自動控制仿真實驗系統設計與實踐

邸 馗，王明順

（東北大學 教務處，遼寧 沈陽 110004）

計算機控制系統等課程是自動化專業的骨干課程，其理論涉及面廣，與實踐聯系緊密。在計算機控制系統等課程中，由于拖動控制和過程控制的受控對象復雜且種類繁多等，開發的實驗裝置成本高、周期長，而且功能單一，很難滿足實驗教學的要求，造成了控制理論教學與實際結合較困難，給計算機控制系統等課程的教學質量提高造成了影響。

自動控制系統仿真實驗教學是利用計算機仿真技術，結合專業實驗特點，通過計算機仿真軟件虛擬完成實驗過程的一種教學方式，是一種嶄新的實驗教學手段，已在許多大學的教學環節中被采用，并且控制系統仿真技術已經廣泛應用于航空、航天、化工、電力、交通及制造等各種工程領域。

自動控制系統仿真實驗不僅可以使學生加強課程的學習效果，而且還可為學生在理論課程的教學和畢業設計環節提供強有力的工具，可有效加強教學中的實踐性教學環節，提高學生的創造性思維、解決問題和獨立工作能力。

1 自動控制系統仿真簡述

一個自動控制系統從宏觀上講，應由控制系統和受控對象2個部分組成，兩者之間的輸出與反饋的互連，構成了一個閉環的自動控制系統，如圖1所示。

圖1 閉環的自動控制宏觀示意圖

控制系統和受控對象都是自動控制系統仿真實驗中需要研究的基本內容。對于自動化等專業用于自動控制系統仿真實驗，依據控制系統和受控對象采用的真實與虛擬的形式不同可分為如下3種形式：

（1）無須任何硬件支撐的純軟件的計算機數字仿真實驗系統（控制系統和受控對象都為虛擬的形式）；

（2）仿真系統中控制器為計算機數字仿真，受控對象（模型）為真實硬件的半實物仿真實驗系統（控制系統為虛擬的形式和受控對象為真實的形式）；

（3）仿真系統中控制器為真實硬件，受控對象（模型）為計算機數字仿真的半實物仿真實驗系統（控制系統為真實的形式和受控對象為虛擬的形式）。

3種不同形式的自動控制仿真實驗系統具有不同的特點和各自的側重點。

2 純軟件的計算機數字仿真實驗系統

純軟件的計算機數字仿真實驗教學有如下特點［1］：

（1）教學手段的先進性。仿真實驗是借助于計算機軟件來實施的一種教學手段，能將現代教育技術與專業實驗特點有機結合。

（2）教學內容的層次性。仿真實驗的教學內容能夠包括各種層次的實驗，充分體現出實驗內容的多元化和層次性。

（3）教學過程的趣味性。興趣是最好的老師，是學習的基礎。只有形成學習的興趣，才能激勵學生刻苦學習，才能收到良好的效果。計算機技術、網絡技術等本身就具有很高的趣味性，能夠有效地激發學生的學習興趣。

（4）教學成本的經濟性。仿真實驗只需提供一定數量的計算機和實驗教學模擬仿真軟件就能順利運行，而且經久耐用、運行成本低，仿真實驗能有效減少教學投資，降低教學成本。

在電子、控制類計算機數字仿真軟件中最具影響的當推PSPICE和Matlab。PSPICE廣泛應用于電子電路的設計，其主要特點是電氣元器件模型種類齊全、模型精細，可以從事復雜精巧的大規模集成電路的設計和制造。Matlab具有強大的控制功能，用于控制系統的仿真更為方便。Matlab中的Simulink［2］工具是對各種動態系統進行建模、分析和仿真的平臺。將Simulink應用于自動控制系統可以很容易構建出符合要求的模型，靈活地修改參數，方便地改變系統結構或進行轉換模型［3－4］，可以得到大量的有關系統設計的充分的、直觀的曲線，這使得它成為國際控制界首選的計算機仿真工具軟件［5－6］。

計算機數字仿真實驗過程都是由學生自身來完成，在Matlab的環境下，根據自動控制系統實驗要求的內容建立起相應的控制器仿真模型和對象仿真模型，可在虛擬的控制器仿真模型和對象仿真模型上，根據需要靈活地修改相應的控制量及參數值，可在計算機上運行虛擬仿真的過程并觀察仿真的結果，其仿真過程低成本、靈活、簡單、快捷。

3 受控對象為真實硬件的半實物仿真實驗系統

在純軟件的計算機數字仿真實驗中，相應的控制器仿真模型和對象仿真模型都是根據真實控制系統抽象出來的，因此，離現實較遠，仿真誤差較大。當希望以真實受控硬件作為研究對象，有針對性地進行控制軟件的學習以及控制理論、控制策略和控制方法的研究時，就需要一種受控對象為真實硬件、控制器為計算機數字仿真的半實物仿真實驗系統。

