實(shí)際儀表和虛擬儀表綜合自動(dòng)化實(shí)驗系統

摘要：介紹實(shí)際儀表和實(shí)際對象以及基于計算機技術(shù)的虛擬儀表和虛擬對象共同組成的綜合自動(dòng)化實(shí)驗系統。它既具有實(shí)際儀表和實(shí)際對象的真實(shí)性、直觀(guān)性和可操作性等特點(diǎn)；又具有虛擬儀表和虛擬對象的參數可變范圍大、綜合性強以及畫(huà)面操作靈活等特點(diǎn)。本實(shí)驗系統為自動(dòng)化儀表及控制專(zhuān)用的學(xué)習提供了一個(gè)良好的實(shí)驗工具，也可以用于對有關(guān)企業(yè)的工程技術(shù)人員進(jìn)行技術(shù)培訓和模擬操作。

關(guān)鍵詞：實(shí)際儀表 虛擬儀表 自動(dòng)調節系統

實(shí)際儀表指的是過(guò)程參數（溫度、壓力、流量等）自動(dòng)調節系統中的儀表，例如DDZ（電壓?jiǎn)卧M合）系統儀表、單回路數字調節器等。實(shí)際儀表具有功能單一、直觀(guān)、操作簡(jiǎn)單等特點(diǎn)[1]；虛擬儀表是計算機資源（CPU、顯示器等）、接口電路（A/D、D/A等）與數據分析、圖形用戶(hù)界面軟件等有機結合的儀表結構[2]。虛擬儀表具有功能及參數能自動(dòng)定義、功態(tài)畫(huà)面可視性強等特點(diǎn)。對于儀表的教學(xué)和培訓來(lái)說(shuō)，實(shí)際儀表的內容量必需的，但虛擬儀表能拓寬儀表的概念，彌補實(shí)際儀表之不足。

1 實(shí)驗系統的組成

本文介紹的由實(shí)際儀表和虛擬儀表組成的綜合自動(dòng)調節實(shí)驗系統，既有基于工業(yè)應用的實(shí)際儀表和實(shí)際對象，又有基于計算機技術(shù)的虛擬儀表和虛擬對象。該系統可以靈活地組成調節系統，以便進(jìn)行儀表、對象特性、調節器參數整定等實(shí)驗和研究。圖1所示為該實(shí)驗系統的框圖。

從圖中可以看出,該系統可以組成以下自動(dòng)調節系統：

（1）由實(shí)際調節器、實(shí)際變送器和實(shí)際對象組成的實(shí)際調節系統；

（2)由虛擬調節器、虛擬變送器和虛擬對象組成的虛擬調節系統；

(3)分別由實(shí)際對象和虛擬儀表或由虛擬對象和實(shí)際儀表組成的混合型調節系統。

2 基于水位控制的實(shí)際儀表調節系統

儀表系統的最終目的是控制實(shí)際工業(yè)對象的過(guò)程參數。所以對被控工業(yè)對象的研究是十分重要的，但是要把工業(yè)對象搬到實(shí)際室中來(lái)并不是一件容易的事，只能選擇一些較為典型卻又能小型化的對象作為實(shí)驗對象。例如，圖2所示的水位自動(dòng)調節系統，實(shí)際物理對象為一直立圓形玻璃管，被調參數為玻璃管中的水位，水俠的高度為0~400mm（可調節范圍為100~400）。水位的控制是通過(guò)調節位于系統左側的儲水杯的高度來(lái)實(shí)現的。水位高度的檢測 是由設在玻璃管底部右側的差壓變送器完成的。差壓變送器的輸出（直流4~20mA）可以直接輸入到實(shí)際調節器，和給定值比較后，對偏差進(jìn)行PI運算。調節器的輸出（直流4~20mA）控制電動(dòng)執行器輸出軸的轉角（0~90),經(jīng)繩輪系統帶動(dòng)儲水杯的升降，從而使玻璃管中的水位與給定值相等（差壓變送器的輸出，也可以經(jīng)A/D輸入到虛擬調節器，再經(jīng)D/A輸入到執行器）。被調對象的對象特性可以通過(guò)調節阻尼閥的大小來(lái)改變。系統的擾動(dòng)可以通過(guò)突然向玻璃管中加入一定量的水或者突然排出（打開(kāi)排水閥）一定量的水來(lái)實(shí)現。例如，當在玻璃管中突然加入一定量的水時(shí)，液位會(huì )升高，引起的水位偏差使調節器的輸出改變，通過(guò)執行器使儲水杯下降，從而使玻璃管中的水位最終保持在原來(lái)的給定值上。

