摘 要 為了解決基于標(biāo)識(shí)解析的供應(yīng)鏈數(shù)字孿生教研平臺(tái)在自動(dòng)化控制方面存在的不足，以Unity 3D數(shù)字仿真系統(tǒng)為基礎(chǔ)，引入PID控制算法，通過調(diào)節(jié)比例參數(shù)Kp、積分參數(shù)Ki和微分參數(shù)Kd優(yōu)化系統(tǒng)控制效果，成功研發(fā)出一款能夠?qū)Υ罅髁窟M(jìn)行精確控制的數(shù)字孿生技術(shù)實(shí)訓(xùn)平臺(tái)。通過該平臺(tái)，學(xué)生能夠獲得更全面的理論知識(shí)和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，深入理解和掌握自動(dòng)化控制領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)，為未來從事自動(dòng)化類工作打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞 自動(dòng)化類；PID控制算法；工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)；數(shù)字孿生技術(shù)；實(shí)訓(xùn)平臺(tái)；大米供應(yīng)鏈

中圖分類號：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號：1671-489X（2024）18-0045-05

0 引言

隨著信息技術(shù)的迅猛發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)和5G等新興技術(shù)不斷涌現(xiàn)，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)也日新月異，數(shù)字化和智能化產(chǎn)業(yè)已成為企業(yè)發(fā)展的主要趨勢。在這個(gè)背景下，數(shù)字孿生技術(shù)以數(shù)字化的方式對物理世界進(jìn)行建模、仿真和優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)了對整個(gè)生命周期的詳細(xì)模擬和管理[1-2]。近年來，數(shù)字孿生技術(shù)的應(yīng)用已從航空航天領(lǐng)域擴(kuò)展到工業(yè)領(lǐng)域，西門子、通用電氣等工業(yè)巨頭紛紛推出數(shù)字孿生解決方案，為工業(yè)企業(yè)的發(fā)展提供支持[3]。

基于數(shù)字孿生技術(shù)和工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)標(biāo)識(shí)解析[4]的大米供應(yīng)鏈數(shù)字孿生教研平臺(tái)可以有效協(xié)助解決大米加工制造過程中的問題，極大地提高生產(chǎn)效率和發(fā)展速度。通過在原有的教研平臺(tái)上[5]加入PID（比例—積分—微分）控制算法，形成的實(shí)訓(xùn)平臺(tái)可通過實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)調(diào)整操作對大米流量進(jìn)行精確控制，以確保加工過程的穩(wěn)定性和精度，防止設(shè)備故障和生產(chǎn)事故，從而提高操作的效率和安全性。

近年來，自動(dòng)化實(shí)訓(xùn)作為培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐能力和創(chuàng)新精神的重要手段備受關(guān)注[6]，數(shù)字孿生技術(shù)實(shí)訓(xùn)平臺(tái)利用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)將實(shí)際系統(tǒng)模型與虛擬仿真模型相結(jié)合，為學(xué)生提供真實(shí)且高度仿真的實(shí)訓(xùn)環(huán)境和工具。學(xué)生可以在虛擬環(huán)境中進(jìn)行實(shí)際操作，通過調(diào)節(jié)PID控制算法中的比例參數(shù)Kp、積分參數(shù)Ki和微分參數(shù)Kd實(shí)現(xiàn)對大米流量的精確控制，從而加深對自動(dòng)化系統(tǒng)的理解并提升應(yīng)用能力。這樣的實(shí)踐將有助于學(xué)生更好地應(yīng)對未來工業(yè)領(lǐng)域的挑戰(zhàn)，為工業(yè)發(fā)展作出積極貢獻(xiàn)。

