基于20-sim的控制类课程虚拟实验平台研究

初俊博， 周爱军，张 园， 高 松, 刘淑波

(海军大连舰艇学院， 辽宁 大连 116018)

基于20-sim的控制类课程虚拟实验平台研究

初俊博， 周爱军，张 园， 高 松, 刘淑波

(海军大连舰艇学院， 辽宁 大连 116018)

本文针对目前控制类课程实验教学的特点及现状，提出了一种虚拟实验平台的设计方案。将20-sim软件与自动控制类课程实验教学相结合，建立数学模型与元件，元件与系统之间的有机联系，并通过实际案例阐述虚拟平台在实验教学中的具体应用。该实验平台具有开放性，便于开发综合性、自主性实验，同时也有助于学生创新能力的培养。

20-sim；自动控制；虚拟实验平台

0 引言

对于自动控制相关专业，控制类课程属于基础类课程，内容涉及大量实际元件和实验操作[1]。传统的实物操作式的实验模式虽然可以帮助学生熟悉掌握控制类课程内容，但由于实验元件和实验设备成本高，型号固定，使得实验内容受限[2]。

20-sim是荷兰Twente大学控制实验室研发的、主要面向机电一体化设计的建模与仿真平台，被广泛应用于航空航天、汽车、工程等多个领域的设计、建模和仿真中。利用仿真软件，将实物模型转换为虚拟模型，不但可以降低实验成本，更可以通过虚拟元件库的建设，使得实验内容更加的丰富[3-5]。

1 控制类实验课程现状分析

控制类课程作为工程专业的专业基础类课程，具有课程内容贴近工程实践、知识点零散等特点。由于教室远离工程现场，而学生又对实际的工程元件和设备缺乏了解和直观的认知，这些特点很容易造成授课过程中的“空对空”现象。因此，实验教学在自动控制类课程教学中就显得十分重要。

目前实验教学模式主要有两种，基于实物的实验和基于仿真编程的实验。

基于实物的实验有贴近实践、操作性强、结果直观等优势。学生通过实际操作，可以直观了解元件的物理结构、外围接线以及不同条件下的运行情况。但以目前的实物实验来说，一是可扩充性较差；二是仪器设备成本较高，空间需求较大。

基于仿真编程的虚拟实验具有实现灵活，扩充性好，受场地限制小等特点，目前各大院校均加大了虚拟实验室建设的力度。但大多数虚拟仿真软件都是基于数学模型对系统进行仿真分析，缺乏工程实践背景的学生很难将实验内容与实际系统建立起有机联系。

2 20-sim软件功能特点

20-sim是一款可以在windows和Sun-Unix操作系统下运行的面向对象的建模和仿真平台，它的一大优势是它的建模方式灵活多样，支持方块图、图标、方程式和键合图等多种建模形式。20-sim自带了内容丰富的模型库，同时，软件也支持用户建立自定义模型，并将其导入模型库。

图1所示为一个机械臂的仿真模型图。模型图中很直观的用图形表述出了组成系统的各个元件：机械臂的三个自由度由三个电机分别控制，系统输入为三个独立的阶跃信号源。

图1 机械臂的仿真模型

双击电机模型，可进入利用电子电路元件模型建立的电机子模型界面，如图2所示。图2中的电阻、电容元件可以直接从电子电路元件库中拖拽进模型界面进行编辑；电机模型也可以直接从电机模型库拖拽。

图2 电机子模型图

双击图2中的电机模型符号，进入电机模型编辑界面，如图3所示。从图3中可以看出，图2中的电机模型是利用SIDOPS+语言编程实现的。SIDOPS+语言是20-sim中的代码语言，这种语言与系统的物理数学方程形式非常相似而且容易掌握[6]。

图3 SIDOPS+语言描述的电机模型

教师可以利用软件自带的元件模型，以及用户自定义模型的自由组合，制作实验所需的某一特定型号的元件模型，并将这些模型导入实验元件库中，供学生实验时选用。

除此以外，20-sim具有强大的仿真显示功能，既可以通过仿真曲线显示某一物理量的变化过程，也可以通过3D模型，直观地体现元件的运行状态，如图4和图5所示。

图4 仿真曲线图 图5 3D模型

3 实验案例

实验内容：某型随动系统原理图如图6所示，根据系统原理结构及设计要求选择合适的控制元件搭建系统，分析系统性能，并根据期望性能指标设计控制器。

本实验除了涉及不同类型的控制元件外，还涉及到控制原理中系统分析与设计，属于综合性实验。学生在实验中需要完成选择元件、搭建系统、分析性能、设计控制器、完成控制器模块并调试等内容。

图6 某型随动系统原理结构

+在选择元件与搭建系统阶段，学生可以从元件库中选择元件模型，或者根据模型的数学物理原理建立自定义模型。再根据原理图将元件模型搭建成系统。以交磁扩大机这一元件为例，学生在课堂上已经学习过交磁扩大机的结构、原理、特性以及传递函数等知识。在建立交磁扩大机模型时，可以结合软件模型库自行选择建模方式。

