随着信息技术及计算机软、硬件技术的飞速进步，二十年来仿真建模理论及方法取得了应用性突破。当代仿真建模技术已经能够运用数学方法构造复杂系统模型，这种数学模型能够揭示系统的内在联系和动态变化规律，已经能够高逼真度模拟复杂的过程系统，仿真技术在辅助设计、辅助研究、辅助生产及辅助教育等领域得到广泛应用。仿真科学与技术已成为继理论研究和实验研究之后第三种认识、改造客观世界的重要手段。

    多少年来，高等院校自动化过程控制专业（包括化学工程、过程装备与控制工程等专业）的教师们一直期待着有一种理想的实验系统，该系统能够任意组合多种控制方法和控制方案，并针对多种不同动态特性的工艺对象进行操作与控制实验。然而，在新一代多功能过程与控制半实物仿真实验系统研制成功之前，这一理想只能部分得以实现。因为，传统的过程控制实验系统存在着如下无法克服的弱点：

    1. 装置的尺寸过小，导致系统时间常数比真实系统小得多，因此，动态特性与实际系统差异很大。由于尺寸过小的原因，流动特性受管壁边界层的影响大，流动非线性强无法稳定，导致测试结果偏差大、没有重复性。例如，小尺寸储槽的液位当入口流量较大时，相对波动很大，稳定性差；小尺寸控制阀无法达到要求的特性（线性、等百分比、抛物特性等）；小尺寸的离心泵特性多变，和工业级离心泵特性相差悬殊，正因为如此，国家标准（包括国际标准）规定，只有管径大于50毫米，流动达到一定的流速才有标准可言。

    2. 工艺介质一般用水，物理性质单一，表达不了实际工艺物料复杂多样的物理化学特性，因此，除了流体流动与传热实验外，化学反应、物料混合、组分变化、酸碱度变化、气体压缩、复杂的传质过程等都无法实现。因此，普遍存在着实验过程单调、知识点少等问题。

    3. 由于实验过程简单、实验介质单一，因此，只能进行比较简单的数量有限的过程与控制实验，无法进行多种多样的复杂控制和先进控制实验。

    4. 无法进行高危险性、超极限性过程的安全保护控制实验。因为，传统的过程实验系统本身十分简单，一般没有高危险性、超极限性过程（如反应超温、超压、爆炸等），即使包含有高危险性、超极限性过程，基于安全要求也不允许进行破坏性实验。

    5. 难于对实验流程、实验项目、实验内容进行重组和变化，限制了实验规模和种类。因为实验装置部件有限，因此重组和变化的内容有限。此外，重组和变化需要附加管路和阀门，变化实验内容的初始化时间长（例如，等待系统降温时间很长），而且全面的重组和变化必须对设备进行重新机电组装，这对参与实验的师生几乎没有可行性。

    6. 水泵、电机运行时机械振动较大（如果设计不当，机械振动非常大），有些实验装置需要380伏交流电源，能耗大，安全性低。

    7.难于对全部变量和操作进行实时监测，因此无法实现高完备性和高分辨率故障诊断，因此也无法实现智能化实验。

    以上弱点，在新一代多功能过程与控制仿真实验系统中几乎都得到解决。多功能过程与控制仿真实验系统，通过将小型半实物过程系统、微机控制系统与全数字仿真技术结合，实现了集多种教学和实验功能于一身、真实感强、一机多用、既可以进行初级与中等复杂程度的过程与控制实验、也可以进行高级复杂的过程与控制实验、维修简单、节能、安全、环保等理想实验系统的要求，是高等教学实验技术的一个新的飞跃。
 
1  多功能过程与控制仿真实验系统构成

    多功能过程与控制仿真实验系统由小型流程设备盘台、数字式软仪表与接口硬件、系统监控软件及过程模型软件四部分组成。四部分通过小型实时数据库、实时数字通信协调运行，完成复杂的半实物模拟实验。

    （1）小型流程设备盘台
    见图1所示，在钢制的盘台上安装着由不锈钢制的比例缩小的流程设备模型。本盘台是学生直接操作和运行过程系统的环境。本环境给学生以全真实的空间位置感觉、全真实的操作力度感觉和过程变化的时间特性感觉。由于真实过程装置的压力、流量、温度、物位、功率、组成也是无法直接观察的，必（2）动态数学模型软件

    动态数学模型软件运用动态定量仿真模型，模拟真实工艺流程，并提供各变量当前值。具体分为以下流程的动态仿真模型：离心泵及特性动态仿真模型、 三级液位及传热动态仿真模型、压力系统动态仿真模型、溶液浓度值配制动态仿真模型、热交换器过程动态仿真模型、间歇反应动态仿真模型、连续反应（CSTR）动态仿真模型、小型全流程动态仿真模型。

