摘要：文章首先介紹了網(wǎng)絡化控制技術模型裝置的設計，分別闡述了控制實驗模型的整體設計和以太網(wǎng)控制系統(tǒng)的設計。上層監(jiān)控軟件采甩LabVIEW圖形化開發(fā)環(huán)境設計。然后針對參數(shù)整定過程中出現(xiàn)的困難，提出了將神經(jīng)網(wǎng)絡模糊PID自整定技術應用到該系統(tǒng)中的方案。該模型裝置包含了工程應用中許多控制參數(shù)，可以滿足不同程度的仿真實驗和研究需要。
關鍵詞：過程控制；網(wǎng)絡控制；以太網(wǎng)；LabVIEW；比例-積分-微分控制器

0 引言
    隨著網(wǎng)絡技術的發(fā)展，Internet正在把全世界的計算機系統(tǒng)、通信系統(tǒng)逐漸集成起來，形成信息高速公路，形成公用數(shù)據(jù)網(wǎng)絡。在此基礎上，傳統(tǒng)的工業(yè)控制領域也正經(jīng)歷一場前所未有的變革，從傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)向以網(wǎng)絡化為特征的控制方向發(fā)展，形成了新的控制網(wǎng)絡。
控制系統(tǒng)的結構從最初的計算機集中控制系統(tǒng)(CCS)，到第二代的集散控制系統(tǒng)(DCS)，發(fā)展到現(xiàn)在流行的現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)(FCS)。而以太網(wǎng)又逐漸與現(xiàn)場總線結合并進入工業(yè)控制領域。
    網(wǎng)絡的發(fā)展使自動化系統(tǒng)與工業(yè)控制系統(tǒng)在體系結構、控制方法、人機協(xié)作方法等都發(fā)生了重大變化，一方面，自動化與工業(yè)控制需要更深層次地滲透通信與網(wǎng)絡技術。另一方面，通信網(wǎng)絡的管理與控制也要求更多地采用控制理論與策略。同時也帶來了新韻課題，其中之一就是網(wǎng)絡環(huán)境下的控制方法與算法需要創(chuàng)新。
    因此，本文針對網(wǎng)絡化控制技術進行了模型的設計研究，本模型具有很好的開放性和可靠性，不但能夠模擬工業(yè)現(xiàn)場的某些常見被控對象，進行具體控制回路設計，而且可以進行網(wǎng)絡化環(huán)境下控制算法應用與改進的具體研究。

1 硬件系統(tǒng)設計
    此網(wǎng)絡化控制技術模型的硬件系統(tǒng)主要分兩個部分進行設計，分別是：現(xiàn)場控制模型裝置的設計和網(wǎng)絡控制系統(tǒng)的建設。
1．1 現(xiàn)場控制模型裝置的設計
    系統(tǒng)現(xiàn)場模型裝置是基于工業(yè)過程物理模擬對象，用于模擬工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場的實際被控對象的多功能實驗裝置。系統(tǒng)參數(shù)全面，涵蓋了工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場中液位、流量、壓力、溫度等典型熱工參數(shù)，可實現(xiàn)系統(tǒng)參數(shù)辨識、單回路控制、串級控制、前饋控制、比值控制等多種控制形式。
    現(xiàn)場控制模型裝置主要由加熱爐、上位水箱、中位水箱、下位水箱和儲水箱以及電磁閥、水泵、溫度、壓力、流量等現(xiàn)場儀表組成?，F(xiàn)場控制模型裝置結構如圖1所示。

1．2 網(wǎng)絡控制系統(tǒng)的建設
    以太網(wǎng)具有傳輸速度高、低耗、易于安裝和兼容性好等方面的優(yōu)勢，由于它支持幾乎所有流行的網(wǎng)絡協(xié)議，所以在商業(yè)系統(tǒng)中被廣泛采用。近些年來，隨著網(wǎng)絡技術的飛速發(fā)展，由于交換技術以及網(wǎng)絡帶寬的大大增加，以太網(wǎng)開始與現(xiàn)場總線技術結合進入控制領域，形成了新型的以太網(wǎng)控制網(wǎng)絡技術。本平臺網(wǎng)絡控制系統(tǒng)采用以太網(wǎng)控制系統(tǒng)。
    用NI公司生產(chǎn)的具有以太網(wǎng)接口的FieldPoint網(wǎng)絡模塊，配合合適的I／O模塊和模擬儀表，可以對現(xiàn)場實驗模型裝置的溫度、液位等參數(shù)進行以太網(wǎng)控制。以太網(wǎng)控制系統(tǒng)結構如圖2所示。

