论文 基于vxi的快速闭环控制系统.doc

1、基于 VXI 的快速闭环控制系统摘要：为了适应快速闭环控制的需求，提出了基于 VXI 总线的快速 闭环控制系统的设计和应用方法，对 VXI 系 统组成、算法控制器模 块 、信号 调理和软件组态等部分进 行了具体分析。经过工业现场的应用，控制系统的控制周期达到 10ms 以内，从而可满足快速调节的应用领 域的需求。关键词：VXI 总线，快速闭环控制，组态，算法控制器1 引言目 前 ， 在 国 内 ， 在 需 要 快 速 调 节 或 精 确 控 制 的 应 用 场 合 （ 如 某 些 发 电 、 动 力 装 置 的实 时 控 制 、 快 速 加 力 加 压 装 置 的 实 时 控 制 、 大 型

2、机 床 控 制 等 等 ） ， 由 于 一 般 的 通 用 控 制系 统 不 容 易 达 到 它 的 控 制 要 求 ， 而 往 往 是 通 过 引 进 或 设 计 专 用 的 基 于 硬 件 （ 或 称 之 为 模拟 ） 的 控 制 系 统 ， 这 样 的 控 制 系 统 是 根 据 对 象 的 特 性 来 专 门 设 计 的 ， 不 具 备 通 用 性 （ 每个 对 象 就 需 要 一 套 特 定 的 控 制 系 统 ） ， 尤 其 是 当 控 制 对 象 的 特 性 发 生 变 化 时 ， 可 能 现 有的 控 制 功 能 就 适 应 不 了 新 的 控 制 要 求 ， 要 改 造 这

3、样 的 专 用 控 制 系 统 又 非 常 困 难 ， 一 般 都需 要 厂 家 的 重 新 设 计 工 作 ， 从 而 给 使 用 和 维 护 带 来 不 便 。 要 是 在 一 个 高 性 能 的 通 用 的 系统 平 台 上 通 过 模 块 化 的 搭 接 来 形 成 控 制 系 统 硬 件 ， 再 通 过 软 件 的 算 法 实 现 数 字 控 制 ， 进而 实 现 这 样 严 格 的 控 制 要 求 ， 那 么 上 面 的 问 题 就 不 成 为 问 题 了 。 这 种 控 制 系 统 通 过 下 装某 个 特 定 的 控 制 算 法 来 实 现 其 特 定 的 控 制 功 能 ，

4、因 而 通 过 不 同 的 软 件 下 装 就 能 实 现 不 同的 控 制 功 能 ， 使 系 统 的 使 用 和 维 护 变 得 非 常 灵 活 和 方 便 。 另 一 方 面 ， 由 于 平 台 的 开 放 性 ，它 可 以 融 于 整 个 大 系 统 之 中 ， 从 而 不 会 出 现 人 们 经 常 所 提 到 的 自 动 化 孤 岛 的 现 象 。由 于 快 速 调 节 或 精 确 控 制 对 控 制 系 统 的 性 能 要 求 非 常 之 高 ， 常 规 意 义 上 的 DCS 系 统往 往 都 达 不 到 要 求 。 基 于 VXI 仪 器 仪 表 总 线 的 开 放 式 平

5、台 ， 其 高 速 的 32-64 位 数 据 总 线和 多 条 硬 件 触 发 同 步 和 时 钟 信 号 总 线 ， 使 系 统 中 的 模 块 可 以 完 成 非 常 精 确 和 复 杂 的 任 务 ，在 高 端 的 测 控 仪 器 系 统 中 应 用 非 常 广 泛 。 通 过 在 不 同 的 快 速 调 节 或 精 确 控 制 应 用 领 域 中使 用 VXI 系 统 组 成 通 用 的 控 制 系 统 ， 并 结 合 DCS 系 统 的 经 验 和 方 法 ， 形 成 了 一 款 实 用 化的 VXI 快 速 闭 环 控 制 系 统 产 品 ： ViCS（ VXI High-spe

6、ed Control System） 系 统 。2 ViCS 系 统 的 软 硬 件 实 现ViCS 系 统 是 通 过 在 开 放 式 的 VXI 系 统 平 台 （ 嵌 入 式 控 制 器 或 IEEE1394 接 口 的 零 槽控 制 器 ） 上 集 成 闭 环 算 法 控 制 器 模 块 和 其 它 相 关 的 系 统 模 块 ， 形 成 系 统 的 I/O 和 系 统 调节 处 理 系 统 ， 其 外 围 与 信 号 调 理 系 统 相 连 ； 闭 环 算 法 控 制 器 模 块 和 其 它 相 关 的 系 统 模 块可 以 根 据 系 统 的 需 要 来 配 置 ； 闭 环 算 法

