初俊博， 周愛(ài)軍，張 園， 高 松, 劉淑波

(海軍大連艦艇學(xué)院， 遼寧 大連 116018)

基于20-sim的控制類課程虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)研究

初俊博， 周愛(ài)軍，張 園， 高 松, 劉淑波

(海軍大連艦艇學(xué)院， 遼寧 大連 116018)

本文針對(duì)目前控制類課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)的特點(diǎn)及現(xiàn)狀，提出了一種虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的設(shè)計(jì)方案。將20-sim軟件與自動(dòng)控制類課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)相結(jié)合，建立數(shù)學(xué)模型與元件，元件與系統(tǒng)之間的有機(jī)聯(lián)系，并通過(guò)實(shí)際案例闡述虛擬平臺(tái)在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的具體應(yīng)用。該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)具有開(kāi)放性，便于開(kāi)發(fā)綜合性、自主性實(shí)驗(yàn)，同時(shí)也有助于學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。

20-sim；自動(dòng)控制；虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

0 引言

對(duì)于自動(dòng)控制相關(guān)專業(yè)，控制類課程屬于基礎(chǔ)類課程，內(nèi)容涉及大量實(shí)際元件和實(shí)驗(yàn)操作[1]。傳統(tǒng)的實(shí)物操作式的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ诫m然可以幫助學(xué)生熟悉掌握控制類課程內(nèi)容，但由于實(shí)驗(yàn)元件和實(shí)驗(yàn)設(shè)備成本高，型號(hào)固定，使得實(shí)驗(yàn)內(nèi)容受限[2]。

20-sim是荷蘭Twente大學(xué)控制實(shí)驗(yàn)室研發(fā)的、主要面向機(jī)電一體化設(shè)計(jì)的建模與仿真平臺(tái)，被廣泛應(yīng)用于航空航天、汽車、工程等多個(gè)領(lǐng)域的設(shè)計(jì)、建模和仿真中。利用仿真軟件，將實(shí)物模型轉(zhuǎn)換為虛擬模型，不但可以降低實(shí)驗(yàn)成本，更可以通過(guò)虛擬元件庫(kù)的建設(shè)，使得實(shí)驗(yàn)內(nèi)容更加的豐富[3-5]。

1 控制類實(shí)驗(yàn)課程現(xiàn)狀分析

控制類課程作為工程專業(yè)的專業(yè)基礎(chǔ)類課程，具有課程內(nèi)容貼近工程實(shí)踐、知識(shí)點(diǎn)零散等特點(diǎn)。由于教室遠(yuǎn)離工程現(xiàn)場(chǎng)，而學(xué)生又對(duì)實(shí)際的工程元件和設(shè)備缺乏了解和直觀的認(rèn)知，這些特點(diǎn)很容易造成授課過(guò)程中的“空對(duì)空”現(xiàn)象。因此，實(shí)驗(yàn)教學(xué)在自動(dòng)控制類課程教學(xué)中就顯得十分重要。

目前實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式主要有兩種，基于實(shí)物的實(shí)驗(yàn)和基于仿真編程的實(shí)驗(yàn)。

基于實(shí)物的實(shí)驗(yàn)有貼近實(shí)踐、操作性強(qiáng)、結(jié)果直觀等優(yōu)勢(shì)。學(xué)生通過(guò)實(shí)際操作，可以直觀了解元件的物理結(jié)構(gòu)、外圍接線以及不同條件下的運(yùn)行情況。但以目前的實(shí)物實(shí)驗(yàn)來(lái)說(shuō)，一是可擴(kuò)充性較差；二是儀器設(shè)備成本較高，空間需求較大。

基于仿真編程的虛擬實(shí)驗(yàn)具有實(shí)現(xiàn)靈活，擴(kuò)充性好，受場(chǎng)地限制小等特點(diǎn)，目前各大院校均加大了虛擬實(shí)驗(yàn)室建設(shè)的力度。但大多數(shù)虛擬仿真軟件都是基于數(shù)學(xué)模型對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析，缺乏工程實(shí)踐背景的學(xué)生很難將實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與實(shí)際系統(tǒng)建立起有機(jī)聯(lián)系。

2 20-sim軟件功能特點(diǎn)

20-sim是一款可以在windows和Sun-Unix操作系統(tǒng)下運(yùn)行的面向?qū)ο蟮慕：头抡嫫脚_(tái)，它的一大優(yōu)勢(shì)是它的建模方式靈活多樣，支持方塊圖、圖標(biāo)、方程式和鍵合圖等多種建模形式。20-sim自帶了內(nèi)容豐富的模型庫(kù)，同時(shí)，軟件也支持用戶建立自定義模型，并將其導(dǎo)入模型庫(kù)。

圖1所示為一個(gè)機(jī)械臂的仿真模型圖。模型圖中很直觀的用圖形表述出了組成系統(tǒng)的各個(gè)元件：機(jī)械臂的三個(gè)自由度由三個(gè)電機(jī)分別控制，系統(tǒng)輸入為三個(gè)獨(dú)立的階躍信號(hào)源。

