仿真技術在智能控制實驗平臺建設中的應用

徐立芳，莫宏偉

（1.哈爾濱工程大學 工程訓練中心，黑龍江 哈爾濱 150001；2.哈爾濱工程大學 自動化學院，黑龍江 哈爾濱 150001）

仿真技術以控制論、系統(tǒng)論和信息技術為基礎，通過計算機編程和系統(tǒng)模型能夠對實際或設想的系統(tǒng)進行動態(tài)實驗。上世紀50～60年代的仿真主要應用于航空、航天、電力、化工［1－2］以及其他工業(yè)過程控制［3－4］等工程技術領域。例如：采用仿真技術來縮短大型客機的設計和研制周期［5］，利用飛行仿真器在地面訓練飛行員［6］，既節(jié)省大量燃料和經(jīng)費，且不受氣象條件和場地的限制。近年，隨著科學技術的迅猛發(fā)展，仿真技術已滲透到教學與科研的各個領域，廣泛地應用在電子電路教學［7］、機械原理實驗［8］、自動控制系統(tǒng)實驗［9］、化工原理仿真［10］等實驗教學方面，在帶來巨大社會效益的同時，也創(chuàng)造了可觀的經(jīng)濟效益。

1 仿真技術在實驗教學中應用的必要性

傳統(tǒng)的自控原理實驗主要依賴實驗箱、示波器等設備，涉及到智能控制的實驗內容很少甚至為空白。一方面，智能控制理論和工程應用的迅猛發(fā)展，對控制理論實驗教學提出了增設該類實驗項目的需求；另一方面，智能控制的研究對象較復雜，控制系統(tǒng)成本較高，價格昂貴；尤其對于一些大型鍋爐、電站等復雜控制系統(tǒng)的智能控制研究，通常很難在高校實驗室環(huán)境下得到滿足。因此，利用計算機強大的數(shù)據(jù)處理能力進行仿真實驗，以此來驗證理論控制效果，通過對仿真實驗參數(shù)的輸入、實驗數(shù)據(jù)的處理、仿真圖形的觀察和分析，把抽象、難以理解的理論知識變得形象、直觀，引導學生完成智能控制理論的學習和研究。

2 仿真技術在實驗教學平臺建設中的應用

2.1 虛擬儀器實驗平臺

近年來，虛擬儀器（virtual instruments，VI）技術得到迅猛的發(fā)展［11］。虛擬儀器是將現(xiàn)有的計算機主流技術與高效靈活的軟件和高性能模塊化硬件結合在一起，建立起功能強大又靈活易變的、基于計算機的測試測量與控制系統(tǒng)，來替代傳統(tǒng)儀器的功能。虛擬儀器的硬件主要由計算機、傳感器和信號采集調理模塊構成，完成對被測信號的采集、傳送、顯示、輸出結果。軟件是虛擬儀器的核心，一般具備仿真、數(shù)據(jù)采集、儀器控制、測量分析、數(shù)據(jù)顯示等各種功能。

虛擬儀器實驗平臺［12］與真實實驗臺類似，是一個儀器設備和數(shù)據(jù)等資源的交互共享、交互控制的平臺。用戶通過應用程序模塊編程來對采集的數(shù)據(jù)進行處理；系統(tǒng)操作模塊提供了儀器與用戶的接口，用戶可通過操作界面上開關和按鈕來實現(xiàn)對虛擬儀器的操作，從而達到模擬傳統(tǒng)儀器操作的目的。實驗教學中，虛擬儀器實驗平臺通常擁有一個器材欄或器材庫（儀器、設備、材料庫），用于各類虛擬實驗器材的管理。學生可以把器材從器材欄中移到實驗臺上，或者從實驗臺上把器材收回到器材欄。利用虛擬儀器實驗平臺提供器材，學生可自由搭建任意合理的典型實驗，自己動手配置、連接、調節(jié)；此外，虛擬儀器實驗平臺也為學生自由搭建實驗模型提供了可能，自主設計實驗，滿足了部分科研需求。通過虛擬實驗平臺動手操作，有利于培養(yǎng)學生的設計能力和創(chuàng)新意識。

