實(shí)際儀表和虛擬儀表綜合自動(dòng)化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

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

關(guān)鍵詞：實(shí)際儀表 虛擬儀表 自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)

實(shí)際儀表指的是過程參數(shù)（溫度、壓力、流量等）自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)中的儀表，例如DDZ（電壓?jiǎn)卧M合）系統(tǒng)儀表、單回路數(shù)字調(diào)節(jié)器等。實(shí)際儀表具有功能單一、直觀、操作簡(jiǎn)單等特點(diǎn)[1]；虛擬儀表是計(jì)算機(jī)資源（CPU、顯示器等）、接口電路（A/D、D/A等）與數(shù)據(jù)分析、圖形用戶界面軟件等有機(jī)結(jié)合的儀表結(jié)構(gòu)[2]。虛擬儀表具有功能及參數(shù)能自動(dòng)定義、功態(tài)畫面可視性強(qiáng)等特點(diǎn)。對(duì)于儀表的教學(xué)和培訓(xùn)來說，實(shí)際儀表的內(nèi)容量必需的，但虛擬儀表能拓寬儀表的概念，彌補(bǔ)實(shí)際儀表之不足。

1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)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(diào)節(jié)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，既有基于工業(yè)應(yīng)用的實(shí)際儀表和實(shí)際對(duì)象，又有基于計(jì)算機(jī)技術(shù)的虛擬儀表和虛擬對(duì)象。該系統(tǒng)可以靈活地組成調(diào)節(jié)系統(tǒng)，以便進(jìn)行儀表、對(duì)象特性、調(diào)節(jié)器參數(shù)整定等實(shí)驗(yàn)和研究。圖1所示為該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的框圖。

從圖中可以看出,該系統(tǒng)可以組成以下自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)：

（1）由實(shí)際調(diào)節(jié)器、實(shí)際變送器和實(shí)際對(duì)象組成的實(shí)際調(diào)節(jié)系統(tǒng)；

（2)由虛擬調(diào)節(jié)器、虛擬變送器和虛擬對(duì)象組成的虛擬調(diào)節(jié)系統(tǒng)；

(3)分別由實(shí)際對(duì)象和虛擬儀表或由虛擬對(duì)象和實(shí)際儀表組成的混合型調(diào)節(jié)系統(tǒng)。

2 基于水位控制的實(shí)際儀表調(diào)節(jié)系統(tǒng)

儀表系統(tǒng)的最終目的是控制實(shí)際工業(yè)對(duì)象的過程參數(shù)。所以對(duì)被控工業(yè)對(duì)象的研究是十分重要的，但是要把工業(yè)對(duì)象搬到實(shí)際室中來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(duì)象作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象。例如，圖2所示的水位自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)，實(shí)際物理對(duì)象為一直立圓形玻璃管，被調(diào)參數(shù)為玻璃管中的水位，水俠的高度為0~400mm（可調(diào)節(jié)范圍為100~400）。水位的控制是通過調(diào)節(jié)位于系統(tǒng)左側(cè)的儲(chǔ)水杯的高度來實(shí)現(xiàn)的。水位高度的檢測(cè) 是由設(shè)在玻璃管底部右側(cè)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(diào)節(jié)器，和給定值比較后，對(duì)偏差進(jìn)行PI運(yùn)算。調(diào)節(jié)器的輸出（直流4~20mA）控制電動(dòng)執(zhí)行器輸出軸的轉(zhuǎn)角（0~90),經(jīng)繩輪系統(tǒng)帶動(dòng)儲(chǔ)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(diào)節(jié)器，再經(jīng)D/A輸入到執(zhí)行器）。被調(diào)對(duì)象的對(duì)象特性可以通過調(diào)節(jié)阻尼閥的大小來改變。系統(tǒng)的擾動(dòng)可以通過突然向玻璃管中加入一定量的水或者突然排出（打開排水閥）一定量的水來實(shí)現(xiàn)。例如，當(dāng)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(diào)節(jié)器的輸出改變，通過執(zhí)行器使儲(chǔ)水杯下降，從而使玻璃管中的水位最終保持在原來的給定值上。

