实际仪表和虚拟仪表综合自动化实验系统

摘要：介绍实际仪表和实际对象以及基于计算机技术的虚拟仪表和虚拟对象共同组成的综合自动化实验系统。它既具有实际仪表和实际对象的真实性、直观性和可操作性等特点；又具有虚拟仪表和虚拟对象的参数可变范围大、综合性强以及画面操作灵活等特点。本实验系统为自动化仪表及控制专用的学习提供了一个良好的实验工具，也可以用于对有关企业的工程技术人员进行技术培训和模拟操作。

关键词：实际仪表 虚拟仪表 自动调节系统

实际仪表指的是过程参数（温度、压力、流量等）自动调节系统中的仪表，例如DDZ（电压单元组合）系统仪表、单回路数字调节器等。实际仪表具有功能单一、直观、操作简单等特点[1]；虚拟仪表是计算机资源（CPU、显示器等）、接口电路（A/D、D/A等）与数据分析、图形用户界面软件等有机结合的仪表结构[2]。虚拟仪表具有功能及参数能自动定义、功态画面可视性强等特点。对于仪表的教学和培训来说，实际仪表的内容量必需的，但虚拟仪表能拓宽仪表的概念，弥补实际仪表之不足。

1 实验系统的组成

本文介绍的由实际仪表和虚拟仪表组成的综合自动调节实验系统，既有基于工业应用的实际仪表和实际对象，又有基于计算机技术的虚拟仪表和虚拟对象。该系统可以灵活地组成调节系统，以便进行仪表、对象特性、调节器参数整定等实验和研究。图1所示为该实验系统的框图。

从图中可以看出,该系统可以组成以下自动调节系统：

（1）由实际调节器、实际变送器和实际对象组成的实际调节系统；

（2)由虚拟调节器、虚拟变送器和虚拟对象组成的虚拟调节系统；

(3)分别由实际对象和虚拟仪表或由虚拟对象和实际仪表组成的混合型调节系统。

2 基于水位控制的实际仪表调节系统

仪表系统的最终目的是控制实际工业对象的过程参数。所以对被控工业对象的研究是十分重要的，但是要把工业对象搬到实际室中来并不是一件容易的事，只能选择一些较为典型却又能小型化的对象作为实验对象。例如，图2所示的水位自动调节系统，实际物理对象为一直立圆形玻璃管，被调参数为玻璃管中的水位，水侠的高度为0~400mm（可调节范围为100~400）。水位的控制是通过调节位于系统左侧的储水杯的高度来实现的。水位高度的检测 是由设在玻璃管底部右侧的差压变送器完成的。差压变送器的输出（直流4~20mA）可以直接输入到实际调节器，和给定值比较后，对偏差进行PI运算。调节器的输出（直流4~20mA）控制电动执行器输出轴的转角（0~90),经绳轮系统带动储水杯的升降，从而使玻璃管中的水位与给定值相等（差压变送器的输出，也可以经A/D输入到虚拟调节器，再经D/A输入到执行器）。被调对象的对象特性可以通过调节阻尼阀的大小来改变。系统的扰动可以通过突然向玻璃管中加入一定量的水或者突然排出（打开排水阀）一定量的水来实现。例如，当在玻璃管中突然加入一定量的水时，液位会升高，引起的水位偏差使调节器的输出改变，通过执行器使储水杯下降，从而使玻璃管中的水位最终保持在原来的给定值上。

3 基于PC机的虚拟仪表调节系统

虚拟仪表调节系统是把实际仪表调节系统中的调节器和对象分别用相应的虚拟功能模块--调节模块和对象模块来代替。我们把它们称为虚拟调节器和虚拟对象。利用虚拟调节器和虚拟对象，可以组成虚拟仪表调节系统（但变送器和执行器是实际的）；也可以组成混合调节系统（例如：分别由虚拟调节器和实际对象或实际调节器和虚拟对象组成的调节系统）。

由于虚拟对象库中包含了各种各样的具有实际背景的典型对象（如一阶、二阶、多阶或带迟延等），可以大大地弥补实际对象的单一性和局限性。同时，调节模块的功能也很多，除了普通的PID调节规律之外，还有串级、前馈等。这样可以通过虚拟调节系统，为名种复杂的对象找出最佳的控制规律及参数。

虚拟系统是在Windows下有C语言开发的，具有可视性很强的动态画面和灵活的屏幕操作系统，如图3所示。图中，画面顶部为一组操作按钮，它们分别是复位、启动、暂停、打开、存盘、对象、参数、放大、打印、帮助和退出等；画面左中部为系统模拟流程图，该画面上玻璃管中的被控水位的变化、储水杯的升降以及执行器输出轴的转角等均可动态显示，给人一种真实的动态感；画面左下部为虚拟调节器参数设定按钮和工作模式设定按钮，它们可以对调节器的和各个参数（比例带P、积分时间TI、微分时间TD以及给定值SV等）进行设定，同时还可以对调节器的工作模式（手动、自动、正作用和反作用等）进行设置；画面右下部为虚拟调节器控制面板模拟画面，它不仅能以模拟的方式显示调节器的给定值、测量值和输出值，同时也能通过屏幕操作改变这些数值的大小；画面右中部为趋势记录画面，该画面不仅能实时显示调节器的输入（测量值）和输出信号曲线，并且能提供历史记录。

实际仪表和虚拟仪表相结合的过程参数自动调节系统实验装置为自动化仪表及控制专业的本科学生教学和有关专用技术人员的培训提供了一个功能强在的实验手段。本系统可以进行下实验：

（1）实际仪表（变送器、调节器、执行器）的在线调校；

（2）实际对象的飞升特性试验；

（3）实际对象和虚拟对象自动调节系统参数整定；

（4）复杂调节系统的研究。