實際儀表和虛擬儀表綜合自動化實驗系統(tǒng)

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

關鍵詞：實際儀表 虛擬儀表 自動調節(jié)系統(tǒng)

實際儀表指的是過程參數(shù)（溫度、壓力、流量等）自動調節(jié)系統(tǒng)中的儀表，例如DDZ（電壓單元組合）系統(tǒng)儀表、單回路數(shù)字調節(jié)器等。實際儀表具有功能單一、直觀、操作簡單等特點[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(shù)據(jù)分析、圖形用戶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(shù)能自動定義、功態(tài)畫面可視性強等特點。對于儀表的教學和培訓來說，實際儀表的內容量必需的，但虛擬儀表能拓寬儀表的概念，彌補實際儀表之不足。

1 實驗系統(tǒng)的組成

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

從圖中可以看出,該系統(tǒng)可以組成以下自動調節(jié)系統(tǒng)：

（1）由實際調節(jié)器、實際變送器和實際對象組成的實際調節(jié)系統(tǒng)；

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

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

2 基于水位控制的實際儀表調節(jié)系統(tǒng)

儀表系統(tǒng)的最終目的是控制實際工業(yè)對象的過程參數(shù)。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象作為實驗對象。例如，圖2所示的水位自動調節(jié)系統(tǒng)，實際物理對象為一直立圓形玻璃管，被調參數(shù)為玻璃管中的水位，水俠的高度為0~400mm（可調節(jié)范圍為100~400）。水位的控制是通過調節(jié)位于系統(tǒng)左側的儲水杯的高度來實現(xiàn)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）可以直接輸入到實際調節(jié)器，和給定值比較后，對偏差進行PI運算。調節(jié)器的輸出（直流4~20mA）控制電動執(zhí)行器輸出軸的轉角（0~90),經(jīng)繩輪系統(tǒng)帶動儲水杯的升降，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(jié)器，再經(jīng)D/A輸入到執(zhí)行器）。被調對象的對象特性可以通過調節(jié)阻尼閥的大小來改變。系統(tǒng)的擾動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）一定量的水來實現(xiàn)。例如，當在玻璃管中突然加入一定量的水時，液位會升高，引起的水位偏差使調節(jié)器的輸出改變，通過執(zhí)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的給定值上。

3 基于PC機的虛擬儀表調節(jié)系統(tǒng)

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

由于虛擬對象庫中包含了各種各樣的具有實際背景的典型對象（如一階、二階、多階或帶遲延等），可以大大地彌補實際對象的單一性和局限性。同時，調節(jié)模塊的功能也很多，除了普通的PID調節(jié)規(guī)律之外，還有串級、前饋等。這樣可以通過虛擬調節(jié)系統(tǒng)，為名種復雜的對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，具有可視性很強的動態(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，它們分別是復位、啟動、暫停、打開、存盤、對象、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、儲水杯的升降以及執(zhí)行器輸出軸的轉角等均可動態(tài)顯示，給人一種真實的動態(tài)感；畫面左下部為虛擬調節(jié)器參數(shù)設定按鈕和工作模式設定按鈕，它們可以對調節(jié)器的和各個參數(shù)（比例帶P、積分時間TI、微分時間TD以及給定值SV等）進行設定，同時還可以對調節(jié)器的工作模式（手動、自動、正作用和反作用等）進行設置；畫面右下部為虛擬調節(jié)器控制面板模擬畫面，它不僅能以模擬的方式顯示調節(jié)器的給定值、測量值和輸出值，同時也能通過屏幕操作改變這些數(shù)值的大小；畫面右中部為趨勢記錄畫面，該畫面不僅能實時顯示調節(jié)器的輸入（測量值）和輸出信號曲線，并且能提供歷史記錄。

實際儀表和虛擬儀表相結合的過程參數(shù)自動調節(jié)系統(tǒng)實驗裝置為自動化儀表及控制專業(yè)的本科學生教學和有關專用技術人員的培訓提供了一個功能強在的實驗手段。本系統(tǒng)可以進行下實驗：

（1）實際儀表（變送器、調節(jié)器、執(zhí)行器）的在線調校；

（2）實際對象的飛升特性試驗；

（3）實際對象和虛擬對象自動調節(jié)系統(tǒng)參數(shù)整定；

（4）復雜調節(jié)系統(tǒng)的研究。