2.2 系統(tǒng)仿真實驗平臺

本文所指的系統(tǒng)仿真實驗平臺，僅指利用計算機編寫程序，模擬實驗進程和行為的仿真實驗軟件平臺。由于不涉及到硬件，相對于虛擬儀器這種實驗方式更為方便靈活、經(jīng)濟適用。最早的系統(tǒng)仿真實驗平臺多應用于系統(tǒng)設計階段，利用計算機進行數(shù)學仿真實驗，修改、變換模型比較經(jīng)濟方便。而在實物研制階段，再用研制的實物或子系統(tǒng)去代替計算機仿真模型，進行價格昂貴的物理實驗。近年，系統(tǒng)仿真的一個重要發(fā)展趨勢是與人工智能技術的結合，這為系統(tǒng)仿真技術在智能控制實驗中的應用提供了源動力。

MATLAB軟件是目前系統(tǒng)仿真最流行的輔助工具［13］，由美國 Math Works公司推出，主要用于算法開發(fā)、數(shù)據(jù)可視化、數(shù)據(jù)分析和數(shù)值計算的高級計算語言和交互式環(huán)境。它提供了智能控制相關的模糊邏輯、神經(jīng)網(wǎng)絡等工具箱，現(xiàn)已成為實驗教學和科研中常用工具。利用MATLAB軟件對控制系統(tǒng)進行仿真實驗，軟件平臺具有數(shù)據(jù)顯示和采集窗口，能夠對控制系統(tǒng)狀態(tài)量進行實時顯示，采集關鍵控制點數(shù)據(jù)；通過控制參數(shù)和變量輸入窗口輸入，對控制系統(tǒng)狀態(tài)進行調節(jié)；此外，平臺還應具有控制模式選擇窗口、系統(tǒng)響應曲線顯示窗口、圖像輸出與打印、實驗數(shù)據(jù)對比、輔助分析等功能。

3 仿真技術對智能控制實驗教學的促進作用

3.1 增添新的實驗項目，緩解實驗經(jīng)費短缺問題

計算機仿真技術應用到控制實驗教學過程中，在一定程度上可以解決高校實驗室經(jīng)費不足導致實驗項目缺失的問題，是未來實驗教學改革的方向。虛擬儀器和系統(tǒng)仿真可以虛擬或仿真大型復雜控制系統(tǒng)，保證前期實驗教學和科研及時開展，所獲取的實驗結果對后期實物性試驗具有指導意義。

3.2 輔助學習，提高專業(yè)理論的認知、理解和深化

控制理論知識較抽象，學習存在難度。系統(tǒng)仿真實驗可以提供形象直觀、內容豐富的學習環(huán)境，通過觀察窗口可以實時觀測到實驗狀態(tài)，及時調整控制參數(shù)，將專業(yè)知識通過應用與實踐之后進行重構，提高專業(yè)理論的認知、理解和深化。

3.3 訓練學生初步掌握正確的科學研究方法

以作者開發(fā)的“智能旋翼航空飛行器仿真實驗平臺”為例，以四旋翼航空飛行器為實驗對象，采用VC＋＋進行軟件平臺主控界面的開發(fā)，利用VC＋＋與MATLAB接口技術，調用MATLAB算法仿真數(shù)據(jù)，并以圖形窗口的形式顯示（見圖1—圖4），增設新的實驗項目與實驗內容。

圖1 遺傳算法與免疫算法優(yōu)化的PID控制仿真

學生通過用戶界面輸入相應的控制參數(shù)，在圖形窗口觀察各類智能控制器的控制效果，學習相關智能控制理論。該平臺提供了多種智能控制器和控制案例，涵蓋智能控制基本理論方法（包括：模糊、神經(jīng)網(wǎng)絡、遺傳算法、免疫算法等），通過旋翼飛行器智能控制仿真實驗，學生針對實驗中出現(xiàn)的控制現(xiàn)象差異情況提出問題，分析產(chǎn)生原因，獲得科研結論。

圖2 飛行器姿態(tài)控制選擇

圖3 PID控制＼免疫控制＼神經(jīng)網(wǎng)絡控制＼模糊控制的仿真結果對比

圖4 模糊工具箱

通過實驗課程的引導，使學生初步掌握“建模、仿真、控制實驗、觀察和對比、比較研究、科研結論獲取、撰寫科研論文”等正確的科學研究方法與程序；該仿真實驗平臺還配有詳細的實驗與操作手冊，所有仿真文件提供源代碼，共計72個m文件。

4 系統(tǒng)仿真網(wǎng)絡實驗平臺是智能控制實驗教學平臺建設的新模式

系統(tǒng)仿真網(wǎng)絡實驗平臺是高校網(wǎng)絡課堂建設的一項重要內容。充分利用校園網(wǎng)交互功能，仿真技術結合網(wǎng)絡技術，提供網(wǎng)絡實驗項目，成為未來智能控制實驗教學發(fā)展的一種新型教學模式。