2 軟件平臺建設
2．1 監(jiān)控軟件設計
    本系統(tǒng)上層監(jiān)控軟件采用LabVIEW圖形化開發(fā)環(huán)境設計，不但實現(xiàn)該模型實驗裝置現(xiàn)場參數(shù)的計算機監(jiān)測，而且具體實現(xiàn)過程控制實驗的計算機仿真。圖3為該系統(tǒng)的監(jiān)控界面之一。

2．2 實驗研究
    以上位箱液位作為一個簡單的調節(jié)對象進行液位控制實驗。

    上位箱液位控制為單容自衡液位被控過程。由圖4所示，上位箱流入量為g1，改變閥1的開度可以改變q1的大小。流出量為q2，它取決于用戶的要求和液位h的高低，改變閥2的開度可以改變q2；液位h越高，水箱內水的靜壓力增大，q2也增大。動態(tài)方程式是：
   
    式中T=FRs，K=KμRs。Rs位液阻；Kμ為比例系數(shù)；F為液容。將該式改寫成拉氏變換式：
   
    這就是上位箱液位對象的傳遞函數(shù)，式中T稱為對象的時間常數(shù)，而K則叫做對象放大系數(shù)。

    由此，設計上位箱液位控制實驗工作原理圖和液位控制程序，如圖5和圖6所示。

2．3 神經(jīng)網(wǎng)絡在本控制系統(tǒng)參數(shù)整定和優(yōu)化過程中的應用
    圖7為用LabVIEW編寫的神經(jīng)網(wǎng)絡模糊自適應PID控制器的框圖，主要由自適應向導、自適應模塊、以及PID控制模塊三部分組成。自適應向導為用戶提供一個用戶友好的界面，用戶可以介入自適應調節(jié)過程，并對一些參數(shù)進行設定。自適應模塊根據(jù)設定自己過程參數(shù)，再按照神經(jīng)網(wǎng)絡自適應算法對PID參數(shù)進行自動在線整定，整定完成后的PID參數(shù)對現(xiàn)場設備內的參數(shù)進行修正。

    但實際的對象階躍響應實驗結果表明，上位箱液位對象的實際特性與理想的一階慣性環(huán)節(jié)差異較大。這一方面是因為由于受到硬件限制，進水閥的線性以及靈敏度不夠高，而另一方面也是因為干擾的緣故，水泵的啟停所造成的沖擊等。另外由于通信網(wǎng)絡所產(chǎn)生的傳輸時間延遲，該對象還要附加一個純延遲環(huán)節(jié)。
    直接采甩Ziegler-Nichol整定方法時，由于對象階躍響應曲線不夠精確，實際的被控對象也不是一階慣性環(huán)節(jié)，所以整定效果不太理想。實驗測得的閉環(huán)階躍響應曲線如圖8所示。

    從圖8可以看出，當采用常規(guī)的整定方法時，整定效果不太讓人滿意，系統(tǒng)的超調過大，調節(jié)時間也太長。
而且當由于別的干擾因素，如氣溫上升等而影響到系統(tǒng)的特性參數(shù)時，還需要重新測定對象的開環(huán)階躍響應曲線，費時費力，缺乏自動性。
    當采用基于神經(jīng)網(wǎng)絡模糊PID控制算法的在線整定方案后，系統(tǒng)的閉環(huán)階躍響應曲線如圖9所示。

    從上面實驗測得的響應曲線可以看出，采用神經(jīng)網(wǎng)絡模糊自適應控制算法后，控制指標有了明顯改善，超調減小，穩(wěn)態(tài)精度也得到了提高。更為重要的是神經(jīng)網(wǎng)絡模糊自適應控制算法可以適應對象動態(tài)特性參數(shù)變化，并且可以在線自動整定，從而具有較好的應用價值。

3 結束語
    網(wǎng)絡技術作為信息技術的代表，其與控制系統(tǒng)的結合將極大地提高控制系統(tǒng)的水平。網(wǎng)絡化控制技術作為控制、網(wǎng)絡和計算機多種技術交叉融合的產(chǎn)物，它的發(fā)展是控制系統(tǒng)日趨復雜化的體現(xiàn)，其理論基礎跨越多個學科，應用范圍遍及多個領越。作為一個新興的研究領域，網(wǎng)絡化控制系統(tǒng)很多問題的研究僅是一個開始，還存在著大量課題有待進一步的深化研究。
    本網(wǎng)絡化模型裝置將以太網(wǎng)與傳統(tǒng)工業(yè)控制融合在一起形成新的控制網(wǎng)絡，在保證控制系統(tǒng)原有的穩(wěn)定性、實時性等要求的同時，又增強了系統(tǒng)的開放性和互操作性，提高了系統(tǒng)對不同環(huán)境的適應性。