可編程控制器，它集成有多路A/D 、D/A輸入輸出通道，可以輸入和輸出±10V、 ±5V、0—5V、4-20mA等各種工業(yè)標準電壓、電流信號。該控制器采用高性能CPU，運行實時操作系統(tǒng)，最快采樣周期可達0.1ms以下，可實現各種復雜閉環(huán)控制算法。控制器程序采用圖形化組態(tài)方式自動生成，控制組態(tài)軟件被無縫嵌入Matlab/Simulink中，并擴展了Simulink模塊庫，用戶可通過創(chuàng)建Simulink/Stateflow框圖實現其控制策略，一鍵式自動生成可執(zhí)行代碼，并下載到控制器中運行。控制器支持以太網和串口通訊模式，控制程序的下載、實時數據的讀寫都通過網絡實現傳輸，方便與各種上位機和控制器通訊。
三、可視化監(jiān)控和網絡化控制方式
1、先進性：系統(tǒng)采用了先進的分段化系統(tǒng)結構和確定性通信調度控制策略，解決了以太網通信的不確定性問題，實現了以太網傳輸的實時性。
2、完整性：系統(tǒng)可以實現工業(yè)企業(yè)綜合自動化智能工廠系統(tǒng)中從底層的現場設備層到上層的控制層、管理層的通信網絡平臺基于以太網技術的統(tǒng)一，即所謂的“E（Ethernet）網到底”。
3、可靠性：系統(tǒng)從硬件到軟件、從數據系統(tǒng)到網絡結構，經過長期的實踐檢驗，具有極高的可靠性和穩(wěn)定性。
4、互可操作：系統(tǒng)通過EPA網絡通信平臺提供的實時數據通信服務，與來自不同廠商的現場智能設備和應用程序可以實現信息透明互訪和互可操作。
5、實用性：系統(tǒng)能充分滿足現代工業(yè)企業(yè)、科研院所和高等院校對工控行業(yè)和自動化應用型人才培養(yǎng)過程中，對控制系統(tǒng)設計、工程培訓和實踐教學的需要。
6、靈活性：產品可根據用戶的要求靈活的增加和刪減配置，既不影響系統(tǒng)的整體性能，又能滿足各種客戶對研發(fā)平臺的特殊要求。
四、主要技術指標
1.傳感器：超聲波物位計：
量程 0～1 m，
盲區(qū) <0.06 m
發(fā)射角 6°
最小顯示分辨率 1mm
精度 ±0.3％或±1.5mm
2.執(zhí)行器：
水泵：
流量 20～30升/分鐘
揚程 5米
驅動器：
輸入電壓 DC 24V（工作范圍18V~36V）
輸出電壓 DC 0V～24V
輸出電流 DC 10A 20A 35A
調速比 1：80
雙閉環(huán)PI調節(jié)
靜差率 <1%
3.控制器：
CPU AMD Geode LX 800(500MHz)
SDRAM 512Mb
Flash 8Gb
通訊接口 10/100Mbps以太網，
RS-232/422/485
D/A轉換 4路
A/D轉換 16路；
其中4路電流輸入，12路電壓輸入
4.顯示屏：
分辨率 800*600dpi
LCD尺寸 10英寸
亮度 350cd/m2
響應時間 10ms
五、主要實驗項目
1.四容水箱的數據采集與驅動實驗
2.水箱對象特性時域分析實驗
3.水箱對象特性頻域分析實驗
4.水箱對象模型辨識實驗
5.反饋通道的數字濾波器設計實驗
6.單容水箱數字PID控制實驗
7.雙容水箱串級PID控制實驗
8.雙容水箱模糊控制實驗
9.四容水箱2輸入2輸出預測控制實驗
10.四容水箱解耦控制實驗
六、適用對象
該平臺面向本科生/研究生的教學和科研，作為能力創(chuàng)新平臺，它提供了多種新穎的實驗課程，配有完備的實驗指導書和實驗工程文檔，包含了各種復雜控制算法的實例，如PID控制，模型預測控制，神經網絡控制，模糊控制等。同時，利用該平臺用戶可以方便地擴展各種實驗，進行深層次的科學研究，自行設計和實現各種控制策略。該系統(tǒng)可以作為《自動控制原理》、《計算機控制系統(tǒng)》、《過程控制》、《過程辨識》、《現代控制理論》、《智能控制》、自動控制課程設計、畢業(yè)設計、創(chuàng)新設計競賽等課程的實驗平臺。