圖1 機(jī)械臂的仿真模型

雙擊電機(jī)模型，可進(jìn)入利用電子電路元件模型建立的電機(jī)子模型界面，如圖2所示。圖2中的電阻、電容元件可以直接從電子電路元件庫(kù)中拖拽進(jìn)模型界面進(jìn)行編輯；電機(jī)模型也可以直接從電機(jī)模型庫(kù)拖拽。

圖2 電機(jī)子模型圖

雙擊圖2中的電機(jī)模型符號(hào)，進(jìn)入電機(jī)模型編輯界面，如圖3所示。從圖3中可以看出，圖2中的電機(jī)模型是利用SIDOPS+語(yǔ)言編程實(shí)現(xiàn)的。SIDOPS+語(yǔ)言是20-sim中的代碼語(yǔ)言，這種語(yǔ)言與系統(tǒng)的物理數(shù)學(xué)方程形式非常相似而且容易掌握[6]。

圖3 SIDOPS+語(yǔ)言描述的電機(jī)模型

教師可以利用軟件自帶的元件模型，以及用戶自定義模型的自由組合，制作實(shí)驗(yàn)所需的某一特定型號(hào)的元件模型，并將這些模型導(dǎo)入實(shí)驗(yàn)元件庫(kù)中，供學(xué)生實(shí)驗(yàn)時(shí)選用。

除此以外，20-sim具有強(qiáng)大的仿真顯示功能，既可以通過(guò)仿真曲線顯示某一物理量的變化過(guò)程，也可以通過(guò)3D模型，直觀地體現(xiàn)元件的運(yùn)行狀態(tài)，如圖4和圖5所示。

圖4 仿真曲線圖 圖5 3D模型

3 實(shí)驗(yàn)案例

實(shí)驗(yàn)內(nèi)容：某型隨動(dòng)系統(tǒng)原理圖如圖6所示，根據(jù)系統(tǒng)原理結(jié)構(gòu)及設(shè)計(jì)要求選擇合適的控制元件搭建系統(tǒng)，分析系統(tǒng)性能，并根據(jù)期望性能指標(biāo)設(shè)計(jì)控制器。

本實(shí)驗(yàn)除了涉及不同類型的控制元件外，還涉及到控制原理中系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)，屬于綜合性實(shí)驗(yàn)。學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中需要完成選擇元件、搭建系統(tǒng)、分析性能、設(shè)計(jì)控制器、完成控制器模塊并調(diào)試等內(nèi)容。

圖6 某型隨動(dòng)系統(tǒng)原理結(jié)構(gòu)

+在選擇元件與搭建系統(tǒng)階段，學(xué)生可以從元件庫(kù)中選擇元件模型，或者根據(jù)模型的數(shù)學(xué)物理原理建立自定義模型。再根據(jù)原理圖將元件模型搭建成系統(tǒng)。以交磁擴(kuò)大機(jī)這一元件為例，學(xué)生在課堂上已經(jīng)學(xué)習(xí)過(guò)交磁擴(kuò)大機(jī)的結(jié)構(gòu)、原理、特性以及傳遞函數(shù)等知識(shí)。在建立交磁擴(kuò)大機(jī)模型時(shí)，可以結(jié)合軟件模型庫(kù)自行選擇建模方式。

選擇一：在元件庫(kù)中選擇相應(yīng)元件模型，拖拽進(jìn)工作界面，如圖7所示。這種方式的優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)單便捷，僅需要對(duì)少數(shù)外圍參數(shù)進(jìn)行簡(jiǎn)單修改；但由于元件庫(kù)中的模型成品往往比較有限，當(dāng)系統(tǒng)需要的電機(jī)型號(hào)比較特殊的時(shí)候，往往無(wú)法找到對(duì)應(yīng)元件，同時(shí)，所使用的模型已經(jīng)封裝完成，因此對(duì)元件的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和數(shù)學(xué)關(guān)系涉及較少。綜合而言，此類選擇方法適用于初級(jí)的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)。

圖7 利用元件庫(kù)建立元件模型

選擇二：利用數(shù)學(xué)模型庫(kù)建立元件的傳遞函數(shù)模型，如圖8所示。這種方式將實(shí)際的電機(jī)抽象為數(shù)學(xué)模型，利用數(shù)學(xué)表達(dá)式描述電機(jī)的工程特性，在很大程度上擴(kuò)展了電機(jī)選擇的自由度。但是這種方式缺乏與實(shí)際元件的直觀聯(lián)系。學(xué)生找不到仿真與工程實(shí)際之間的關(guān)聯(lián)，容易導(dǎo)致學(xué)生形成一種仿真與工程實(shí)際沒(méi)有關(guān)系的誤解，因此，這種選擇方式更多用于面向已經(jīng)有相當(dāng)理論基礎(chǔ)并學(xué)有余力的學(xué)生進(jìn)行的設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)。