    为了进行复杂的控制实验，除了过程模型外还特别开发了常用控制算法模块库，例如，PID控制器，传递函数、外作用函数、限幅器、算术运算器、选择器、继电器特性、随机信号器等，可以方便地通过“软连接”构造多种多样的控制系统。配合小型专用实时数据库及高速模型计算技术，本实验系统中的动态数学模型软件能够在监控软件的控制下完成过程系统的仿真计算。

    （3）控制系统图形组态软件
    为了便于学生（教师）灵活地设计组合多种多样的控制方案，本实验系统提供自行开发的、专用的控制系统图形组态软件。能够在计算机“桌面”上通过图形软连接、在“菜单”提示下填写参数和数据等方法完成控制系统组态。这种组态方法与集散型控制系统（DCS）组态完全相同，因此，比教学实验中常用的进口软件MATLAB更直观、更简明、更符合工业级设计的要求。当然，（如果需要的话）本软件也能与MATLAB软件相连接。

    控制系统图形组态软件提供以下具体功能：提供常见的PID控制算法，允许学生配置参数；控制方案的设计。允许学生自行设计控制方案，包括控制与被控制变量的选择、算法的选择以及复杂控制实验等；控制算法组态。提供两种方式的控制算法组态：提供图形化控制算法组态工具，使学生可以对传递函数进行自定义; 提供标准DLL工程，将学生用其它计算机语言所写的控制算法动态链接到当前控制回路中；信号发生器组态。提供常用的信号发生器，对当前的现场信号进行叠加；信号输出组态。提供信号输出显示、历史趋势记录、文件保存等功能，以进行信号后处理。

    为了方便使用，控制系统图形组态软件具有错误组态方案的自诊断功能。当组态的方案不合理时，软件能给出提示。此外，还具有智能化自动排序功能。本软件采用深层知识“专家系统”推理方法，对组态生成的控制系统计算顺序进行优化排序，能够保证计算结果的准确性。

    （4）实验系统监控软件
    盘台上的所有操作和显示变量都能由软件控制，可以在瞬间设定新的状态，我们称其为状态“全恢复”功能。本功能是实验系统的一大特色，利用本特点可以任意设定干扰、故障状态或某一特定状态、重演过去记录的状态及某时间段落的变化状态等。

    实验系统监控软件对每一项实验提供工程管理，便于学生选择不同的实验，以及对当前的实验进行管理。具体分为以下功能：实验开始、暂停、恢复及自检验功能；实验项目切换；）实验项目当前状态（又称为“快照”）存储；参数运行时的动态改变；多画面切换。

2  工艺过程实验项目

    多功能过程与控制仿真实验全系统的工艺流程图见图2所示。由于采用了半实物模拟新技术，在同一个实验盘台上可以通过计算机监控软件控制，自动组合成多种工艺过程实验项目。实验内容可以全面重组和变化，重组和变化不需要附加管路和阀门、不必对设备进行重新机电组装，只需通过软件组态方式或改变信号线连接，由软件初始化一秒钟即可实现，易如反掌。主要工艺过程实验项目如下：

    （1）离心泵及特性实验系统
    本实验系统可以进行非线性液位特性测试、单容液位控制实验、非线性PID调节器实验、离心泵开、停；离心泵特性测试；离心泵故障实验；离心泵相关的控制系统实验；离心泵与相关设备联合后的控制系统实验及深层知识专家系统故障诊断等。

    （2）三级液位及温度实验系统
    与常规三级液位实验系统相比，特别增加了非线性环节，只须修改数学模型就可以实现变容，变时间常数、变物料特性、或系统加压等常规实验无法实现的内容，因此也为复杂控制方法的实验及深层知识专家系统故障诊断实验提供了可能。

    （3）压力实验系统
    本系统可以进行关联多容系统特性实验、本质自衡特性实验、透平式气体压缩机特性试验、气体大口径管道输送测量及控制试验、设备惰性气体置换充压过程及多点气体压力与流量控制试验。

    （4）流体混合及溶液浓度配制实验系统
    实验内容包括流体混合成分及温度变化、强非线性PH值溶液配制。为比值控制、分程控制、非线性控制、顺序控制及深层知识专家系统（SDG法）故障诊断实验提供了可能。

    （5）传热过程实验系统
    传热过程在本系统中涉及反应器中的蛇管传热、夹套传热、列管式热交换器传热。列管式热交换器属于变时间常数、高阶动态特性系统。传热过程既可以加热，也可以冷却，可以改变传热面积、传热系数、介质流动状态，为相关因素对传热的影响和多种温度控制方案的实验及深层知识专家系统故障诊断实验提供了可能。

    （6）间歇反应实验系统 
    本实验选择了间歇反应过程中最为复杂的一种，具有主副反应的竞争、放热剧烈、压力随温度急剧变化等特点，是当前工艺全实物实验根本无法进行的高危险性实验，又是非常需要的反应动力学实验内容。此外，全实物实验还面临物料消耗、能量消耗、反应产物的处理、废气废液的处理和环境污染问题。国内现有的间歇反应实验系统实际上都是水位及流量系统，根本没有反应现象。本项目解决了工艺过程实验的一项重要空缺。本间歇反应过程是工业常见的典型的间歇过程，可以进行计算机顺序控制、批量控制实验，进而可以进行模糊控制、优化控制、间歇过程的深层知识专家系统（SDG法）故障诊断等高级控制实验。本间歇反应实验系统动力学模型可以完成全工况、高精度、实时模拟。

