CN114283669B - 一种多变量开环不稳定对象的自动控制实验装置及方法 - Google Patents

Abstract

一种多变量开环不稳定对象的自动控制实验装置及方法，属于自动控制技术的研究、实验和教学技术领域，包括被控对象单元；所述被控对象单元与执行机构单元连接，控制器分别与执行机构单元和检测单元连接，所述被控对象单元中有两路空气混合成一路排空，两路空气中，其中一路中放置有基于气流悬浮的轻质小球，小球高度和另一路空气流量构成两个带有耦合的输出变量，从而构成多变量开环不稳定的被控对象。采用该装置及方法进行实验，可以引入定量的持续的扰动作用，从而实现对各种多变量控制算法和多变量解耦控制算法的抗干扰性能做出客观的比较和评估，该装置既可以用于多变量系统闭环辨识实验，也可以用于进行多变量系统闭环控制实验。

Description

一种多变量开环不稳定对象的自动控制实验装置及方法

技术领域

本发明属于自动控制技术的研究、实验和教学技术领域，具体涉及一种多变量开环不稳定对象的自动控制实验装置及方法。

背景技术

开环不稳定特性是指当被控对象的输入变量保持不变时被控对象的输出变量无法依靠自身能力保持在平衡状态的这种特性。具有开环不稳定过程特性的被控对象是一种具有相当难度的被控对象，开环不稳定特性使得其数学模型难以采用开环实验的方式获得，因而依赖于数学模型离线进行控制器设计就变得困难。在自动控制的教学活动和科研活动中，具有开环不稳定特性的被控对象也是控制难点之一。

多变量被控对象是指被控对象存在多个控制输入和多个被控输出，在各主体控制回路之间存在着耦合作用。在耦合作用比较强烈的情况下，为了获得满意的控制效果，通常需要对多变量被控对象实现解耦控制。当多变量被控对象的主体回路中至少存在一个开环不稳定环节时，实现解耦控制的难度就显著加大。

在目前的自动控制的教学和科研实验装置中，传统的倒立摆系统、球杆系统、磁悬浮系统是典型的具有开环不稳定特性的被控对象，但绝大多数为单变量开环不稳定的被控对象，多变量开环不稳定的被控对象的种类相当少，因而难以进行多变量自动控制、多变量解耦控制算法的教学和实验。

发明内容

针对现有各种自动控制实验装置中多变量开环不稳定特性被控对象种类不够丰富难以开展多变量自动控制算法、多变量解耦控制算法的教学和实验的问题，本发明提供一种多变量开环不稳定对象的自动控制实验装置及方法。

为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

一种多变量开环不稳定对象的自动控制实验装置，包括被控对象单元、执行机构单元、检测单元及控制器；所述被控对象单元与执行机构单元连接，控制器分别与执行机构单元和检测单元连接。

所述被控对象单元包括机组A、机组B和三通管路，所述三通管路的两个输入端分别与机组A和机组B连接。

所述机组A包括风机A、空气管路A、调节阀门A和轻质小球，所述风机A的入口与空气管路A出口之间安装有调节阀门A，所述空气管路A中包含一段与地面垂直放置的透明管路，透明管路的管内放置有轻质小球，所述透明管路的两端安装有隔离装置，隔离装置可以阻挡轻质小球从透明管路的两端离开透明管路，但又不能阻碍空气管路A中的空气流动；当所述风机A通电运行时，在透明管路中产生向上的吸力，即用于托举轻质小球的托举力，当吸力等于轻质小球本身重力时，轻质小球在垂直的透明管路中处于悬浮状态，轻质小球的悬浮高度就是本实验的第一个被控变量。

所述机组B包括风机B及调节阀门B，所述风机B的入口处安装有调节阀门B。

所述三通管路包括空气管路B、空气管路C、空气管路D和三通，所述空气管路B和空气管路C一端分别与三通的两个入口连接，三通的出口与空气管路D连接，空气管路B的另一端与风机B出口连接，空气管路C的另一端与风机A出口连接；当风机A和风机B同时通电运行时，形成流经机组A和机组B的两路空气流，经过三通混合后，从空气管路D的出口排入大气，流经机组B的空气流量，即空气流速，单位为m³/h，也就是空气管路B中的空气流量是本实验的第二个被控变量。

