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    隨著信息技術及計算機軟、硬件技術的飛速進步，二十年來仿真建模理論及方法取得了應用性突破。當代仿真建模技術已經能夠運用數學方法構造復雜系統模型，這種數學模型能夠揭示系統的內在聯系和動態變化規律，已經能夠高逼真度模擬復雜的過程系統，仿真技術在輔助設計、輔助研究、輔助生產及輔助教育等領域得到廣泛應用。仿真科學與技術已成為繼理論研究和實驗研究之后第三種認識、改造客觀世界的重要手段。

    多少年來，高等院校自動化過程控制專業（包括化學工程、過程裝備與控制工程等專業）的教師們一直期待著有一種理想的實驗系統，該系統能夠任意組合多種控制方法和控制方案，并針對多種不同動態特性的工藝對象進行操作與控制實驗。然而，在新一代多功能過程與控制半實物仿真實驗系統研制成功之前，這一理想只能部分得以實現。因為，傳統的過程控制實驗系統存在著如下無法克服的弱點：

    1. 裝置的尺寸過小，導致系統時間常數比真實系統小得多，因此，動態特性與實際系統差異很大。由于尺寸過小的原因，流動特性受管壁邊界層的影響大，流動非線性強無法穩定，導致測試結果偏差大、沒有重復性。例如，小尺寸儲槽的液位當入口流量較大時，相對波動很大，穩定性差；小尺寸控制閥無法達到要求的特性（線性、等百分比、拋物特性等）；小尺寸的離心泵特性多變，和工業級離心泵特性相差懸殊，正因為如此，國家標準（包括國際標準）規定，只有管徑大于50毫米，流動達到一定的流速才有標準可言。

    2. 工藝介質一般用水，物理性質單一，表達不了實際工藝物料復雜多樣的物理化學特性，因此，除了流體流動與傳熱實驗外，化學反應、物料混合、組分變化、酸堿度變化、氣體壓縮、復雜的傳質過程等都無法實現。因此，普遍存在著實驗過程單調、知識點少等問題。

    3. 由于實驗過程簡單、實驗介質單一，因此，只能進行比較簡單的數量有限的過程與控制實驗，無法進行多種多樣的復雜控制和先進控制實驗。

    4. 無法進行高危險性、超極限性過程的安全保護控制實驗。因為，傳統的過程實驗系統本身十分簡單，一般沒有高危險性、超極限性過程（如反應超溫、超壓、爆炸等），即使包含有高危險性、超極限性過程，基于安全要求也不允許進行破壞性實驗。

    5. 難于對實驗流程、實驗項目、實驗內容進行重組和變化，限制了實驗規模和種類。因為實驗裝置部件有限，因此重組和變化的內容有限。此外，重組和變化需要附加管路和閥門，變化實驗內容的初始化時間長（例如，等待系統降溫時間很長），而且全面的重組和變化必須對設備進行重新機電組裝，這對參與實驗的師生幾乎沒有可行性。

    6. 水泵、電機運行時機械振動較大（如果設計不當，機械振動非常大），有些實驗裝置需要380伏交流電源，能耗大，安全性低。

    7.難于對全部變量和操作進行實時監測，因此無法實現高完備性和高分辨率故障診斷，因此也無法實現智能化實驗。

    以上弱點，在新一代多功能過程與控制仿真實驗系統中幾乎都得到解決。多功能過程與控制仿真實驗系統，通過將小型半實物過程系統、微機控制系統與全數字仿真技術結合，實現了集多種教學和實驗功能于一身、真實感強、一機多用、既可以進行初級與中等復雜程度的過程與控制實驗、也可以進行高級復雜的過程與控制實驗、維修簡單、節能、安全、環保等理想實驗系統的要求，是高等教學實驗技術的一個新的飛躍。
 
1  多功能過程與控制仿真實驗系統構成

    多功能過程與控制仿真實驗系統由小型流程設備盤臺、數字式軟儀表與接口硬件、系統監控軟件及過程模型軟件四部分組成。四部分通過小型實時數據庫、實時數字通信協調運行，完成復雜的半實物模擬實驗。

