基于20-sim的控制類課程虛擬實驗平臺研究

初俊博， 周愛軍，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驗平臺研究

初俊博， 周愛軍，張 園， 高 松, 劉淑波

(海軍大連艦艇學(xué)院， 遼寧 大連 116018)

本文針對目前控制類課程實驗教學(xué)的特點及現(xiàn)狀，提出了一種虛擬實驗平臺的設(shè)計方案。將20-sim軟件與自動控制類課程實驗教學(xué)相結(jié)合，建立數(shù)學(xué)模型與元件，元件與系統(tǒng)之間的有機聯(lián)系，并通過實際案例闡述虛擬平臺在實驗教學(xué)中的具體應(yīng)用。該實驗平臺具有開放性，便于開發(fā)綜合性、自主性實驗，同時也有助于學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。

20-sim；自動控制；虛擬實驗平臺

0 引言

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

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

1 控制類實驗課程現(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)容貼近工程實踐、知識點零散等特點。由于教室遠離工程現(xiàn)場，而學(xué)生又對實際的工程元件和設(shè)備缺乏了解和直觀的認知，這些特點很容易造成授課過程中的“空對空”現(xiàn)象。因此，實驗教學(xué)在自動控制類課程教學(xué)中就顯得十分重要。

目前實驗教學(xué)模式主要有兩種，基于實物的實驗和基于仿真編程的實驗。

基于實物的實驗有貼近實踐、操作性強、結(jié)果直觀等優(yōu)勢。學(xué)生通過實際操作，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行情況。但以目前的實物實驗來說，一是可擴充性較差；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驗具有實現(xiàn)靈活，擴充性好，受場地限制小等特點，目前各大院校均加大了虛擬實驗室建設(shè)的力度。但大多數(shù)虛擬仿真軟件都是基于數(shù)學(xué)模型對系統(tǒng)進行仿真分析，缺乏工程實踐背景的學(xué)生很難將實驗內(nèi)容與實際系統(tǒng)建立起有機聯(lián)系。

2 20-sim軟件功能特點

20-sim是一款可以在windows和Sun-Unix操作系統(tǒng)下運行的面向?qū)ο蟮慕：头抡嫫脚_，它的一大優(yōu)勢是它的建模方式靈活多樣，支持方塊圖、圖標、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，同時，軟件也支持用戶建立自定義模型，并將其導(dǎo)入模型庫。

圖1所示為一個機械臂的仿真模型圖。模型圖中很直觀的用圖形表述出了組成系統(tǒng)的各個元件：機械臂的三個自由度由三個電機分別控制，系統(tǒng)輸入為三個獨立的階躍信號源。

圖1 機械臂的仿真模型

雙擊電機模型，可進入利用電子電路元件模型建立的電機子模型界面，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中拖拽進模型界面進行編輯；電機模型也可以直接從電機模型庫拖拽。

圖2 電機子模型圖

雙擊圖2中的電機模型符號，進入電機模型編輯界面，如圖3所示。從圖3中可以看出，圖2中的電機模型是利用SIDOPS+語言編程實現(xiàn)的。SIDOPS+語言是20-sim中的代碼語言，這種語言與系統(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+語言描述的電機模型

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，制作實驗所需的某一特定型號的元件模型，并將這些模型導(dǎo)入實驗元件庫中，供學(xué)生實驗時選用。

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

圖4 仿真曲線圖 圖5 3D模型

3 實驗案例

實驗內(nèi)容：某型隨動系統(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)期望性能指標設(shè)計控制器。

本實驗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，屬于綜合性實驗。學(xué)生在實驗中需要完成選擇元件、搭建系統(tǒng)、分析性能、設(shè)計控制器、完成控制器模塊并調(diào)試等內(nèi)容。

圖6 某型隨動系統(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)。以交磁擴大機這一元件為例，學(xué)生在課堂上已經(jīng)學(xué)習(xí)過交磁擴大機的結(jié)構(gòu)、原理、特性以及傳遞函數(shù)等知識。在建立交磁擴大機模型時，可以結(jié)合軟件模型庫自行選擇建模方式。