7、 控 制 器 模 块 内 嵌 高 速 DSP、 内 部 总 线 和 大 容 量 内存 ， 是 一 种 具 有 I/O 和 独 立 运 行 控 制 策 略 的 模 块 ， 它 通 过 模 块 内 部 的 总 线 实 现 快 速 的I/O， 并 进 行 快 速 的 过 程 控 制 ； 信 号 调 理 系 统 的 组 成 也 是 在 通 用 的 调 理 系 统 平 台 上 通 过 选择 与 测 控 对 象 相 适 应 的 调 理 模 块 ； 系 统 的 组 态 软 件 则 根 据 硬 件 的 组 成 情 况 和 控 制 的 策 略进 行 相 应 的 配 置 和 组 态 ， 从 而 组 成 一 套 实

8、 际 的 控 制 系 统 。 这 样 的 系 统 ， 软 硬 件 均 是 模 块化 的 ， 系 统 改 造 、 维 护 、 升 级 等 等 均 非 常 灵 活 、 非 常 方 便 。ViCS 系 统 的 测 控 处 理 部 分 是 在 开 放 式 的 VXI 系 统 平 台 上 集 成 闭 环 算 法 控 制 器 模 块 和其 它 相 关 的 系 统 模 块 而 成 ； 通 过 定 义 输 入 通 道 、 输 出 通 道 、 算 法 模 块 软 件 和 其 它 相 关 参数 来 确 定 特 定 的 调 节 器 功 能 。 闭 环 算 法 控 制 器 模 块 内 自 成 闭 环 控 制 回 路

9、， 每 一 块 闭 环 算法 控 制 器 模 块 的 功 能 相 当 于 一 套 32 个 控 制 回 路 的 DCS 控 制 站 ， 多 块 闭 环 算 法 控 制 器 模块 集 成 在 VXI 系 统 平 台 上 ， 通 过 VXI 总 线 实 现 相 互 间 的 同 步 和 通 信 。 此 外 ， 根 据 系 统 的需 要 ， VXI 总 线 系 统 上 还 可 以 集 成 其 它 相 关 的 模 块 ， 从 而 组 成 具 有 快 速 调 节 或 精 确 控 制性 能 ， 同 时 又 兼 顾 通 用 测 控 性 能 的 综 合 控 制 系 统 。 VXI 总 线 系 统 通 过 具 有

10、 Ethernet 或IEEE1394 接 口 的 模 件 与 操 作 监 视 计 算 机 系 统 连 接 起 来 ， 组 成 集 散 控 制 系 统 。 其 体 系 结 构如 图 1 所 示 。2.1 VXI 系 统 平 台 组 成机 箱 选 择 C 尺 寸 VXI 机 箱 ， 在 VXI 系 统 中 ， 在 其 机 箱 和 总 线 背 板 的 设 计 和 标 准 的制 定 中 ， 已 充 分 地 考 虑 了 供 电 、冷 却 、 屏 蔽 和 系 统 的 电 磁 兼 容 性能 ， 对 每 项 指 标 都 有 严 格 的 标 准 ，使 得 系 统 具 有 很 高 的 抗 干 扰 能 力和 可

11、靠 性 ， 完 全 满 足 工 业 控 制 的需 要 。 VXI 控 制 器 有 两 种 方 式 可供 选 择 ： 一 是 选 择 零 槽 控 制 器 ，通 过 IEEE1394 通 信 或 其 它 方 式 与外 控 计 算 机 连 接 ， 外 控 计 算 机 通过 零 槽 控 制 器 透 明 地 存 取 VXI 模块 的 资 源 ， 进 行 数 据 采 集 和 参 数调 节 ； 二 是 选 择 嵌 入 式 控 制 器 ，它 的 功 能 =嵌 入 式 PC+零 槽 服 务 ，嵌 入 式 PC 中 可 安 装WIN2000、 RTOS 等 操 作 系 统 ，可 完 成 外 控 计 算 机 的 所