    （1）小型流程設備盤臺
    見圖1所示，在鋼制的盤臺上安裝著由不銹鋼制的比例縮小的流程設備模型。本盤臺是學生直接操作和運行過程系統的環境。本環境給學生以全真實的空間位置感覺、全真實的操作力度感覺和過程變化的時間特性感覺。由于真實過程裝置的壓力、流量、溫度、物位、功率、組成也是無法直接觀察的，必（2）動態數學模型軟件

    動態數學模型軟件運用動態定量仿真模型，模擬真實工藝流程，并提供各變量當前值。具體分為以下流程的動態仿真模型：離心泵及特性動態仿真模型、 三級液位及傳熱動態仿真模型、壓力系統動態仿真模型、溶液濃度值配制動態仿真模型、熱交換器過程動態仿真模型、間歇反應動態仿真模型、連續反應（CSTR）動態仿真模型、小型全流程動態仿真模型。

    為了進行復雜的控制實驗，除了過程模型外還特別開發了常用控制算法模塊庫，例如，PID控制器，傳遞函數、外作用函數、限幅器、算術運算器、選擇器、繼電器特性、隨機信號器等，可以方便地通過“軟連接”構造多種多樣的控制系統。配合小型專用實時數據庫及高速模型計算技術，本實驗系統中的動態數學模型軟件能夠在監控軟件的控制下完成過程系統的仿真計算。

    （3）控制系統圖形組態軟件
    為了便于學生（教師）靈活地設計組合多種多樣的控制方案，本實驗系統提供自行開發的、專用的控制系統圖形組態軟件。能夠在計算機“桌面”上通過圖形軟連接、在“菜單”提示下填寫參數和數據等方法完成控制系統組態。這種組態方法與集散型控制系統（DCS）組態完全相同，因此，比教學實驗中常用的進口軟件MATLAB更直觀、更簡明、更符合工業級設計的要求。當然，（如果需要的話）本軟件也能與MATLAB軟件相連接。

    控制系統圖形組態軟件提供以下具體功能：提供常見的PID控制算法，允許學生配置參數；控制方案的設計。允許學生自行設計控制方案，包括控制與被控制變量的選擇、算法的選擇以及復雜控制實驗等；控制算法組態。提供兩種方式的控制算法組態：提供圖形化控制算法組態工具，使學生可以對傳遞函數進行自定義; 提供標準DLL工程，將學生用其它計算機語言所寫的控制算法動態鏈接到當前控制回路中；信號發生器組態。提供常用的信號發生器，對當前的現場信號進行疊加；信號輸出組態。提供信號輸出顯示、歷史趨勢記錄、文件保存等功能，以進行信號后處理。

    為了方便使用，控制系統圖形組態軟件具有錯誤組態方案的自診斷功能。當組態的方案不合理時，軟件能給出提示。此外，還具有智能化自動排序功能。本軟件采用深層知識“專家系統”推理方法，對組態生成的控制系統計算順序進行優化排序，能夠保證計算結果的準確性。

    （4）實驗系統監控軟件
    盤臺上的所有操作和顯示變量都能由軟件控制，可以在瞬間設定新的狀態，我們稱其為狀態“全恢復”功能。本功能是實驗系統的一大特色，利用本特點可以任意設定干擾、故障狀態或某一特定狀態、重演過去記錄的狀態及某時間段落的變化狀態等。

    實驗系統監控軟件對每一項實驗提供工程管理，便于學生選擇不同的實驗，以及對當前的實驗進行管理。具體分為以下功能：實驗開始、暫停、恢復及自檢驗功能；實驗項目切換；）實驗項目當前狀態（又稱為“快照”）存儲；參數運行時的動態改變；多畫面切換。

