實時過程控制

隨着微電子技術的發展，計算機在實時過程控制中已獲得廣泛應用，現在人們關心的不僅僅是計算機硬件的性能與價格，同時也越來越多的關注控制軟件的特性和功能。軟件平台(Softw are Platform )是近幾年才興起的一種軟件結構。軟件平台是由基本系統(如操作系統)支持的軟件層面(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件系統。

一般的軟件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塊，核心主要負責平台的啓動、停止、功能服務模塊的協調、運行管理和對應用進行功能支持等。功能服務模塊主要是與平台相關的軟件模塊，這些功能模塊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操作系統做起，按照功能逐次往上開發，最下層是系統級服務功能，如發送消息等，這些往往佔編碼量的55%；向上一層是一些應用服務，最上層才真正是面向用户的應用。如果按照這種方法去開發，維護費用佔70%左右。由於每個應用的底層分類相同，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，與用户應用分離，編成軟件提供給用户。

這裏建立了一個 面向中小型系統的實時過程控制軟件平台。通過對常規的PID 算法改進，引入了比例因子和 自學習功能，得到了智能 Bang-Bang/比例因子PID(IB —B/

) 控制算法 ^[1]  。

實時過程控制軟件平台應具有的功能簡述如下：

（1）用户界面管理，如統一風格的菜單，對話框，邊框，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）為過程提供優化的算法和控制 ；

（4）數據存儲，管理和通訊 ；

（5）安全與報警措施 ^[1]  。

實時過程控制軟件平台包古四個模塊：用户界面模塊，運算、控制模塊，數據模塊和接口、通訊模塊等 ^[1]  。

本軟件平台是基於Windows操作系統的應用程序，因而用户界面描述文件是Windows的資源描述文件，用户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，利用菜單和對話框可具體到用户喜歡的背景顏色、圖案等一些細節。

通過界面模塊，使用者經過一系列菜單和對話框組合，用户可以完成選擇迴路、採取哪種控制算法和控制參散輸入等一系列操作 ^[1]  。

運算，控制模塊是整個平台的運行、控制中心，包括多種控制方式和運算方法。運行該模塊，用户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。因為本模塊是面向生產點的，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、控制模塊要能做到方案選擇、控制過程的顯示、控制參數的在線修改和實時監控等功能。運算、控制模塊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)，前饋控制以及智能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説，會有一定的困難。考慮到這一點，此模塊設有系統辨識程序，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，該模塊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。

隨着新技術、新算法的不斷出現，運算、控制模塊應當是開放的，以便進一步擴充 ^[1]  。

在過程控制中，數據模塊是數據交換的樞紐。它主要完成數據的實時管理、統計、存儲、維護以及和控制模塊間交換數據，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。在本過程控制軟件平台中，為了保證數據的可靠性，數據模塊對操作者是隻讀不寫的，操作者只可以通過菜單和對話框來調度所需的數據。

接到控制模塊的程序報警信息後，數據模塊記錄下當前時刻，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，數據模塊每間隔固定時間接收到一個從控制模塊發送來的消息，開始保存上一個消息之後的新數據 ^[1]  。

接口、通信模塊是系統能否很好與外界交流的基礎，也是保證過程控制軟件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序，以確保可靠性、兼容性。該模塊也是開放性的，用户在第一次使用本軟件平台時應先選擇合適的接口程序，如果在已有的子程序庫中沒有用户所需要的，用户可以編寫一個合適的接口子程序，自行將其添加到接口模塊中 ^[1]  。

對於常規PID控制，Bang-Bang控制等算法，在些僅簡單介紹具有智能功能的Bang-Bang/比例因子PID控制算法PID控制是目前應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在線調整。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，而是由一組啓發式規則來定，這樣就構成了智能Bang-Bang/比例因子PID控制 。

比例因子

只在系統閉環傳遞函數的分子中出現，而分母與常規 PID 的閉環傳遞函數的分母相同。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

出現在閉環傳遞函數的分子中，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響應能力，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，可以通過優化目標函數IAE，在線自學習的方法獲得：

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，不斷優化比例因子

以Bang-Bang與PID的切換值這樣經過一段時間的在線自學習，就可以得到比較理想的控制效果 ^[1]  。