選擇一：在元件庫中選擇相應(yīng)元件模型，拖拽進工作界面，如圖7所示。這種方式的優(yōu)點是簡單便捷，僅需要對少數(shù)外圍參數(shù)進行簡單修改；但由于元件庫中的模型成品往往比較有限，當系統(tǒng)需要的電機型號比較特殊的時候，往往無法找到對應(yīng)元件，同時，所使用的模型已經(jīng)封裝完成，因此對元件的內(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的驗證性實驗。

圖7 利用元件庫建立元件模型

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

選擇三：根據(jù)交磁擴大機的電磁物理學(xué)特性，從物理數(shù)學(xué)方程出發(fā)，利用SIDOPS+代碼編寫程序，建立交磁擴大機模型，如圖9所示。這種方式結(jié)合了以上兩種方式的優(yōu)點。數(shù)學(xué)物理方程反映了電機內(nèi)部電阻電容等電路元件的關(guān)系，而通過這種基礎(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際電路，又具有較大的參數(shù)自由度和可設(shè)計性，既可以應(yīng)用于以測試元件性能為目的的驗證性實驗，又可以用于各種元件應(yīng)用、及控制系統(tǒng)的設(shè)計性實驗。

圖9 SIDOPS+語言建立元件模型

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

圖10 某型隨動系統(tǒng)

學(xué)生可利用軟件自帶的仿真分析功能對系統(tǒng)進行分析，并畫出輸出曲線圖，如圖11所示，并根據(jù)輸出響應(yīng)設(shè)計校正裝置。設(shè)計控制器對系統(tǒng)性能進行校正的方法很多，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)計等，學(xué)生可以根據(jù)自己所掌握的知識，依據(jù)不同系統(tǒng)情況自行選擇校正方案和控制器實現(xiàn)方式。以PID控制器為例，控制器的實現(xiàn)除了可以利用傳遞函數(shù)、SIDOPS+代碼外，還可以結(jié)合自動控制原理課程的實驗內(nèi)容，利用電阻、電容、運放自行搭建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

當前，虛擬實驗平臺的建設(shè)是各大高校實驗室建設(shè)的主流趨勢，20-sim作為一種工程類仿真軟件，在控制類實驗室的建設(shè)中具有很大優(yōu)勢，具體體現(xiàn)在：

(1)通過虛擬元件庫建設(shè)使得控制原理中的數(shù)學(xué)模型與實物有機的結(jié)合起來；通過自定義元件庫建設(shè)豐富實驗對象，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)實驗中元件單一、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、自定義模型庫，培養(yǎng)學(xué)生的綜合性、創(chuàng)新性實驗?zāi)芰Α８梢耘c課程設(shè)計、畢業(yè)設(shè)計相結(jié)合，培養(yǎng)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)的興趣及分析問題、解決問題的能力。

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

(4)軟件本身的開放性順應(yīng)學(xué)院建設(shè)開放性實驗室趨勢，同時也有利于培養(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. 自動控制應(yīng)用設(shè)計課程的研究與探索[J]. 天津：天津職業(yè)學(xué)院聯(lián)合學(xué)報, 2014, 16(9): 47-49.

[2] 燕濤,朱莉,翁智. “自動控制原理”實驗教學(xué)改革探索與實踐[J]. 上海：實驗室研究與探索, 2013, 32(11): 389-392.

[3] 王雪,柴毅,丁寶蒼，等. 自動控制原理開放性實驗的開發(fā)[J]. 上海：實驗室研究與探索, 2011, 30(7): 242-244.

[4] 梁春輝. “自動控制原理”課程多方位教學(xué)改革與實踐[J]. 北京：中國電力教育, 2013 (35): 83-84.

[5] 韋青燕,徐愛民. 基于Labview和myDAQ的自動控制原理實驗軟件平臺開發(fā)[J]. 上海：實驗室研究與探索, 2014, 33(11): 132-135.

[6] 帕孜來·馬合木提,張健. 20_sim與Matlab交互實現(xiàn)倒立擺系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析_[J]. 哈爾濱：自動化技術(shù)與應(yīng)用, 2009, 28(9): 11-14.

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，主要從事自動控制、計算機控制教學(xué)工作，E-mail：tridacna@163.com

G642.423

A

1008-0686(2016)03-0136-04