2  工藝過程實驗項目

    多功能過程與控制仿真實驗全系統的工藝流程圖見圖2所示。由于采用了半實物模擬新技術，在同一個實驗盤臺上可以通過計算機監控軟件控制，自動組合成多種工藝過程實驗項目。實驗內容可以全面重組和變化，重組和變化不需要附加管路和閥門、不必對設備進行重新機電組裝，只需通過軟件組態方式或改變信號線連接，由軟件初始化一秒鐘即可實現，易如反掌。主要工藝過程實驗項目如下：

    （1）離心泵及特性實驗系統
    本實驗系統可以進行非線性液位特性測試、單容液位控制實驗、非線性PID調節器實驗、離心泵開、停；離心泵特性測試；離心泵故障實驗；離心泵相關的控制系統實驗；離心泵與相關設備聯合后的控制系統實驗及深層知識專家系統故障診斷等。

    （2）三級液位及溫度實驗系統
    與常規三級液位實驗系統相比，特別增加了非線性環節，只須修改數學模型就可以實現變容，變時間常數、變物料特性、或系統加壓等常規實驗無法實現的內容，因此也為復雜控制方法的實驗及深層知識專家系統故障診斷實驗提供了可能。

    （3）壓力實驗系統
    本系統可以進行關聯多容系統特性實驗、本質自衡特性實驗、透平式氣體壓縮機特性試驗、氣體大口徑管道輸送測量及控制試驗、設備惰性氣體置換充壓過程及多點氣體壓力與流量控制試驗。

    （4）流體混合及溶液濃度配制實驗系統
    實驗內容包括流體混合成分及溫度變化、強非線性PH值溶液配制。為比值控制、分程控制、非線性控制、順序控制及深層知識專家系統（SDG法）故障診斷實驗提供了可能。

    （5）傳熱過程實驗系統
    傳熱過程在本系統中涉及反應器中的蛇管傳熱、夾套傳熱、列管式熱交換器傳熱。列管式熱交換器屬于變時間常數、高階動態特性系統。傳熱過程既可以加熱，也可以冷卻，可以改變傳熱面積、傳熱系數、介質流動狀態，為相關因素對傳熱的影響和多種溫度控制方案的實驗及深層知識專家系統故障診斷實驗提供了可能。

    （6）間歇反應實驗系統 
    本實驗選擇了間歇反應過程中最為復雜的一種，具有主副反應的競爭、放熱劇烈、壓力隨溫度急劇變化等特點，是當前工藝全實物實驗根本無法進行的高危險性實驗，又是非常需要的反應動力學實驗內容。此外，全實物實驗還面臨物料消耗、能量消耗、反應產物的處理、廢氣廢液的處理和環境污染問題。國內現有的間歇反應實驗系統實際上都是水位及流量系統，根本沒有反應現象。本項目解決了工藝過程實驗的一項重要空缺。本間歇反應過程是工業常見的典型的間歇過程，可以進行計算機順序控制、批量控制實驗，進而可以進行模糊控制、優化控制、間歇過程的深層知識專家系統（SDG法）故障診斷等高級控制實驗。本間歇反應實驗系統動力學模型可以完成全工況、高精度、實時模擬。

    （7）連續反應（CSTR）實驗系統
    本實驗與間歇反應系統一樣，是當前工藝全實物實驗根本無法進行的高危險性實驗，又是非常需要的反應動力學實驗內容。此外，實物實驗還面臨物料消耗、能量消耗、反應產物的處理、廢氣廢液的處理和環境污染問題，以上各項問題比間歇反應更嚴重，因為連續反應的處理量大大超過間歇過程。國內現有的連續反應實驗系統實際上都是水位及流量系統，根本沒有反應現象。本項目解決了工藝過程實驗的另一項重要空缺。本連續反應過程是工業常見的典型的帶攪拌的釜式反應器（CSTR）系統，同時又是高分子聚合反應。除了進行常規控制系統實驗外，還可以進行模糊控制、優化控制、深層知識專家系統（SDG法）故障診斷等高級控制實驗。