所述执行机构单元包括电机调速装置A、阀门执行器A、电机调速装置B及阀门执行器B，所述电机调速装置A和电机调速装置B的输出端分别与风机A和风机B相连，用于调节风机A和风机B的转速，电机调速装置A和电机调速装置B的输入端分别与控制器的输出端连接，接收来自控制器的转速指令；所述阀门执行器A和阀门执行器B的输出端分别与调节阀门A和调节阀门B相连，用于调整调节阀门A和调节阀门B开度，调节阀门A和调节阀门B的输入端分别与控制器的输出端连接，接收来自控制器的阀门开度指令。

所述检测单元包括流量检测仪表、摄像机、图像传输装置及计算机，所述流量检测仪表安装在空气管路B的直管段上，并且符合流量计前后直管段的安装要求，所述流量检测仪表用于检测流经机组B的空气流量，其输出端与控制器的输入端相连；所述摄像机正对透明管路放置，用于拍摄透明管路内轻质小球的实时动态视频图像，摄像机通过图像传输装置与计算机相连，将摄像机摄到的实时动态视频图像传输给计算机，在计算机中采用图像识别程序在线识别轻质小球的位置，并转换成高度信号送至控制器。

所述透明管路的后侧设置有与摄像机正对放置，且颜色与轻质小球颜色具有明显区别的平板，用于增强轻质小球与背景之间的对比。

所述控制器用于实现并运行各种多变量控制算法；所述控制器的输入端用于接收来自计算机图像识别程序给出的处于悬浮状态的轻质小球的高度信号和流经机组B的空气流量信号；控制器的四个输出端分别与电机调速装置A、电机调速装置B、阀门执行器A和阀门执行器B的输入端相连，用于发出对被控对象的控制指令和扰动指令。控制指令来自实验者编制的多变量控制算法，扰动指令来自实验者所给出的扰动信号。

采用一种多变量开环不稳定对象的自动控制实验装置来进行多变量自动控制实验的方法，包括如下步骤：

步骤1：选择以电机A调速指令或调节阀门A开度指令作为控制量U₁，以所述轻质小球在透明管路内的高度测量值为被控变量Y₁，从而构成具有轻质小球高度的控制回路；

步骤2：在电机A调速指令和调节阀门A开度指令两者中，选择非控制量作为轻质小球高度控制回路的干扰变量V₁；

步骤3：选择以电机B调速指令或调节阀门B开度指令作为控制量U₂，以所述空气管路B的空气流量作为被控变量Y₂，从而构成具有空气流量的控制回路；

步骤4：在电机B调速指令和调节阀门B开度指令两者中，选取非控制量作为空气流量控制回路的干扰变量V₂；

步骤5：启动风机A和风机B，手动将风机A和风机B转速和调节阀门A和调节阀门B开度调整至合适的工作点，即机组A中的轻质小球上浮至透明管路的顶端，当风机A的转速或者调节阀门A的开度降低2％以上时，即轻质小球高度会下降，机组B的空气流量调整到实验者预期的数值；

步骤6：在控制器中运行多变量控制程序或多变量解耦控制程序，给出机组B的流量设定值和机组A的轻质小球高度设定值，调整控制器参数，使得闭环系统稳定，并且机组B的空气流量和机组A的轻质小球高度都保持在各自设定值处；

步骤7：闭环控制期间，施加固定的或者时变的扰动信号至干扰变量V₁和V₂上，使得闭环系统持续受到外界的干扰作用，从而可以对于多变量控制算法或者多变量解耦控制算法的抗干扰性能做出比较和评估。

本发明的有益效果：本发明针对多变量控制实验装置存在的问题，扩展并丰富了现有开环不稳定特性自动控制实验装置被控对象的种类，提出了一种多变量开环不稳定对象的自动控制实验装置及方法。采用该装置及方法进行实验，可以引入定量的持续的扰动作用，从而实现对各种多变量控制算法和多变量解耦控制算法的抗干扰性能做出客观的比较和评估，该装置既可以用于多变量系统闭环辨识实验，也可以用于进行多变量系统闭环控制实验。实验装置的运行不涉及原材料和产品，无污染排放，运行成本只有电费；不涉及高温高压，实验安全性有良好保证。

附图说明

图1本发明多变量开环不稳定对象的自动控制实验装置的被控对象单元结构示意图；

图2本发明具体实施方式的多变量开环不稳定对象的自动控制实验方法的控制原理框图；

1-轻质小球，2-空气管路A，3-空气管路B，4-空气管路C，5-空气管路D，6-风机A，7-风机B，8-调节阀门A，9-调节阀门B，10-三通。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。