1 平臺(tái)模型構(gòu)建

大米供應(yīng)鏈作為食品供應(yīng)鏈中的一個(gè)典型案例，具有復(fù)雜性、精細(xì)化管理和高要求的特點(diǎn)，對供應(yīng)鏈管理和食品安全監(jiān)管提出了挑戰(zhàn)，也為其他食品及農(nóng)產(chǎn)品供應(yīng)鏈的優(yōu)化和改進(jìn)提供了經(jīng)驗(yàn)與借鑒，故本平臺(tái)以大米供應(yīng)鏈為模擬對象，構(gòu)建數(shù)字孿生模型。

本實(shí)訓(xùn)平臺(tái)采用原大米供應(yīng)鏈數(shù)字孿生教研平臺(tái)所提供的基礎(chǔ)模型，即融合幾何模型、行為模型、規(guī)則約束模型和數(shù)字孿生模型四種模型構(gòu)造的可進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測、決策控制和預(yù)測性維護(hù)的大米供應(yīng)鏈數(shù)字孿生模型。該模型參照實(shí)際大米供應(yīng)鏈全過程進(jìn)行模擬化設(shè)計(jì)，采用圓筒、傳送帶、小型碾米機(jī)等搭建大米供應(yīng)鏈實(shí)物仿真模型。其中，碾米機(jī)為加工設(shè)備，傳送帶為運(yùn)輸設(shè)備，糧倉為存儲(chǔ)產(chǎn)品和物料的設(shè)備，并且通過渲染器和碰撞器等引擎使其在視覺和效果上與物理實(shí)體保持一致。最終效果如圖1所示[7]。

2 被控對象的復(fù)雜性分析

在大米供應(yīng)鏈數(shù)字孿生系統(tǒng)中，采用基于Unity 3D開發(fā)的模型具備逼真的物理模型特性。該模型在運(yùn)行過程中模擬了現(xiàn)實(shí)世界中的實(shí)際操作過程，并反映了實(shí)際加工過程中可能出現(xiàn)的各種情況。

2.1 快速滑落現(xiàn)象

在Unity 3D的仿真中，當(dāng)一個(gè)對象在斜坡上或傾斜表面上運(yùn)動(dòng)時(shí)，其速度增加而不是保持穩(wěn)定的情況下，會(huì)出現(xiàn)大米滑落現(xiàn)象。這是由于重力會(huì)對物體產(chǎn)生一個(gè)向下的力，使物體在斜坡上產(chǎn)生一個(gè)向下的加速度，在斜坡具有一定傾角的情況下，物體在斜坡上產(chǎn)生滑動(dòng)。故在傳送帶摩擦力較小的情況下，物體的質(zhì)量、斜坡的材質(zhì)和傾角等因素共同作用于物體，會(huì)使物體發(fā)生滑落現(xiàn)象。在大米供應(yīng)鏈數(shù)字孿生系統(tǒng)中，傳送帶的傾角是25°，在傳送帶和小球的材質(zhì)不變的情況下，在傳送帶加速將大米向上運(yùn)輸?shù)倪^程中，大米會(huì)出現(xiàn)滑落現(xiàn)象，如圖2所示。

2.2 飛濺現(xiàn)象

在大米供應(yīng)鏈數(shù)字孿生系統(tǒng)中，當(dāng)傳送帶上大米較多，且傳送帶加速度過大時(shí)，會(huì)出現(xiàn)大米飛濺現(xiàn)象，如圖3所示。這種現(xiàn)象主要是由于傳送帶上大米之間的相互作用力不足以平衡傳送帶的加速度而產(chǎn)生的。這些飛出的大米無法繼續(xù)進(jìn)入碾米機(jī)進(jìn)行后續(xù)加工，有一部分可能會(huì)散落在生產(chǎn)線外，另一部分則可能直接飛到后續(xù)的成米運(yùn)輸傳送帶上，造成資源浪費(fèi)和加工效率降低的問題，還會(huì)影響供應(yīng)鏈的連續(xù)性和加工的穩(wěn)定性，對后續(xù)生產(chǎn)環(huán)節(jié)造成不可預(yù)知的影響。