选择一：在元件库中选择相应元件模型，拖拽进工作界面，如图7所示。这种方式的优点是简单便捷，仅需要对少数外围参数进行简单修改；但由于元件库中的模型成品往往比较有限，当系统需要的电机型号比较特殊的时候，往往无法找到对应元件，同时，所使用的模型已经封装完成，因此对元件的内部结构和数学关系涉及较少。综合而言，此类选择方法适用于初级的验证性实验。

图7 利用元件库建立元件模型

选择二：利用数学模型库建立元件的传递函数模型，如图8所示。这种方式将实际的电机抽象为数学模型，利用数学表达式描述电机的工程特性，在很大程度上扩展了电机选择的自由度。但是这种方式缺乏与实际元件的直观联系。学生找不到仿真与工程实际之间的关联，容易导致学生形成一种仿真与工程实际没有关系的误解，因此，这种选择方式更多用于面向已经有相当理论基础并学有余力的学生进行的设计性实验。

选择三：根据交磁扩大机的电磁物理学特性，从物理数学方程出发，利用SIDOPS+代码编写程序，建立交磁扩大机模型，如图9所示。这种方式结合了以上两种方式的优点。数学物理方程反映了电机内部电阻电容等电路元件的关系，而通过这种基础的电路关系推导所得的输入输出关系就是传递函

图8 传递函数形式建立元件模型

数。这种建模方式紧贴元件的实际电路，又具有较大的参数自由度和可设计性，既可以应用于以测试元件性能为目的的验证性实验，又可以用于各种元件应用、及控制系统的设计性实验。

图9 SIDOPS+语言建立元件模型

学生可以针对不同元件特点自行选择建模方式建立系统中各个元件的仿真模型，再根据各元件之间输入输出关系，搭建某型随动系统仿真模型，如图10所示。

图10 某型随动系统

学生可利用软件自带的仿真分析功能对系统进行分析，并画出输出曲线图，如图11所示，并根据输出响应设计校正装置。设计控制器对系统性能进行校正的方法很多，如PID校正、超前校正、滞后校正，反馈校正，以及结合智能控制的神经网络控制器、模糊控制器设计等，学生可以根据自己所掌握的知识，依据不同系统情况自行选择校正方案和控制器实现方式。以PID控制器为例，控制器的实现除了可以利用传递函数、SIDOPS+代码外，还可以结合自动控制原理课程的实验内容，利用电阻、电容、运放自行搭建PID控制器，调节控制器参数，使其满足性能指标要求，如图12所示。

图11 校正前系统输入 图12 校正后系统输出

4 结语

当前，虚拟实验平台的建设是各大高校实验室建设的主流趋势，20-sim作为一种工程类仿真软件，在控制类实验室的建设中具有很大优势，具体体现在：

(1)通过虚拟元件库建设使得控制原理中的数学模型与实物有机的结合起来；通过自定义元件库建设丰富实验对象，更可以引入一些成本较高的新

型元件设备，改善了传统实验中元件单一、着眼环节的局限性。

(2)利用软件建模方式的多样性，结合软件自带模型库、自定义模型库，培养学生的综合性、创新性实验能力。更可以与课程设计、毕业设计相结合，培养学生的自主学习的兴趣及分析问题、解决问题的能力。

(3)立足教研室教学积累成果，以各种自动控制系统为基础建立的元件模型库与系统模型库具有良好的直观效果和可扩充性。

(4)软件本身的开放性顺应学院建设开放性实验室趋势，同时也有利于培养学生的创新性思维，构建素质化、能力化教育体系。

[1] 周冀馨. 自动控制应用设计课程的研究与探索[J]. 天津：天津职业学院联合学报, 2014, 16(9): 47-49.

[2] 燕涛,朱莉,翁智. “自动控制原理”实验教学改革探索与实践[J]. 上海：实验室研究与探索, 2013, 32(11): 389-392.

[3] 王雪,柴毅,丁宝苍，等. 自动控制原理开放性实验的开发[J]. 上海：实验室研究与探索, 2011, 30(7): 242-244.

[4] 梁春辉. “自动控制原理”课程多方位教学改革与实践[J]. 北京：中国电力教育, 2013 (35): 83-84.

[5] 韦青燕,徐爱民. 基于Labview和myDAQ的自动控制原理实验软件平台开发[J]. 上海：实验室研究与探索, 2014, 33(11): 132-135.

[6] 帕孜来·马合木提,张健. 20_sim与Matlab交互实现倒立摆系统的稳定性分析_[J]. 哈尔滨：自动化技术与应用, 2009, 28(9): 11-14.

Virtual Experiment Platform of Control Courses Based on 20-Sim

CHU Jun-bo, ZHOU Ai-jun， ZHANG Yuan, GAO Song, LIU Shu-bo

(DalianNavalAcademy,Dalian116018,China)

In view of the characteristics and present situation of the current automatic control system, a design scheme of virtual experiment platform is presented. Combining the 20-sim software with the experimental teaching of automatic control, the paper establishes the organic connection between mathematical model and component, component and system, and expounds the application of virtual platform in experiment teaching. This experimental platform is open, so it is easy to develop comprehensive and independent experiments. At the same time it helps to develop students' innovation ability.

20-sim; automatic control theory; virtual experiment platform

2015-09-08;

2016-03-01

初俊博(1981-)，女，硕士，讲师，主要从事自动控制、计算机控制教学工作，E-mail：tridacna@163.com

G642.423

A

1008-0686(2016)03-0136-04