如图1所示，一种多变量开环不稳定对象的自动控制实验装置，包括被控对象单元、执行机构单元、检测单元及控制器；所述被控对象单元与执行机构单元连接，控制器分别与执行机构单元和检测单元连接。

所述被控对象单元包括机组A、机组B和三通管路，所述三通管路的两个输入端分别与机组A和机组B连接。

所述机组A包括风机A6、空气管路A2、调节阀门A8和轻质小球1，所述风机A6的入口与空气管路A2出口之间安装有调节阀门A8，所述空气管路A2中包含一段与地面垂直放置的透明管路，透明管路的管内放置有轻质小球1，所述透明管路的上下端口处安装有十字金属丝，用于固定轻质小球1在管内上下移动的边界，但又不能阻碍空气管路A2中的空气流动；当所述风机A6通电运行时，在透明管路中产生向上的吸力，即用于托举轻质小球1的托举力，当吸力大小等于小球本身重力时，轻质小球1在垂直的透明管路中处于悬浮状态，轻质小球1的悬浮高度就是本实验的第一个被控变量。

所述机组B包括风机B7及调节阀门B9，所述风机B7的入口处安装有调节阀门B9。

本实施例中的风机A6和风机B7均选用型号为YE2-80M1-2的离心式风机，具体规格参数为：风压为840～760Pa；风量为2100～2300m3/h；风机A6和风机B7上的电机为三相异步鼠笼式电动机，380VAC供电，功率为0.75kw，转速为2850r/min；调节阀门A8和调节阀门B9均采用不锈钢蝶阀。空气管路A2由长度为60cm的透明亚克力有机玻璃管和长度为1米的同直径不锈钢材质钢弯管串接构成，有机玻璃管一端为空气入口，不锈钢管一端为空气出口，出口端安装在所述调节阀门A8的前端。轻质小球1采用黄色普通乒乓球，在透明管路与摄像机正对侧安装白色平板，以增强目标黄色乒乓球与背景白色平板的对比，便于图像识别。

所述三通管路10包括空气管路B3、空气管路C4、空气管路D5和三通10，所述空气管路B3和空气管路C4一端分别与三通10的两个入口焊接连接，三通10的出口与空气管路D5焊接连接，空气管路B3的另一端与风机B7出口连接，空气管路C4的另一端与风机A6出口连接；当风机A6和风机B7同时通电运行时，形成流经机组A和机组B的两路空气流，空气管路B3、空气管路C4、空气管路D5均为DN100的不锈钢管；经过三通10混合后，从空气管路D5的出口排入大气，流经机组B的空气流量，即空气流速，单位为m³/h，也就是空气管路B3中的空气流量是本实验的第二个被控变量。

所述执行机构单元包括电机调速装置A、阀门执行器A、电机调速装置B及阀门执行器B，所述电机调速装置A和电机调速装置B的输出端分别与风机A6和风机B7相连，用于调节风机A6和风机B7的转速，电机调速装置A和电机调速装置B的输入端分别与控制器的输出端连接，接收来自控制器的转速指令；所述阀门执行器A和阀门执行器B的输出端分别与调节阀门A8和调节阀门B9相连，用于调整调节阀门A8和调节阀门B9开度，调节阀门A8和调节阀门B9的输入端分别与控制器的输出端连接，接收来自控制器的阀门开度指令；所述电机调速装置A和电机调速装置B均采用型号ACS355-03E-03A3-4(380V/1.1kW)的ABB变频器；两台变频器分别与两台三相电机相连调节电机转速，其频率指令来自控制器。阀门执行器A和阀门执行器B均采用M8410M+A8005ML的电动角行程执行器，通过连杆带动各自风机入口的蝶阀的蝶板转动，从而分别调节阀门开度，其开度指令来自控制器。

所述检测单元包括流量检测仪表、摄像机、图像传输装置及计算机，所述流量检测仪表安装在空气管路B3的直管段上，并且符合流量计前后直管段的安装要求，用于检测流经机组B的空气流量，流量检测仪表的输出端与控制器的输入端连接；所述摄像机正对透明管路放置，用于拍摄透明管路内轻质小球1的实时动态视频图像，摄像机通过图像传输装置与计算机相连，在计算机中采用MATLAB语言编写的图像识别程序，经过对各帧图像进行HSV颜色分割获得二值化乒乓球图像，并经过重心计算得到乒乓球实时高度信号送至控制器，流量检测仪表采用威力巴和差压变送器，威力巴的型号为V100-05-V-R-C2NSL-PSW-89/4，差压变送器的型号为EJA110A-GMS4A-92DA，威力巴安装在空气管路B3上，威力巴的输出连接差压变送器的输入端，差压变送器的输出端连接控制器的输入端。摄像机选择HIKVISION型号为DS-U14的2K高清摄像机；图像传输装置为USB线缆；计算机为普通台式计算机或者笔记本计算机。