12、 有 功 能 ，同 时 由 于 内 嵌 零 槽 服 务 ， 因 此 访问 VXI 模 块 的 数 据 更 加 快 捷 ， 但造 价 较 高 。 由 于 外 控 计 算 机 和 嵌 入 式 控 制 器 并 不 参 与 实 时 的 快 速 过 程 调 节 ， 因 此 ， 在远程操作通信接口数据服务现场操作VXI测控系 统快速调节输入/输出信号调理设备接口图 1 ViCS 系统体系结构图ViCS 系 统 中 根 据 不 同 的 系 统 要 求 ， 在 这 两 种 方 法 中 选 择 其 一 即 可 。VXI 模 块 主 要 由 回 路 算 法 控 制 器 模 块 和 其 它 功 能 模 块 组 成

13、， 根 据 系 统 的 需 要 进 行 组合 配 置 。 图 2 所 示 的 配 置 为 一 个 典 型 的 应 用 事 例 。图 2 ViCS 系统 VXI 平台组成示例2.2 闭 环 算 法 模 块在 ViCS 系 统 中 ， 闭 环 算 法 模 块 目 前 选 择 Agilent 公 司 生 产 的 E1415 模 块 或 航 天 测控 生 产 的 AMC1415， 它 是 一 种 具 有 算 法 模 块 的 过 程 回 路 控 制 器 。 在 每 一 个 闭 环 算 法 模 块中 ， 它 可 以 通 过 信 号 调 理 器 模 块 提 供 64 通 道 的 I/O， 根 据 调 理 器

14、 模 块 的 配 置 ， 这 些 I/O可 以 被 定 义 成 模 拟 量 或 数 字 量 、 同 时 可 以 被 定 义 成 输 入 或 输 出 1。 可 以 通 过 下 装 最 多32 个 算 法 来 实 现 最 多 32 个 数 字 控 制 回 路 ， 它 通 过 板 上 可 拔 插 的 信 号 调 理 模 块 实 现 32通 道 不 同 类 型 的 信 号 输 入 和 32 通 道 不 同 类 型 的 信 号 输 出 ； 它 有 一 个 内 部 的DSP（ Digital Signal Processor） 处 理 器 来 运 行 控 制 算 法 。 对 于 控 制 回 路 ， 可 以

15、 通 过两 种 方 法 来 定 义 所 需 的 算 法 ： 一 是 选 择 标 准 的 PID 模 块 ； 另 外 的 方 法 就 是 下 装 使 用 算 法编 程 语 言 编 写 的 自 己 的 算 法 。 一 旦 定 义 了 回 路 控 制 算 法 ， 该 算 法 就 成 为 一 个 子 程 序 功 能函 数 ， 当 接 收 到 触 发 信 号 并 且 在 所 有 的 输 入 通 道 都 被 扫 描 后 该 功 能 函 数 就 被 调 用 。 每 一个 闭 环 算 法 模 块 独 立 实 施 自 己 的 功 能 ， 当 应 用 的 I/O 通 道 数 量 较 大 时 可 以 使 用 多 块

16、 闭 环算 法 模 块 ， 多 块 闭 环 算 法 模 块 之 间 的 同 步 可 通 过 VXI 总 线 母 板 的 同 步 触 发 信 号 来 实 现 。下 图 3 为 控 制 器 模 块 的 工 作 流 程 图 1。2.3 信 号 调 理 系 统在 ViCS 系 统 中 ， 要 采 集 过 程 变 量 的 数 据 ， 同 时 又 要 实 时 地 输 出 信 号 来 控 制 过 程 装置 ， 现 场 的 过 程 变 量 信 号 和 调 节 装 置 能 接 收 的 信 号 可 能 与 VXI 模 块 I/O 信 号 不 一 定 完 全匹 配 ， 另 外 ， 在 这 种 精 确 的 控 制 系

17、 统 中 为 了 提 高 系 统 的 抗 干 扰 能 力 ， 往 往 需 要 将 VXI 系统 与 现 场 设 备 隔 离 起 来 并 对 信 号 进 行 滤 波 处 理 ， 由 此 ， ViCS 系 统 外 围 需 要 信 号 调 理 。 航天 测 控图 3 闭 环 算 法 模 块 的 工 作 流 程 图根 据 在 DCS 系 统 开 发 中 的 成 功 经 验 ， 结 合 VXI 应 用 的 特 点 ， 设 计 出 一 套 标 准 结 构 尺 寸 ，统 一 接 口 的 信 号 调 理 平 台 （ 参 见 图 1 所 示 ） 。 其 特 点 如 下 ：(A)、 3U 19”标 准 机 箱 ，