2.3 堵塞現(xiàn)象與堆積現(xiàn)象

在大米供應(yīng)鏈數(shù)字孿生系統(tǒng)中，當(dāng)原米傳輸速度較快，碾米機(jī)效率未能達(dá)到要求時(shí)，會(huì)出現(xiàn)大米堵塞在進(jìn)米口的情況，此時(shí)碾米機(jī)超負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)，造成機(jī)器磨損嚴(yán)重，產(chǎn)生安全隱患，如圖4a所示。反之，若原米傳輸速度較慢，且原米出倉過快時(shí)，會(huì)出現(xiàn)原糧儲(chǔ)米平臺(tái)米粒堆積、碾米機(jī)空轉(zhuǎn)的情況，造成資源浪費(fèi)，如圖4b所示。

以上現(xiàn)象的出現(xiàn)是由于采用Unity 3D開發(fā)的大米供應(yīng)鏈數(shù)字孿生系統(tǒng)具有真實(shí)復(fù)雜的物理特性，簡單的手動(dòng)控制無法滿足精確控制需求，故需要添加PID閉環(huán)控制器對大米流量進(jìn)行精確控制。其中，PID閉環(huán)控制可以通過控制原米倉和傳送帶的速度控制將系統(tǒng)中碾米機(jī)中的大米數(shù)量控制到誤差范圍內(nèi)，并不斷調(diào)整比例、積分和微分參數(shù)，盡可能減少超調(diào)和震蕩，提高系統(tǒng)的效率、準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性，極大提升大米加工效率，避免資源浪費(fèi)，確保設(shè)備生產(chǎn)的安全性。

3 PID控制算法

3.1 PID框架設(shè)計(jì)

在原有的大米供應(yīng)鏈數(shù)字孿生系統(tǒng)上設(shè)計(jì)添加PID控制回路來調(diào)節(jié)閥門開度，從而達(dá)到控制大米流量的目的。在該回路中需要測量碾米機(jī)中大米流量（PV）與設(shè)定的大米流量值（SP），通過公式error=SP-PV計(jì)算誤差。使用PID控制算法計(jì)算控制原米倉出米速度和傳送帶速度輸出，PID控制器的輸出為誤差計(jì)算得出的一個(gè)增量值，這一增量值經(jīng)過不同的運(yùn)算之后分別得到原米倉的出米速度和傳送帶的運(yùn)輸速度，之后兩組數(shù)據(jù)分別用于原米倉和傳送帶的控制，如圖5所示。

計(jì)算PID輸出的公式為：output=Kp*error+Ki*

integral（error）+Kd*derivative（error）+last_output。其中Kp、Ki和Kd是PID控制算法的調(diào)節(jié)參數(shù)，控制誤差比例、積分和微分部分的貢獻(xiàn)。誤差的積分和微分可以通過對誤差的歷史記錄進(jìn)行積分和離散差分計(jì)算。

3.2 PID控制功能設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

3.2.1 整體設(shè)計(jì)

在Unity 3D開發(fā)平臺(tái)中使用C#編程對PID控制算法進(jìn)行代碼實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)初始化完成后，用戶在控制面板輸入必要的參數(shù)，包括進(jìn)米倉的大米數(shù)量設(shè)定值，Kp、Ki、Kd的設(shè)定值以及原米倉出米速度和傳送帶輸出速度的限定值。通過Unity 3D的全局變量獲取當(dāng)前的運(yùn)行數(shù)據(jù)，包括當(dāng)前進(jìn)米倉的大米數(shù)量、原米倉的出米速度和傳送帶的傳輸速度。然后，使用PID控制器計(jì)算增量輸出值，并根據(jù)輸出值計(jì)算出米倉和傳送帶的運(yùn)行速度，通過對比設(shè)定值判斷輸出是否超出限定范圍，若超出則進(jìn)行限幅處理，否則直接應(yīng)用于當(dāng)前控制輸出。最后，采集進(jìn)米倉中的大米數(shù)量，計(jì)算與設(shè)定值之間的誤差，并將誤差反饋給PID控制器，同時(shí)繪制圖表以輸出當(dāng)前的大米數(shù)量。通過這樣的PID控制算法實(shí)現(xiàn)，可以對大米供應(yīng)鏈中的運(yùn)輸和控制過程進(jìn)行精確地調(diào)節(jié)和控制。整體設(shè)計(jì)流程如圖6所示。

