自动控制仿真实验系统设计与实践

2013-05-03王明顺

实验技术与管理 2013年5期

邸馗，王明顺

（东北大学教务处，辽宁沈阳 110004）

计算机控制系统等课程是自动化专业的骨干课程，其理论涉及面广，与实践联系紧密。在计算机控制系统等课程中，由于拖动控制和过程控制的受控对象复杂且种类繁多等，开发的实验装置成本高、周期长，而且功能单一，很难满足实验教学的要求，造成了控制理论教学与实际结合较困难，给计算机控制系统等课程的教学质量提高造成了影响。

自动控制系统仿真实验教学是利用计算机仿真技术，结合专业实验特点，通过计算机仿真软件虚拟完成实验过程的一种教学方式，是一种崭新的实验教学手段，已在许多大学的教学环节中被采用，并且控制系统仿真技术已经广泛应用于航空、航天、化工、电力、交通及制造等各种工程领域。

自动控制系统仿真实验不仅可以使学生加强课程的学习效果，而且还可为学生在理论课程的教学和毕业设计环节提供强有力的工具，可有效加强教学中的实践性教学环节，提高学生的创造性思维、解决问题和独立工作能力。

1 自动控制系统仿真简述

一个自动控制系统从宏观上讲，应由控制系统和受控对象2个部分组成，两者之间的输出与反馈的互连，构成了一个闭环的自动控制系统，如图1所示。

图1 闭环的自动控制宏观示意图

控制系统和受控对象都是自动控制系统仿真实验中需要研究的基本内容。对于自动化等专业用于自动控制系统仿真实验，依据控制系统和受控对象采用的真实与虚拟的形式不同可分为如下3种形式：

（1）无须任何硬件支撑的纯软件的计算机数字仿真实验系统（控制系统和受控对象都为虚拟的形式）；

（2）仿真系统中控制器为计算机数字仿真，受控对象（模型）为真实硬件的半实物仿真实验系统（控制系统为虚拟的形式和受控对象为真实的形式）；

（3）仿真系统中控制器为真实硬件，受控对象（模型）为计算机数字仿真的半实物仿真实验系统（控制系统为真实的形式和受控对象为虚拟的形式）。

3种不同形式的自动控制仿真实验系统具有不同的特点和各自的侧重点。

2 纯软件的计算机数字仿真实验系统

纯软件的计算机数字仿真实验教学有如下特点［1］：

（1）教学手段的先进性。仿真实验是借助于计算机软件来实施的一种教学手段，能将现代教育技术与专业实验特点有机结合。

（2）教学内容的层次性。仿真实验的教学内容能够包括各种层次的实验，充分体现出实验内容的多元化和层次性。

（3）教学过程的趣味性。兴趣是最好的老师，是学习的基础。只有形成学习的兴趣，才能激励学生刻苦学习，才能收到良好的效果。计算机技术、网络技术等本身就具有很高的趣味性，能够有效地激发学生的学习兴趣。

（4）教学成本的经济性。仿真实验只需提供一定数量的计算机和实验教学模拟仿真软件就能顺利运行，而且经久耐用、运行成本低，仿真实验能有效减少教学投资，降低教学成本。

在电子、控制类计算机数字仿真软件中最具影响的当推PSPICE和Matlab。PSPICE广泛应用于电子电路的设计，其主要特点是电气元器件模型种类齐全、模型精细，可以从事复杂精巧的大规模集成电路的设计和制造。Matlab具有强大的控制功能，用于控制系统的仿真更为方便。Matlab中的Simulink［2］工具是对各种动态系统进行建模、分析和仿真的平台。将Simulink应用于自动控制系统可以很容易构建出符合要求的模型，灵活地修改参数，方便地改变系统结构或进行转换模型［3－4］，可以得到大量的有关系统设计的充分的、直观的曲线，这使得它成为国际控制界首选的计算机仿真工具软件［5－6］。

计算机数字仿真实验过程都是由学生自身来完成，在Matlab的环境下，根据自动控制系统实验要求的内容建立起相应的控制器仿真模型和对象仿真模型，可在虚拟的控制器仿真模型和对象仿真模型上，根据需要灵活地修改相应的控制量及参数值，可在计算机上运行虚拟仿真的过程并观察仿真的结果，其仿真过程低成本、灵活、简单、快捷。