我們所設計的受控對象為真實硬件的半實物仿真實驗系統——計算機溫度控制系統實驗裝置已在我們的實驗教學中運行了多年。該裝置主要由雙腔體電加熱爐和兩種不同的控制裝置分別組成。雙腔體電加熱爐是計算機溫度控制系統的實驗真實受控對象；控制裝置有PC機－儀表結構控制系統和PC機－插板結構控制系統兩種形式，使計算機溫度控制系統可實現多種控制結構集成組態。PC機－儀表結構控制系統除可完成通常的PC機－儀表結構類溫度控制實驗外，還可完成網絡控制等實驗。PC機－插板結構控制系統除可完成通常的溫度控制實驗外，還可完成雙腔體溫度解耦控制等復雜控制算法實驗。圖2為PC機－儀表結構控制系統的計算機溫度控制系統實驗裝置圖。

圖2 PC機－儀表結構控制系統的計算機溫度控制系統實驗裝置

圖3為PC機－插板結構控制系統的計算機溫度控制系統實驗裝置。

計算機溫度控制系統實驗受控對象——雙腔體電加熱爐物理實驗裝置主要由左右分布的雙腔爐體（兩爐體間由一垂直的絕熱及支撐材料構成）、左右各自分布的2個倒U型電加熱器（各300W）、左右各自分布的2個鉑電阻溫度傳感器、左右各自分布的2個電動風扇及通風孔（位于箱體背部，可提供擾動、負向操作等功能操作）、雙腔隔離／耦合孔及自動擋板（位于兩爐體間絕熱擋板中部兩側）、雙腔耦合度調整控制旋鈕（可控制雙腔間隔離／耦合通孔擋板拖動電動機的動作，可使兩個工作腔間無耦合或有耦合且可調節該耦合度的大小）和使用定時控制旋鈕等。雙腔體電加熱爐物理外觀如圖4所示，該加熱爐是后續計算機溫度控制系統實驗［7－8］的多功能、靈活配置、低碳的實驗受控對象。

雙腔體電加熱爐已被授予了中國國家發明專利。

圖3 PC機－插板結構控制系統的計算機溫度控制系統實驗裝置

圖4 雙腔體電加熱爐物理外觀圖

針對真實硬件的半實物仿真實驗［9］系統——計算機溫度控制系統實驗裝置，可以利用Matlab軟件進行控制理論、控制策略和控制方法的研究；也可利用各種工業組態軟件進行控制理論、控制策略和控制方法的研究以及工業真實工作軟件的學習。可以完成具有多種給定值功能的PID控制算法［10］實驗、大林控制算法實驗、史密斯預估補償控制算法實驗、分段切換控制實驗、模糊控制實驗、解耦控制實驗、單神經元的電加熱爐自適應控制實驗等二十幾項控制算法實驗研究。

由于受控對象為真實硬件，固定不變，因此與純軟件的計算機數字仿真實驗系統相比，其研究對象單一，限制了系統的使用效率。

4 控制器為真實硬件的半實物仿真實驗系統

當希望以真實的控制器（如PLC控制系統）作為控制單元，有針對性地進行真實的控制器的學習時，就需要一種控制器為真實硬件的半實物仿真實驗系統。為此，我們設計了一套控制器為真實實物硬件、受控對象（模型）為計算機數字仿真的半實物仿真實驗系統——計算機過程工業控制系統，圖5為該實驗控制裝置實物圖。

圖5 控制器為真實實物、受控對象為數字仿真實驗裝置控制器實物圖

在該系統中，控制器為多功能PLC控制柜，它包括了西門子公司的S7－400系統、S7－400冗余系統、S7－300系統、S7－200系統和S7－1200系統等PLC控制器（系統）；受控對象具有流程直觀的過程工業通用裝置——鍋爐等工業對象的實體模型，其中傳感器、變送器、調節閥、泵等部件可直接觀察，可對鍋爐等多種工業對象進行數字仿真控制，并具備工業對象的設備尺寸和特性、物性參數、工藝均可自定義等功能。

我們利用控制器為真實硬件（各種PLC裝置）和具備工業對象的設備尺寸和特性、物性參數、工藝均可自定義等功能的工業過程通用裝置對學生進行訓練基礎上，進行PLC的硬件使用和PLC的各種軟件編程訓練，使學生采用真實的工業控制中使用的設備進行學習，實踐證明，可縮短學生理論學習和工業實際應用的距離。

5 結束語

利用計算機仿真技術，結合專業實驗特點，通過計算機仿真來完成實驗是計算機控制系統等課程的實驗教學中的重要方式。依據控制系統和受控對象采用的真實與虛擬的形式不同，分為上述的3種形式的仿真系統，各自具有明顯不同的特點，可以根據教學的不同需要采用不同形式的仿真實驗系統。

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［1］歐陽卉.加強仿真實驗教學 培養學生綜合技能［J］.商場現代化，2012（5）：105－106.

［2］邵玉斌.MATLAB／SIMULINK系統建模與仿真實例分析［M］.北京：清華大學出版社，2008.

［3］張德豐.自動控制系統設計［M］.北京：機械工業出版社，2010.

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