3 基于PC機的虛擬儀表調節系統

虛擬儀表調節系統是把實(shí)際儀表調節系統中的調節器和對象分別用相應的虛擬功能模塊--調節模塊和對象模塊來(lái)代替。我們把它們稱(chēng)為虛擬調節器和虛擬對象。利用虛擬調節器和虛擬對象，可以組成虛擬儀表調節系統（但變送器和執行器是實(shí)際的）；也可以組成混合調節系統（例如：分別由虛擬調節器和實(shí)際對象或實(shí)際調節器和虛擬對象組成的調節系統）。

由于虛擬對象庫中包含了各種各樣的具有實(shí)際背景的典型對象（如一階、二階、多階或帶遲延等），可以大大地彌補實(shí)際對象的單一性和局限性。同時(shí)，調節模塊的功能也很多，除了普通的PID調節規律之外，還有串級、前饋等。這樣可以通過(guò)虛擬調節系統，為名種復雜的對象找出最佳的控制規律及參數。

虛擬系統是在Windows下有C語(yǔ)言開(kāi)發(fā)的，具有可視性很強的動(dòng)態(tài)畫(huà)面和靈活的屏幕操作系統，如圖3所示。圖中，畫(huà)面頂部為一組操作按鈕，它們分別是復位、啟動(dòng)、暫停、打開(kāi)、存盤(pán)、對象、參數、放大、打印、幫助和退出等；畫(huà)面左中部為系統模擬流程圖，該畫(huà)面上玻璃管中的被控水位的變化、儲水杯的升降以及執行器輸出軸的轉角等均可動(dòng)態(tài)顯示，給人一種真實(shí)的動(dòng)態(tài)感；畫(huà)面左下部為虛擬調節器參數設定按鈕和工作模式設定按鈕，它們可以對調節器的和各個(gè)參數（比例帶P、積分時(shí)間TI、微分時(shí)間TD以及給定值SV等）進(jìn)行設定，同時(shí)還可以對調節器的工作模式（手動(dòng)、自動(dòng)、正作用和反作用等）進(jìn)行設置；畫(huà)面右下部為虛擬調節器控制面板模擬畫(huà)面，它不僅能以模擬的方式顯示調節器的給定值、測量值和輸出值，同時(shí)也能通過(guò)屏幕操作改變這些數值的大??；畫(huà)面右中部為趨勢記錄畫(huà)面，該畫(huà)面不僅能實(shí)時(shí)顯示調節器的輸入（測量值）和輸出信號曲線(xiàn)，并且能提供歷史記錄。

實(shí)際儀表和虛擬儀表相結合的過(guò)程參數自動(dòng)調節系統實(shí)驗裝置為自動(dòng)化儀表及控制專(zhuān)業(yè)的本科學(xué)生教學(xué)和有關(guān)專(zhuān)用技術(shù)人員的培訓提供了一個(gè)功能強在的實(shí)驗手段。本系統可以進(jìn)行下實(shí)驗：

（1）實(shí)際儀表（變送器、調節器、執行器）的在線(xiàn)調校；

（2）實(shí)際對象的飛升特性試驗；

（3）實(shí)際對象和虛擬對象自動(dòng)調節系統參數整定；

（4）復雜調節系統的研究。