所述控制器用于实现并运行各种多变量控制算法；所述控制器的输入端用于接收来自计算机图像识别程序给出的处于悬浮状态的轻质小球1的高度信号和流经机组B的空气流量信号；控制器的四个输出端分别与电机调速装置A、电机调速装置B、阀门执行器A和阀门执行器B的输入端相连，用于发出对被控对象的控制指令和扰动指令。控制指令来自实验者编制的多变量控制算法，扰动指令来自实验者所选择的扰动信号。所述控制器采用Siemens S7-300系列PLC控制系统设备。

该实验装置之所以具有开环不稳定特性，其原理在于，当风机A6处于某一固定转速时且调节阀门A8处于某一固定开度时，机组A中的垂直透明管路中的空气自下而上流动产生的吸力会将其中的轻质小球1托起，而轻质小球1所受到的吸力与轻质小球1高度相关，位置越高，越靠近风机，吸力就越大，位置越低，越远离风机，吸力就越小。那么，当轻质小球1处于小球重力与风机吸力相等时，轻质小球1才会停留在悬浮状态，只要有少许的偏离，就会破坏小球自身的平衡状态，使得小球不断上升或者不断下降，这样就体现出了开环不稳定特性。

该实验装置之所以具有多变量强耦合特性，其原理在于，当风机A6和风机B7都在通电运行状态时，空气管路C4中的空气流量会受到风机A6的转速和调节阀门A8的开度的影响，空气管路B3中的空气流量会受到风机B7的转速和调节阀门B9的开度的影响，通过三通10使得两股空气汇合称为一股空气，只要两路空气中任何一路的流量发生变化，就会由于三通10的存在而导致另一路空气流量发生变化。而机组A中的小球高度的变化与空气管路C4中的空气流量密切相关。也就是说，机组A中的小球高度既受电机调速装置A和阀门执行器A的影响，也会受到电机调速装置B和阀门执行器B的影响，而机组B中的空气流量既受电机调速装置B和阀门执行器B的影响，也会受到电机调速装置A和阀门执行器A的影响，这就构成了所述的多变量强耦合特性。

如图2所示，采用一种多变量开环不稳定对象的自动控制实验装置来进行多变量自动控制实验的方法，包括如下步骤：

步骤1：选择以电机A调速指令为控制量U₁，以所述轻质小球1在垂直透明管路内的高度测量值为被控变量Y₁，从而构成具有小球高度控制回路；

步骤2：选择调节阀门A8开度指令为轻质小球1高度控制回路的干扰变量V₁；

步骤3：选择电机B调速指令为控制量U₂，以所述空气管路B3的空气流量作为被控变量Y₂，从而构成具有空气流量控制回路；

步骤4：选取调节阀门B9开度指令作为空气流量控制回路的干扰变量V₂；

步骤5：启动风机A6和风机B7，手动将风机A6和风机B7转速和调节阀门A8和调节阀门B9开度调整至合适的工作点，机组A中的轻质小球1已经上浮至垂直透明管路的顶端；当风机A6的转速降低2％以上时，即轻质小球1高度会下降，机组B的空气流量调整到实验者预期的数值，预期数值由实验者根据具体实验情况而定；

步骤6：在控制器中运行多变量控制程序，给出机组B的空气流量设定值和机组A的轻质小球1高度设定值，调整控制器参数，使得闭环系统稳定，并且机组B的空气流量Y₂和机组A的轻质小球1高度Y₁都保持在各自设定值处；保持机组A的轻质小球1高度设定值不变，同时在机组B的空气流量设定值施加方波信号，或者在机组A的轻质小球1高度设定值上值施加方波信号，同时保持机组B的空气流量设定值不变，就可以考察多变量控制算法的解耦效果；

步骤7：闭环控制期间，施加固定的或者时变的扰动信号至干扰变量V₁和V₂上，使得闭环系统持续受到外界的干扰作用，从而可以对于多变量控制算法的抗干扰性能做出比较和评估。

