仿真实验环境的自适应控制

简介

环境仿真实验能帮助判断暴露在特定环境下的产品性能。这些仿真实验通常能检验产品的完整性，确定可操作范围，决定担保条款，以及提供安全的操作步骤。

CyboSoft是美国国家仪器有限公司（NI）的战略合作伙伴，位于美国加州的Rancho Cordova。CyboSoft为实验环境控制设备提供了突破性的无模型自适应（MFA）控制解决方案，无需重新调整控制器参数。空调室、快速热处理（RTP）设备、风洞试验，以及动态仿真和测试设备都有各自的关键控制回路。嵌入于NI LabVIEW开发环境中的MFA控制器能精确地控制这些关键回路，能自适应新的测试条件，同时免去了枯燥费时的控制器参数人工调整。

利用NI的LabVIEW实时开发环境，嵌入式MFA控制器能在PC上运行，或下载到NI的FieldPoint分布式I/O和PXI实时控制器中。使用NI的MX-2卡，该系统也能与基于VXI的系统相连，提供一种完整的实验环境自适应控制系统。

解决方案

为什么实验环境控制困难？

在产品的使用期间，必然会用在不同的环境下。为了在恶劣的环境条件下也能确保产品的质量和性能，生产制造过程中各种环境的仿真是必不可少的，例如，高温高湿到低温低湿等各种恶劣环境。需要进行环境测试的产品和系统有很多，包括发动机、涡轮机、压缩机、运动系统、汽车、飞机、航空材料、半导体设备，机械系统和机器人等等。

由于环境测试需要建立某种稳定的测试环境，因此对于一个自动控制系统来说，能控制所有关键过程变量是尤为重要的。然而，随着测试条件的频繁变化，仿真环境也要跟着变，这就意味着过程的动态特性将发生很大的变化。如果使用PID控制器来控制仿真环境，必然要频繁地人工调整控制器参数，其结果是很低的工作效率，以及时间和资源的的浪费。

MFA控制器与PID控制器的比较

下图显示了LabVIEW中2个相同的两阶过程的控制趋势图。上方是MFA控制器，下方是PID控制器。在初始阶段，两个控制器控制的都很好。此后将过程变为两阶加滞后过程，由于大滞后时间的存在，两个控制系统都开始产生振荡。由图可见MFA能很快的适应过程对象，达到很好的控制效果；而PID将继续振荡，失去控制能力。当再一次改变设定值（SP）时，MFA控制的过程将不再会产生振荡，继续其很好的控制效果。

从这个演示中可以看出SISO（单输入单输出）MFA控制器有很强的自适应能力，非常适合于仿真实验环境的控制。



SISO MFA控制器在LabVIEW中的设置

SISO MFA只需配置少量参数，包括采样时间，控制器增益Kc和过程时间常数。如下图所示：



基于NI PXI的MFA控制系统

NI的PXI产品为实现仿真实验环境控制系统提供了一个理想的硬件平台，下表列出了所需的组件和配件编号。两种选型中至少使用2个MFA控制器。也可选用NI的FieldPoint或Compact FieldPoint产品来实现这个控制系统。需要详细的产品信息和编号，请参考“pH控制”解决方案和“非线性控制”解决方案。

选项1. 远程I/O（MFA在PC上运行）

选项2. 嵌入式实时控制器（MFA在PXI上运行）

CyboSoft在LabVIEW中的嵌入式MFA控制软件

下表列出了嵌入式MFA控制软件的类型，可向CyboSoft订购。SISO（单输入单输出）MFA控制器可配置成下列MFA控制器。

• SISO MFA － 取代PID，免去了手工参数调整；
• Nonlinear MFA － 控制极端非线性过程；
• MFA pH － 控制pH过程；
• Feedforward MFA － 抑制可测的扰动；
• Anti-delay MFA － 控制大滞后过程；
• Robust MFA － 迫使过程变量维持在预定的范围。

总结

将MFA控制器用于仿真实验环境的控制是十分理想的。无需建立过程模型就意味着大大降低了开发成本，加快了产品上市时间；同样，无需人工调整控制器参数能降低操作费用，延长设备使用时间。

这个通用性好，功能强大的解决方案简便易用，不需要太多的先进控制或过程建模的知识和经验，无需建立过程模型。避免了枯燥的控制器参数人工整定，帮助用户把精力集中在研发、设计、原型开发和测试上。