    （8）小型流程級過程控制設計實驗系統
    本系統在圖2中的部位是全部盤臺系統，包括了全部盤臺工藝流程、設備和操作監控點。流程級過程控制設計實驗可以滿足工藝類專業的實習、輔助課程設計進行過程穩態和動態分析；過程控制專業的實習、輔助課程設計進行過程動態分析、安全評價、控制系統的方案設計、工程設計、控制系統組態、系統軟件和硬件連接、控制系統調試、運行、檢驗等多項實踐內容。此外與以上分系統一樣，可以進行常規控制、復雜控制、先進控制、智能控制、優化控制、深層知識專家系統（SDG法）故障診斷等高級控制實驗。

3 過程控制實驗項目

    本系統由于能夠組合成多種工藝過程的對象，因此可以進行多種多樣的控制系統實驗與研究。本實驗平臺對外提供標準接口，實時輸出過程數據，實時接收外部控制數據。被控過程變量和控制閥可在現有的位號中通過信號線插接自定義。因此，在本平臺上可自行設計多種多樣的控制方案，既可以進行初級與中等復雜程度的過程與控制實驗、也可以進行高級復雜的過程與控制實驗、還可以進行故障診斷實驗。

    事實上，在本實驗系統上可以進行的過程控制實驗是排列組合的概念，即可以達到數百種之多。因為本系統可變化的內容包括了8種工藝過程、設備尺寸可變、物料特性可變、工藝條件可變、10個自動控制閥4種閥特性的選擇、29個傳感器信號選擇、多點自由設定干擾、控制系統自由組態、控制算法自由嵌入等。所以，本實驗系統上可以進行的過程控制實驗內容的變化幾乎是天文數字。這也是本系統革新傳統實驗系統的重要方面。由于這種自由組合功能，為學生和教師提供了一個創新實驗的環境，學生可以自行設計各種各樣的控制方案，并立即進行實驗驗證。

    由于實驗內容非常豐富，為了便于結合教學大綱選擇所需要的實驗，可按實驗類別進行索引。實驗項目分十大類如下：
    （1）過程特性及測試實驗
    （2）過程開、停車實驗
    （3）故障及排除實驗
    （4）基礎控制實驗
    （5）復雜控制實驗
    （6）全流程控制綜合設計實驗
    （7）先進控制實驗
    （8）智能控制實驗
    （9）計算機輔助安全分析實驗
    （10）故障診斷實驗

    例如，過程特性及測試實驗包括：自衡系統、非自衡系統、單容系統、隔離多容系統、關聯多容系統、液位系統、流量系統、壓力系統、溫度與傳熱系統、成分系統、過程非線性系統、離心泵特性、離心式鼓風機特性、調節閥特性（線性、等百分比、拋物、快開）、連續反應動力學特性、間歇反應動力學特性等。

    基礎控制實驗包括：流量PID單回路控制、液位PID單回路控制、壓力PID單回路控制、溫度PID單回路控制、成分PID單回路控制、PID參數整定（4-6種方法）、調節閥選用計算及測試（液體、氣體）、標準孔板計算及測試（液體、氣體）、PLC單回路控制、DCS單回路控制等。

    復雜控制實驗包括：串級控制系統、均勻控制系統、比值控制系統、超馳控制系統、前饋控制系統、分程控制系統、非線性控制系統等。

    基于深層知識模型（SDG）故障診斷實驗包括：實時數據采集、建立實時數據庫、SDG診斷模型建模、SDG在線故障診斷實驗。

4 結論

    綜上所述，新一代多功能過程與控制半實物仿真實驗系統的優點是：具有過程控制實驗和工藝過程實驗雙重用途；有限的設備可實現多種過程實驗的最佳組合；可實現多種過程控制方法和多種方案選擇實驗；無須投料、安全、節能、環保；模塊化、組裝化、數字化、標準化、易使用、易維護、低功耗、高可靠性；是計算機智能化教學實驗技術的全面升級。本系統的研制成功是實驗教學技術的突破。

[參考文獻]

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