選擇三：根據(jù)交磁擴(kuò)大機(jī)的電磁物理學(xué)特性，從物理數(shù)學(xué)方程出發(fā)，利用SIDOPS+代碼編寫(xiě)程序，建立交磁擴(kuò)大機(jī)模型，如圖9所示。這種方式結(jié)合了以上兩種方式的優(yōu)點(diǎn)。數(shù)學(xué)物理方程反映了電機(jī)內(nèi)部電阻電容等電路元件的關(guān)系，而通過(guò)這種基礎(chǔ)的電路關(guān)系推導(dǎo)所得的輸入輸出關(guān)系就是傳遞函

圖8 傳遞函數(shù)形式建立元件模型

數(shù)。這種建模方式緊貼元件的實(shí)際電路，又具有較大的參數(shù)自由度和可設(shè)計(jì)性，既可以應(yīng)用于以測(cè)試元件性能為目的的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，又可以用于各種元件應(yīng)用、及控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)。

圖9 SIDOPS+語(yǔ)言建立元件模型

學(xué)生可以針對(duì)不同元件特點(diǎn)自行選擇建模方式建立系統(tǒng)中各個(gè)元件的仿真模型，再根據(jù)各元件之間輸入輸出關(guān)系，搭建某型隨動(dòng)系統(tǒng)仿真模型，如圖10所示。

圖10 某型隨動(dòng)系統(tǒng)

學(xué)生可利用軟件自帶的仿真分析功能對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行分析，并畫(huà)出輸出曲線圖，如圖11所示，并根據(jù)輸出響應(yīng)設(shè)計(jì)校正裝置。設(shè)計(jì)控制器對(duì)系統(tǒng)性能進(jìn)行校正的方法很多，如PID校正、超前校正、滯后校正，反饋校正，以及結(jié)合智能控制的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器、模糊控制器設(shè)計(jì)等，學(xué)生可以根據(jù)自己所掌握的知識(shí)，依據(jù)不同系統(tǒng)情況自行選擇校正方案和控制器實(shí)現(xiàn)方式。以PID控制器為例，控制器的實(shí)現(xiàn)除了可以利用傳遞函數(shù)、SIDOPS+代碼外，還可以結(jié)合自動(dòng)控制原理課程的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，利用電阻、電容、運(yùn)放自行搭建PID控制器，調(diào)節(jié)控制器參數(shù)，使其滿足性能指標(biāo)要求，如圖12所示。

圖11 校正前系統(tǒng)輸入 圖12 校正后系統(tǒng)輸出

4 結(jié)語(yǔ)

當(dāng)前，虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的建設(shè)是各大高校實(shí)驗(yàn)室建設(shè)的主流趨勢(shì)，20-sim作為一種工程類仿真軟件，在控制類實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)中具有很大優(yōu)勢(shì)，具體體現(xiàn)在：

(1)通過(guò)虛擬元件庫(kù)建設(shè)使得控制原理中的數(shù)學(xué)模型與實(shí)物有機(jī)的結(jié)合起來(lái)；通過(guò)自定義元件庫(kù)建設(shè)豐富實(shí)驗(yàn)對(duì)象，更可以引入一些成本較高的新

型元件設(shè)備，改善了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)中元件單一、著眼環(huán)節(jié)的局限性。

(2)利用軟件建模方式的多樣性，結(jié)合軟件自帶模型庫(kù)、自定義模型庫(kù)，培養(yǎng)學(xué)生的綜合性、創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)?zāi)芰?。更可以與課程設(shè)計(jì)、畢業(yè)設(shè)計(jì)相結(jié)合，培養(yǎng)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)的興趣及分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力。

(3)立足教研室教學(xué)積累成果，以各種自動(dòng)控制系統(tǒng)為基礎(chǔ)建立的元件模型庫(kù)與系統(tǒng)模型庫(kù)具有良好的直觀效果和可擴(kuò)充性。

(4)軟件本身的開(kāi)放性順應(yīng)學(xué)院建設(shè)開(kāi)放性實(shí)驗(yàn)室趨勢(shì)，同時(shí)也有利于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新性思維，構(gòu)建素質(zhì)化、能力化教育體系。

[1] 周冀馨. 自動(dòng)控制應(yīng)用設(shè)計(jì)課程的研究與探索[J]. 天津：天津職業(yè)學(xué)院聯(lián)合學(xué)報(bào), 2014, 16(9): 47-49.

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Virtual Experiment Platform of Control Courses Based on 20-Sim

CHU Jun-bo, ZHOU Ai-jun， ZHANG Yuan, GAO Song, LIU Shu-bo

(DalianNavalAcademy,Dalian116018,China)

In view of the characteristics and present situation of the current automatic control system, a design scheme of virtual experiment platform is presented. Combining the 20-sim software with the experimental teaching of automatic control, the paper establishes the organic connection between mathematical model and component, component and system, and expounds the application of virtual platform in experiment teaching. This experimental platform is open, so it is easy to develop comprehensive and independent experiments. At the same time it helps to develop students' innovation ability.

20-sim; automatic control theory; virtual experiment platform

2015-09-08;

2016-03-01

初俊博(1981-)，女，碩士，講師，主要從事自動(dòng)控制、計(jì)算機(jī)控制教學(xué)工作，E-mail：tridacna@163.com

G642.423

A

1008-0686(2016)03-0136-04