在對大米流量的PID閉環(huán)控制中，將碾米機(jī)中的大米數(shù)量作為控制變量，將每次循環(huán)采集碾米機(jī)中的大米數(shù)量與設(shè)定值進(jìn)行比較并作差作為誤差輸入。之后計(jì)算PID控制器輸出，將PID輸出用于原米倉出米速度和傳送帶傳輸速度的控制。然后對碾米機(jī)進(jìn)米倉中的大米數(shù)量進(jìn)行實(shí)時(shí)繪圖展示，方便實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)各項(xiàng)參數(shù)。最后在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中對原米倉出米速度、傳送帶傳送速度、各項(xiàng)PID的數(shù)值進(jìn)行實(shí)時(shí)采集顯示和調(diào)節(jié)，方便后續(xù)的開發(fā)與調(diào)節(jié)。

3.2.2 實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集、計(jì)算與輸出控制

在大米供應(yīng)鏈數(shù)字孿生系統(tǒng)中對碾米機(jī)中的大米數(shù)量、原米倉閥門速度、傳送帶速度進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集與展示，并將碾米機(jī)進(jìn)米倉中的數(shù)量與設(shè)定值比較作差作為控制器的輸入，控制器的輸出用于控制原米倉閥門速度和傳送帶速度。首先定義一個(gè)名為PID的類，該類具有一系列成員變量，包括誤差（err）、上一次的誤差（err_pre）、上上次的誤差（err_pre_pre）、PID輸出（Out）、PID輸出的增量（OutC）、三個(gè)參數(shù)（Kp、Ki、Kd）、時(shí)間（time）、閥門上限（limitF）、傳送帶1上限（limitC）、設(shè)定的目標(biāo)值（value），以及其他輔助變量。通過變量的采集與賦值，實(shí)現(xiàn)Unity系統(tǒng)變量和控制器內(nèi)部變量之間的數(shù)據(jù)傳輸。

在控制輸出階段，每次循環(huán)中，通過PID控制器運(yùn)算輸出后，對原米倉和傳送帶的速度進(jìn)行動(dòng)作操作，以實(shí)現(xiàn)對碾米機(jī)中大米數(shù)量的控制。同時(shí)，對輸出的控制數(shù)值進(jìn)行限幅處理，以防止速度過高導(dǎo)致不穩(wěn)定的情況。首先采集原米倉閥門速度值賦值給變量t，根據(jù)控制器輸出值運(yùn)算后得到原米倉閥門的速度值，更新原米倉閥門速度t。之后對閥門速度進(jìn)行限幅處理，限幅之后將結(jié)果賦值給原米倉閥門速度控制。之后對傳送帶1的速度進(jìn)行類似的處理：在Unity端采集傳送帶的速度值賦值給變量m，根據(jù)控制器輸出運(yùn)算得到傳送帶的速度值，限幅處理后將值更新回傳送帶的速度m。

通過以上操作，實(shí)現(xiàn)對原米倉和傳送帶速度的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)，以控制碾米機(jī)中的大米數(shù)量，并對控制數(shù)值進(jìn)行限幅處理，確保速度調(diào)節(jié)的穩(wěn)定性。在每次循環(huán)中PID控制器運(yùn)算輸出后，操作原米倉和傳送帶的速度進(jìn)行動(dòng)作，以實(shí)現(xiàn)之后碾米機(jī)中的大米數(shù)量的控制，并且對輸出的控制數(shù)值進(jìn)行限幅，防止出現(xiàn)速度過高不穩(wěn)定的情況。