3 受控对象为真实硬件的半实物仿真实验系统

在纯软件的计算机数字仿真实验中，相应的控制器仿真模型和对象仿真模型都是根据真实控制系统抽象出来的，因此，离现实较远，仿真误差较大。当希望以真实受控硬件作为研究对象，有针对性地进行控制软件的学习以及控制理论、控制策略和控制方法的研究时，就需要一种受控对象为真实硬件、控制器为计算机数字仿真的半实物仿真实验系统。

我们所设计的受控对象为真实硬件的半实物仿真实验系统——计算机温度控制系统实验装置已在我们的实验教学中运行了多年。该装置主要由双腔体电加热炉和两种不同的控制装置分别组成。双腔体电加热炉是计算机温度控制系统的实验真实受控对象；控制装置有PC机－仪表结构控制系统和PC机－插板结构控制系统两种形式，使计算机温度控制系统可实现多种控制结构集成组态。PC机－仪表结构控制系统除可完成通常的PC机－仪表结构类温度控制实验外，还可完成网络控制等实验。PC机－插板结构控制系统除可完成通常的温度控制实验外，还可完成双腔体温度解耦控制等复杂控制算法实验。图2为PC机－仪表结构控制系统的计算机温度控制系统实验装置图。

图2 PC机－仪表结构控制系统的计算机温度控制系统实验装置

图3为PC机－插板结构控制系统的计算机温度控制系统实验装置。

计算机温度控制系统实验受控对象——双腔体电加热炉物理实验装置主要由左右分布的双腔炉体（两炉体间由一垂直的绝热及支撑材料构成）、左右各自分布的2个倒U型电加热器（各300W）、左右各自分布的2个铂电阻温度传感器、左右各自分布的2个电动风扇及通风孔（位于箱体背部，可提供扰动、负向操作等功能操作）、双腔隔离／耦合孔及自动挡板（位于两炉体间绝热挡板中部两侧）、双腔耦合度调整控制旋钮（可控制双腔间隔离／耦合通孔挡板拖动电动机的动作，可使两个工作腔间无耦合或有耦合且可调节该耦合度的大小）和使用定时控制旋钮等。双腔体电加热炉物理外观如图4所示，该加热炉是后续计算机温度控制系统实验［7－8］的多功能、灵活配置、低碳的实验受控对象。

双腔体电加热炉已被授予了中国国家发明专利。

图3 PC机－插板结构控制系统的计算机温度控制系统实验装置

图4 双腔体电加热炉物理外观图

针对真实硬件的半实物仿真实验［9］系统——计算机温度控制系统实验装置，可以利用Matlab软件进行控制理论、控制策略和控制方法的研究；也可利用各种工业组态软件进行控制理论、控制策略和控制方法的研究以及工业真实工作软件的学习。可以完成具有多种给定值功能的PID控制算法［10］实验、大林控制算法实验、史密斯预估补偿控制算法实验、分段切换控制实验、模糊控制实验、解耦控制实验、单神经元的电加热炉自适应控制实验等二十几项控制算法实验研究。

由于受控对象为真实硬件，固定不变，因此与纯软件的计算机数字仿真实验系统相比，其研究对象单一，限制了系统的使用效率。

4 控制器为真实硬件的半实物仿真实验系统

当希望以真实的控制器（如PLC控制系统）作为控制单元，有针对性地进行真实的控制器的学习时，就需要一种控制器为真实硬件的半实物仿真实验系统。为此，我们设计了一套控制器为真实实物硬件、受控对象（模型）为计算机数字仿真的半实物仿真实验系统——计算机过程工业控制系统，图5为该实验控制装置实物图。

图5 控制器为真实实物、受控对象为数字仿真实验装置控制器实物图

在该系统中，控制器为多功能PLC控制柜，它包括了西门子公司的S7－400系统、S7－400冗余系统、S7－300系统、S7－200系统和S7－1200系统等PLC控制器（系统）；受控对象具有流程直观的过程工业通用装置——锅炉等工业对象的实体模型，其中传感器、变送器、调节阀、泵等部件可直接观察，可对锅炉等多种工业对象进行数字仿真控制，并具备工业对象的设备尺寸和特性、物性参数、工艺均可自定义等功能。

我们利用控制器为真实硬件（各种PLC装置）和具备工业对象的设备尺寸和特性、物性参数、工艺均可自定义等功能的工业过程通用装置对学生进行训练基础上，进行PLC的硬件使用和PLC的各种软件编程训练，使学生采用真实的工业控制中使用的设备进行学习，实践证明，可缩短学生理论学习和工业实际应用的距离。