18、 模 块 尺 寸 同 PXI 模 块 尺 寸 ；(B)、 调 理 模 块 面 板 宽 度 可 选 4HP 、 5HP、 7HP 、 9HP 、 13HP；(C)、 调 理 机 箱 母 板 后 出 线 方 式 ， 调 理 模 块 可 方 便 拔 插 更 换 。2.4 可 组 态 的 回 路在 ViCS 系 统 中 ， 最 基 本 的 单 元 表 现 为 控 制 回 路 。 控 制 回 路 由 输 入 通 道 、 输 出 通 道 、关 联 通 道 、 控 制 算 法 、 控 制 参 数 等 等 组 成 ， 通 过 单 元 组 态 以 确 定 这 些 项 目 的 定 义 和 初 始值 ， 图 4 为

19、 回 路 组 态 的 示 例 。3 关 键 技 术快 速 调 节 或 精 确 控 制 强 调 的 是 “快 速 ”和 “准 确 ”， 因 而 确 保 控 制 系 统 满 足 这 些 条件 和 指 标 ， 是 设 计 控 制 系 统 的 关 键 之 一 。 基 于 VXI 仪 器 仪 表 总 线 的 开 放 式 平 台 ， 在 国 内外 军 用 和 民 用 的 高 端 测 控 领 域 中 的 应 用 实 践 证 明 其 性 能 完 全 满 足 快 速 闭 环 控 制 系 统 的 需要 ， 同 时 选 择 具 有 内 嵌 高 速 DSP、 高 速 内 部 总 线 、 大 容 量 内 存 、 大 容

20、 量 FIFO 和 快 速 I/O的 算 法 控 制 器 模 块 ， 可 以 达 到 每 个 回 路 的 控 制 周 期 为 10ms 以 内 ， 从 而 确 保 回 路 控 制 的快 速 性 的 要 求 。 在 系 统 联 锁 和 其 它 相 关 联 的 应 用 需 求 的 情 况 下 可 以 选 择 丰 富 的 VXI 功 能模 块 以 完 成 其 功 能 。 系 统 兼 顾 了 开 放 性 和 特 殊 功 能 的 需 求 。图 4 回 路 配 置 组 态 画 面系 统 的 维 护 方 便 性 和 可 靠 性 是 控 制 系 统 的 又 一 关 键 之 处 ， ViCS 系 统 充 分 利

21、 用 了 DCS组 态 的 概 念 和 思 想 ， 在 系 统 组 成 、 控 制 回 路 设 置 、 画 面 显 示 和 操 作 、 控 制 算 法 的 修 改 等等 特 殊 的 应 用 工 作 均 建 立 在 组 态 系 统 平 台 之 上 ， 而 组 态 系 统 平 台 是 经 过 充 分 测 试 和 验 证过 的 ， 因 而 在 具 体 的 应 用 中 ， 通 过 组 态 而 建 立 起 来 的 系 统 就 具 备 了 一 致 的 可 靠 性 和 可 维护 性 2。4 结 论利 用 开 放 的 VXI 总 线 系 统 平 台 来 搭 接 闭 环 控 制 系 统 的 核 心 部 分 ，

22、借 鉴 DCS 系 统 的 软硬 件 思 想 ， 以 开 发 快 速 的 闭 环 控 制 系 统 。 这 在 工 业 自 动 化 应 用 领 域 中 要 求 快 速 响 应 或 精确 调 节 的 场 合 下 ， 无 疑 是 一 种 很 好 的 选 择 。 经 过 工 业 现 场 的 实 际 应 用 表 明 ， 这 样 的 系 统应 用 到 快 速 响 应 或 精 确 控 制 的 场 合 下 ， 是 完 全 满 足 需 求 的 ， 并 在 经 济 性 、 可 维 护 性 和 操作 方 便 性 上 具 有 独 到 之 处 。 例 如 ， 在 某 杆 塔 的 实 验 站 的 测 控 系 统 和 某 导 弹 飞 行 实 验 模 拟测 控 系 统 中 应 用 ViCS 系 统 ， 其 闭 环 控 制 响 应 可 以 达 到 10ms， 经 过 多 个 实 际 的 系 统 应 用事 例 证 明 ： 利 用 VXI 总 线 系 统 来 组 成 开 放 式 的 快 速 调 节 或 精 确 控 制 系 统 是 可 行 的 。参 考 文 献1 Agilent E1415A Users Manual，2000.2 廖 道 文 等 ，集 散 型 控 制 系 统 的 设 计 与 应 用 M.北 京 ：清 华 大 学 出版社，1993.