3.2.3 人機(jī)交互界面設(shè)計(jì)

為方便控制參數(shù)的調(diào)節(jié)，在系統(tǒng)中設(shè)計(jì)加入圖形化操作面板。在控制面板中，可以設(shè)定碾米機(jī)中大米的數(shù)量，原米倉出米速度上限，傳送帶傳輸速度上限，比例P、積分I、微分D的設(shè)定值，極大地方便系統(tǒng)參數(shù)的調(diào)試。在圖形化面板中，首先是碾米機(jī)進(jìn)米倉大米數(shù)量的設(shè)置；其次是原米倉出米速度和傳送帶傳送速度的上限值，防止輸出過高造成事故隱患和危險(xiǎn)；再次是PID各項(xiàng)參數(shù)的輸入；最后，在每個(gè)輸入框下面都設(shè)置了微調(diào)按鍵，避免了每次調(diào)整都需要手動(dòng)輸入的煩瑣，簡便了操作流程，如圖7所示。

為方便觀察控制效果和調(diào)整參數(shù)設(shè)置，對碾米機(jī)中的大米數(shù)量進(jìn)行曲線輸出展示。首先設(shè)置開關(guān)變量作為是否輸出的標(biāo)志，通過Unity 3D插件Chart中的圖表功能代碼繪制圖表，其中圖表的橫軸為系統(tǒng)運(yùn)行的時(shí)間，縱軸為碾米機(jī)進(jìn)米倉中的大米數(shù)量，設(shè)定每次的采樣間隔為0.2個(gè)運(yùn)行周期。初始化完成后運(yùn)行系統(tǒng)，在碾米機(jī)開始運(yùn)行后進(jìn)入采集數(shù)據(jù)循環(huán)，每次采樣周期內(nèi)對碾米機(jī)內(nèi)大米數(shù)量進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，并將采集的大米數(shù)量數(shù)據(jù)作為繪制圖表的變量，對圖表的繪制進(jìn)行更新，更新時(shí)間數(shù)量信息后，進(jìn)入下一采樣周期循環(huán)。

在碾米機(jī)進(jìn)米倉數(shù)量、原米倉出米速度和傳送帶速度保持相同的情況下，不同參數(shù)的PID控制展現(xiàn)出不同的調(diào)節(jié)效果。只有Kp調(diào)節(jié)的情況下，曲線為：在Kp=1時(shí)，調(diào)節(jié)的效果在設(shè)定值上下不斷震蕩，如圖8a所示；在Kp=5時(shí)，可以看出峰值時(shí)間比Kp=1時(shí)更短，調(diào)節(jié)速度更快，如圖8b所示。

更改PID參數(shù)為PI控制，在Kp=3，Ki=0.1時(shí)，調(diào)節(jié)效果如圖9a所示。從圖中可以看出，加入積分環(huán)節(jié)調(diào)節(jié)后，超調(diào)略有上升，震蕩頻率和幅度大幅降低，震蕩呈衰減趨勢。繼續(xù)調(diào)節(jié)Ki參數(shù)，在Kp=3，Ki=0.5時(shí)，調(diào)節(jié)效果如圖9b所示。從圖中可以看出，開始進(jìn)入震蕩時(shí)，幅度稍有增加，衰減趨勢明顯增強(qiáng)。

繼續(xù)修改PID參數(shù)為比例—積分—微分控制，設(shè)置參數(shù)為Kp=3，Ki=0.3，Kd=0.1，如圖10所示，在比例—積分—微分控制器的調(diào)節(jié)作用下，峰值時(shí)間、調(diào)節(jié)時(shí)間、超調(diào)量均有一定的下降。

4 實(shí)訓(xùn)方案設(shè)計(jì)