Claims (4)

1.一种多变量开环不稳定对象的自动控制实验装置，其特征在于，包括被控对象单元、执行机构单元、检测单元及控制器；所述被控对象单元与执行机构单元连接，控制器分别与执行机构单元和检测单元连接；

所述被控对象单元包括机组A、机组B和三通管路，所述三通管路的两个输入端分别与机组A和机组B连接；

所述机组A包括风机A、空气管路A、调节阀门A和轻质小球，所述风机A的入口与空气管路A出口之间安装有调节阀门A，所述空气管路A中包含一段与地面垂直放置的透明管路，透明管路的管内放置有轻质小球，所述透明管路的两端安装有隔离装置，当所述风机A通电运行时，在透明管路中产生向上的吸力，当吸力大小等于轻质小球本身重力时，轻质小球在垂直的透明管路中处于悬浮状态，轻质小球的悬浮高度就是本实验的第一个被控变量；

所述机组B包括风机B及调节阀门B，所述风机B的入口处安装有调节阀门B；

所述执行机构单元包括电机调速装置A、阀门执行器A、电机调速装置B及阀门执行器B，所述电机调速装置A和电机调速装置B的输出端分别与风机A和风机B相连，电机调速装置A和电机调速装置B的输入端分别与控制器的输出端连接；所述阀门执行器A和阀门执行器B的输出端分别与调节阀门A和调节阀门B相连，调节阀门A和调节阀门B的输入端分别与控制器的输出端连接；

所述检测单元包括流量检测仪表、摄像机、图像传输装置及计算机，所述流量检测仪表安装在空气管路B的直管段上；所述摄像机正对透明管路放置，用于拍摄透明管路内轻质小球的实时动态视频图像，摄像机通过图像传输装置与计算机相连，将摄像机摄到的实时动态视频图像传输给计算机，在计算机中采用图像识别程序在线识别轻质小球的位置，并转换成高度信号送至控制器。

2.根据权利要求1所述的一种多变量开环不稳定对象的自动控制实验装置，其特征在于：所述三通管路包括空气管路B、空气管路C、空气管路D和三通，所述空气管路B和空气管路C一端分别与三通的两个入口连接，三通的出口与空气管路D连接，空气管路B的另一端与风机B出口连接，空气管路C的另一端与风机A出口连接；当风机A和风机B同时通电运行时，形成流经机组A和机组B的两路空气流，经过三通混合后，从空气管路D的出口排入大气，流经机组B的空气流量，也就是空气管路B中的空气流量是本实验的第二个被控变量。

3.根据权利要求1所述的一种多变量开环不稳定对象的自动控制实验装置，其特征在于：所述透明管路的后侧设置有与摄像机正对放置，且颜色与轻质小球颜色具有明显区别的平板，用于增强轻质小球与背景之间的对比。

4.采用权利要求1所述的一种多变量开环不稳定对象的自动控制实验装置来进行多变量自动控制实验的方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1：选择以电机A调速指令或调节阀门A开度指令作为控制量U₁，以所述轻质小球在透明管路内的高度测量值为被控变量Y₁，从而构成具有轻质小球高度的控制回路；

步骤2：在电机A调速指令和调节阀门A开度指令两者中，选择非控制量作为轻质小球高度控制回路的干扰变量V₁；

步骤3：选择以电机B调速指令或调节阀门B开度指令作为控制量U₂，以所述空气管路B的空气流量作为被控变量Y₂，从而构成具有空气流量的控制回路；

步骤4：在电机B调速指令和调节阀门B开度指令两者中，选取非控制量作为空气流量控制回路的干扰变量V₂；

步骤5：启动风机A和风机B，手动将风机A和风机B转速和调节阀门A和调节阀门B开度调整至合适的工作点，即机组A中的轻质小球上浮至透明管路的顶端；

步骤6：在控制器中运行多变量控制程序或多变量解耦控制程序，给出机组B的流量设定值和机组A的轻质小球高度设定值，调整控制器参数，使得闭环系统稳定，并且机组B的空气流量和机组A的轻质小球高度都保持在各自设定值处；

步骤7：闭环控制期间，施加固定的或者时变的扰动信号至干扰变量V₁和V₂上，使得闭环系统持续受到外界的干扰作用，从而可以对于多变量控制算法或者多变量解耦控制算法的抗干扰性能做出比较和评估。

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