    （7）连续反应（CSTR）实验系统
    本实验与间歇反应系统一样，是当前工艺全实物实验根本无法进行的高危险性实验，又是非常需要的反应动力学实验内容。此外，实物实验还面临物料消耗、能量消耗、反应产物的处理、废气废液的处理和环境污染问题，以上各项问题比间歇反应更严重，因为连续反应的处理量大大超过间歇过程。国内现有的连续反应实验系统实际上都是水位及流量系统，根本没有反应现象。本项目解决了工艺过程实验的另一项重要空缺。本连续反应过程是工业常见的典型的带搅拌的釜式反应器（CSTR）系统，同时又是高分子聚合反应。除了进行常规控制系统实验外，还可以进行模糊控制、优化控制、深层知识专家系统（SDG法）故障诊断等高级控制实验。

    （8）小型流程级过程控制设计实验系统
    本系统在图2中的部位是全部盘台系统，包括了全部盘台工艺流程、设备和操作监控点。流程级过程控制设计实验可以满足工艺类专业的实习、辅助课程设计进行过程稳态和动态分析；过程控制专业的实习、辅助课程设计进行过程动态分析、安全评价、控制系统的方案设计、工程设计、控制系统组态、系统软件和硬件连接、控制系统调试、运行、检验等多项实践内容。此外与以上分系统一样，可以进行常规控制、复杂控制、先进控制、智能控制、优化控制、深层知识专家系统（SDG法）故障诊断等高级控制实验。

3 过程控制实验项目

    本系统由于能够组合成多种工艺过程的对象，因此可以进行多种多样的控制系统实验与研究。本实验平台对外提供标准接口，实时输出过程数据，实时接收外部控制数据。被控过程变量和控制阀可在现有的位号中通过信号线插接自定义。因此，在本平台上可自行设计多种多样的控制方案，既可以进行初级与中等复杂程度的过程与控制实验、也可以进行高级复杂的过程与控制实验、还可以进行故障诊断实验。

    事实上，在本实验系统上可以进行的过程控制实验是排列组合的概念，即可以达到数百种之多。因为本系统可变化的内容包括了8种工艺过程、设备尺寸可变、物料特性可变、工艺条件可变、10个自动控制阀4种阀特性的选择、29个传感器信号选择、多点自由设定干扰、控制系统自由组态、控制算法自由嵌入等。所以，本实验系统上可以进行的过程控制实验内容的变化几乎是天文数字。这也是本系统革新传统实验系统的重要方面。由于这种自由组合功能，为学生和教师提供了一个创新实验的环境，学生可以自行设计各种各样的控制方案，并立即进行实验验证。

    由于实验内容非常丰富，为了便于结合教学大纲选择所需要的实验，可按实验类别进行索引。实验项目分十大类如下：
    （1）过程特性及测试实验
    （2）过程开、停车实验
    （3）故障及排除实验
    （4）基础控制实验
    （5）复杂控制实验
    （6）全流程控制综合设计实验
    （7）先进控制实验
    （8）智能控制实验
    （9）计算机辅助安全分析实验
    （10）故障诊断实验

    例如，过程特性及测试实验包括：自衡系统、非自衡系统、单容系统、隔离多容系统、关联多容系统、液位系统、流量系统、压力系统、温度与传热系统、成分系统、过程非线性系统、离心泵特性、离心式鼓风机特性、调节阀特性（线性、等百分比、抛物、快开）、连续反应动力学特性、间歇反应动力学特性等。

    基础控制实验包括：流量PID单回路控制、液位PID单回路控制、压力PID单回路控制、温度PID单回路控制、成分PID单回路控制、PID参数整定（4-6种方法）、调节阀选用计算及测试（液体、气体）、标准孔板计算及测试（液体、气体）、PLC单回路控制、DCS单回路控制等。

    复杂控制实验包括：串级控制系统、均匀控制系统、比值控制系统、超驰控制系统、前馈控制系统、分程控制系统、非线性控制系统等。

    基于深层知识模型（SDG）故障诊断实验包括：实时数据采集、建立实时数据库、SDG诊断模型建模、SDG在线故障诊断实验。

4 结论

    综上所述，新一代多功能过程与控制半实物仿真实验系统的优点是：具有过程控制实验和工艺过程实验双重用途；有限的设备可实现多种过程实验的最佳组合；可实现多种过程控制方法和多种方案选择实验；无须投料、安全、节能、环保；模块化、组装化、数字化、标准化、易使用、易维护、低功耗、高可靠性；是计算机智能化教学实验技术的全面升级。本系统的研制成功是实验教学技术的突破。

[参考文献]

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