此次設(shè)計(jì)的面向自動(dòng)化類的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)與數(shù)字孿生技術(shù)實(shí)訓(xùn)平臺(tái)旨在培養(yǎng)學(xué)生的自動(dòng)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)分析和數(shù)字孿生技術(shù)應(yīng)用等方面的實(shí)踐能力，讓學(xué)生掌握工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)和數(shù)字孿生技術(shù)的基本原理與應(yīng)用技巧，為他們未來的職業(yè)發(fā)展做好準(zhǔn)備。主要實(shí)訓(xùn)內(nèi)容分為五個(gè)階段，分別是明確目標(biāo)，理論學(xué)習(xí)、實(shí)踐操作、實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目和實(shí)訓(xùn)評估，如圖11所示。

理論學(xué)習(xí)主要是通過閱讀書本教材與教學(xué)相結(jié)合的方式進(jìn)行。實(shí)踐操作主要是使學(xué)生學(xué)習(xí)相應(yīng)軟件，學(xué)會(huì)使用機(jī)械制圖軟件建立數(shù)字孿生模型，模擬真實(shí)的環(huán)節(jié)；學(xué)習(xí)使用工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)；在實(shí)訓(xùn)平臺(tái)上通過調(diào)整參數(shù)和控制策略，優(yōu)化產(chǎn)能、質(zhì)量和效率，掌握自動(dòng)化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與優(yōu)化方法。實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目主要是讓學(xué)生基于該實(shí)訓(xùn)平臺(tái)搭建和設(shè)計(jì)大米供應(yīng)鏈數(shù)字孿生模型，實(shí)現(xiàn)包括原糧收購、傳送運(yùn)輸、原糧加工、成米倉儲(chǔ)、成米打包運(yùn)輸?shù)拳h(huán)節(jié)。學(xué)生可以根據(jù)實(shí)際情況設(shè)定參數(shù)，如Kp、Ki、Kd的設(shè)定值等，還可以通過實(shí)驗(yàn)和調(diào)試優(yōu)化控制策略，實(shí)現(xiàn)對大米供應(yīng)鏈中各環(huán)節(jié)的自動(dòng)化控制和數(shù)據(jù)監(jiān)測。實(shí)訓(xùn)評估上，學(xué)生根據(jù)實(shí)際操作情況和實(shí)驗(yàn)結(jié)果撰寫實(shí)訓(xùn)報(bào)告，總結(jié)實(shí)驗(yàn)過程和結(jié)果，分析實(shí)驗(yàn)中遇到的問題和解決方法。課程教師通過實(shí)訓(xùn)報(bào)告和實(shí)訓(xùn)表現(xiàn)評估學(xué)生的實(shí)際操作能力與理論掌握程度。

通過以上面向自動(dòng)化類的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)與數(shù)字孿生技術(shù)實(shí)訓(xùn)平臺(tái)的實(shí)訓(xùn)方案，學(xué)生能夠深入了解工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)和數(shù)字孿生技術(shù)的應(yīng)用，掌握PID控制算法的應(yīng)用技巧，鞏固相關(guān)軟件和編程技能，培養(yǎng)實(shí)踐能力和解決問題的能力，為未來從事自動(dòng)化領(lǐng)域的工作做好準(zhǔn)備。

5 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)的大米供應(yīng)鏈數(shù)字孿生實(shí)訓(xùn)平臺(tái)在原有的大米供應(yīng)鏈數(shù)字孿生教研平臺(tái)的基礎(chǔ)上，加入PID控制算法完成對大米流量的精確控制，通過調(diào)節(jié)比例參數(shù)Kp、積分參數(shù)Ki和微分參數(shù)Kd實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)控制的優(yōu)化。展望未來，基于PID控制算法的大米供應(yīng)鏈數(shù)字孿生實(shí)訓(xùn)平臺(tái)將為學(xué)生提供更加全面和具有實(shí)踐性的學(xué)習(xí)體驗(yàn)，通過該平臺(tái)的應(yīng)用與實(shí)踐，學(xué)生可以深入理解PID控制算法在實(shí)際工業(yè)場景中的應(yīng)用技巧。

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