3 基于PC機(jī)的虛擬儀表調(diào)節(jié)系統(tǒng)

虛擬儀表調(diào)節(jié)系統(tǒng)是把實(shí)際儀表調(diào)節(jié)系統(tǒng)中的調(diào)節(jié)器和對(duì)象分別用相應(yīng)的虛擬功能模塊--調(diào)節(jié)模塊和對(duì)象模塊來代替。我們把它們稱為虛擬調(diào)節(jié)器和虛擬對(duì)象。利用虛擬調(diào)節(jié)器和虛擬對(duì)象，可以組成虛擬儀表調(diào)節(jié)系統(tǒng)（但變送器和執(zhí)行器是實(shí)際的）；也可以組成混合調(diào)節(jié)系統(tǒng)（例如：分別由虛擬調(diào)節(jié)器和實(shí)際對(duì)象或?qū)嶋H調(diào)節(jié)器和虛擬對(duì)象組成的調(diào)節(jié)系統(tǒng)）。

由于虛擬對(duì)象庫中包含了各種各樣的具有實(shí)際背景的典型對(duì)象（如一階、二階、多階或帶遲延等），可以大大地彌補(bǔ)實(shí)際對(duì)象的單一性和局限性。同時(shí)，調(diào)節(jié)模塊的功能也很多，除了普通的PID調(diào)節(jié)規(guī)律之外，還有串級(jí)、前饋等。這樣可以通過虛擬調(diào)節(jié)系統(tǒng)，為名種復(fù)雜的對(duì)象找出最佳的控制規(guī)律及參數(shù)。

虛擬系統(tǒng)是在Windows下有C語言開發(fā)的，具有可視性很強(qiáng)的動(dòng)態(tài)畫面和靈活的屏幕操作系統(tǒng)，如圖3所示。圖中，畫面頂部為一組操作按鈕，它們分別是復(fù)位、啟動(dòng)、暫停、打開、存盤、對(duì)象、參數(shù)、放大、打印、幫助和退出等；畫面左中部為系統(tǒng)模擬流程圖，該畫面上玻璃管中的被控水位的變化、儲(chǔ)水杯的升降以及執(zhí)行器輸出軸的轉(zhuǎn)角等均可動(dòng)態(tài)顯示，給人一種真實(shí)的動(dòng)態(tài)感；畫面左下部為虛擬調(diào)節(jié)器參數(shù)設(shè)定按鈕和工作模式設(shè)定按鈕，它們可以對(duì)調(diào)節(jié)器的和各個(gè)參數(shù)（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(shè)定，同時(shí)還可以對(duì)調(diào)節(jié)器的工作模式（手動(dòng)、自動(dòng)、正作用和反作用等）進(jìn)行設(shè)置；畫面右下部為虛擬調(diào)節(jié)器控制面板模擬畫面，它不僅能以模擬的方式顯示調(diào)節(jié)器的給定值、測(cè)量值和輸出值，同時(shí)也能通過屏幕操作改變這些數(shù)值的大?。划嬅嬗抑胁繛橼厔?shì)記錄畫面，該畫面不僅能實(shí)時(shí)顯示調(diào)節(jié)器的輸入（測(cè)量值）和輸出信號(hào)曲線，并且能提供歷史記錄。

實(shí)際儀表和虛擬儀表相結(jié)合的過程參數(shù)自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)裝置為自動(dòng)化儀表及控制專業(yè)的本科學(xué)生教學(xué)和有關(guān)專用技術(shù)人員的培訓(xùn)提供了一個(gè)功能強(qiáng)在的實(shí)驗(yàn)手段。本系統(tǒng)可以進(jìn)行下實(shí)驗(yàn)：

（1）實(shí)際儀表（變送器、調(diào)節(jié)器、執(zhí)行器）的在線調(diào)校；

（2）實(shí)際對(duì)象的飛升特性試驗(yàn)；

（3）實(shí)際對(duì)象和虛擬對(duì)象自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)參數(shù)整定；

（4）復(fù)雜調(diào)節(jié)系統(tǒng)的研究。