4.1 解決了課堂有限實驗時間和實驗耗時的矛盾

智能控制系統(tǒng)一些實驗，例如：系統(tǒng)控制參數(shù)優(yōu)化實驗，通常采用遺傳算法等進化方式，系統(tǒng)模型運算需要耗費大量的時間，僅靠課堂實驗時間無法完成。應用系統(tǒng)仿真網(wǎng)絡平臺，可以在課下進行實驗，解決了智能控制實驗數(shù)據(jù)運算量大，計算耗時的問題。

4.2 令更多的實驗室資源得以共享和開放

系統(tǒng)仿真網(wǎng)絡實驗平臺的建設給高校開放實驗室提供了網(wǎng)絡開放的新模式?；谛@網(wǎng)絡，很多實驗可以通過網(wǎng)絡平臺完成，不受時間、地點限制，使實驗室真正做到24小時開放。

4.3 使預約實驗、自主選擇實驗真正成為可能

網(wǎng)絡平臺仿真實驗在不增加教師工作量的情況下，給更多學科專業(yè)學生選修實驗的機會。每學期初，學生根據(jù)開放實驗室網(wǎng)絡公布的實驗題目列表，選擇自己感興趣的實驗題目，預約實驗項目，利用系統(tǒng)仿真網(wǎng)絡實驗平臺完成相關實驗，實驗完畢通過網(wǎng)絡可隨時查看自己各項實驗記錄和實驗成績。

5 結束語

通過實驗教學活動表明，將仿真技術用于智能控制實驗教學中可以促進學生對理論知識的深入理解和學習，學生通過人機對話界面輸入控制量，間接參與了智能控制系統(tǒng)仿真實驗的設計，變被動學習為主動思考，進而培養(yǎng)學生獨立分析問題和解決問題的能力。此外，有條件的情況下，應同時開展物理實驗和仿真實驗，互相彌補缺失，教學效果提高明顯。

（References）

［1］王超，唐倩，趙欣.安全仿真技術在石油化工過程中的應用［J］.科協(xié)論壇：下半月，2007（7）：7.

［2］Stone，Robert J.Evolution of aerospace simulation：From immersive Virtual Reality to serious games［C］.Proceedings of 5th International Conference on Recent Advances in Space Technologies，Istanbul：IEEE press，2011.

［3］Kocian，Jiri.Application of modeling and simulation techniques for technology units in industrial control［C］.Advances in Intelligent and Soft Computing，Heidberg：Springer，2012.

［4］劉文仲，李君，郭強.基于PC服務器的過程控制計算機系統(tǒng)在冶金工業(yè)過程控制中的發(fā)展趨勢［C］／／張福興.第十一屆全國自動化應用技術學術交流會論文集.北京：冶金自動化，2006（增刊）：23－25.

［5］周寧.仿真與航空試驗技術［J］.測控技術，1994，13（4）：3－5.

［6］李慧，吳軍輝，張文攀，等.激光制導武器角度欺騙干擾半實物仿真系統(tǒng)設計的探討［J］.光電技術，2011，3（2）：37－41.

［7］林麗娜.仿真技術在電子電路教學中的應用［J］.機電信息，2010（18）：166－167.

［8］盧梅，李威，邱麗芳.虛擬仿真實驗技術在機械原理實驗教學中的應用研究［J］.儀器儀表用戶，2006，13（4）：25－26.

［9］寸巧萍.自動控制系統(tǒng)實驗教學中的仿真技術應用［J］.實驗科學與技術，2007，5（2）：51－53.

［10］王小紅，張可，孫中亮，等.化工原理仿真實驗技術的應用研究［J］.實驗科學與技術，2007，5（4）：78－80.

［11］Wei Jiang，Wenlong Hu，F(xiàn)ang Yuan.Design of laboratory based on Virtual Instrument Technology［C］，Proceedings of ETP／IITA Conference on System Science and Simulation in Engineering，Heidberg：Springer，2010.

［12］張夢麟，李念強，王正生.基于LabWindows／CVI網(wǎng)絡虛擬儀器實驗平臺設計［J］.計算機技術與發(fā)展，2008，18（2）：213－215

［13］Hengyuan Zhang，Wei Xiong，Pengshan Fan.HLA based highperformance visualion with MATLAB seamlessly embedded［C］.Proceedings of 4th International Conference on Computer Modeling and Simulation，Heidberg：Springer，2012.