[发明专利]一种可视化过程控制系统组态仿真方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种可视化过程控制系统组态仿真方法。

背景技术

过程控制对象具有体积大、能耗高、污染大等特点，存在多变量、非线性、强耦合、干扰严重和工况变化频繁等复杂特性，因此真实的模拟整个过程控制系统具有很大的难度。随着自动化、信息化的快速发展，推动了模拟工业过程控制实验系统的需求和开发。

目前，大部分工业过程控制系统是针对特定领域特定流程进行模拟，缺乏通用性和扩展性。过程控制平台主要是一些监控软件，虽然提供可视化的监控界面，能够非常直观、形象的模拟工业系统，但只能进行简单的数学运算、参数设定和查看系统运行状况等功能，控制算法单一，而且不具备控制原理可视化功能。由于大部分软件不是开源软件，系统的二次开发时间长，使其在应用上受到限制。

Matlab是一款集算法开发、数据可视化、数据分析及数值计算等为一体的功能强大的仿真软件，但是其界面单调，缺乏对实际过程控制系统的各个环节形象化描述。而基于Matlab的工业过程仿真实验平台开发大部分是建立在PLC或者DCS硬件系统的基础上设计开发的，缺乏纯软件的过程控制仿真实验平台。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种可视化过程控制系统组态仿真方法，该可视化过程控制系统组态仿真方法，不但充分利用了MATLAB的强大数据处理功能，还具有VC界面人性化、操作使用方便的优点。

发明的技术解决方案如下：

一种可视化过程控制系统组态仿真方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：组态图(即虚拟图)及原理图(即控制系统图，或称为控制框图)的建立；

在可视化的工程界面中，通过从组件库中选取虚拟对象组件建立用于模拟实际设备的组态图，并通过从控件库中选取虚拟对象控件建立用于表征过程控制系统框图的原理图；

将组态图的虚拟对象组件和原理图中的虚拟对象控件绑定；将原理图中虚拟对象控件对应的图形与作为后台仿真支撑的M文件或Simulink模块绑定；

步骤2：仿真运行

建立仿真机制，启动Matlab引擎，生成仿真数据，并在组态图中显示控制结果。

建立组件库的方法为：利用VC++调用Visual Graph绘制虚拟对象组件所需图形；虚拟对象组件采用基于传递函数模型、状态空间模型、最小二乘模型、神经网络四种建模方式构造，后两种建模方式需进行参数设置；虚拟对象组件与原理图中的虚拟对象控件建立自动连接；

所述的虚拟对象组件是能在组态界面中操作的广义对象图形，广义对象包含控制系统的被控对象、执行机构和传感器。

将原理图中Visual Graph控件图形即虚拟对象控件和作为后台仿真支撑的Simulink控制算法模块绑定，控件库中包括控制器控件和输入控件，控制器控件包括PID控制器控件、模糊控制器控件和专家控制器控件，输入输出控件包括阶跃信号输入控件、正弦信号输入控件、模拟量输入控件、模拟量输出控件、数字量输入控件和数字量输出控件。

建立仿真机制的方法为：在Matlab中建立ws0和ws1的两个mdl文件，在ws0中设置初始数据结构，在ws1中将上一时刻仿真末状态赋予下一时刻仿真初状态；进行仿真时，首先执行一次ws0，即进行了一个仿真步长的仿真，建立初始数据结构后，按照仿真步长执行ws1。

过程控制系统(即仿真系统)运行时，对已建好的过程控制系统的识别是通过对组件和控件使用统一的命名绑定机制实现的，一个虚拟对象对应于一个在组态图中显示的图形外框、一个在原理图中显示的图形外框和一个Simulink模块，一个控制器控件或输入控件对应于一个在原理图中显示的图形外框和一个Simulink模块；

步骤1中所述的绑定指采用命名绑定机制进行绑定，即将虚拟对象组件名称、控件名称以及虚拟对象数据存储单元名称统一化【可以理解为：将同一个虚拟对象所对应的虚拟对象组件名称、控件名称以及虚拟对象数据存储单元名称设定为同一个名称】；虚拟对象的名称格式为w_i，其中i表示虚拟对象的序号；w_i就作为虚拟对象在整个仿真过程中的唯一标识；

仿真过程中涉及到的运行数据交换是指Simulink与组态图、原理图运行时的变量数据交换，三者之间通过同一的命名来实现关联；