仿真技术在智能控制实验平台建设中的应用

徐立芳，莫宏伟

（1.哈尔滨工程大学 工程训练中心，黑龙江 哈尔滨 150001；2.哈尔滨工程大学 自动化学院，黑龙江 哈尔滨 150001）

仿真技术以控制论、系统论和信息技术为基础，通过计算机编程和系统模型能够对实际或设想的系统进行动态实验。上世纪50～60年代的仿真主要应用于航空、航天、电力、化工［1－2］以及其他工业过程控制［3－4］等工程技术领域。例如：采用仿真技术来缩短大型客机的设计和研制周期［5］，利用飞行仿真器在地面训练飞行员［6］，既节省大量燃料和经费，且不受气象条件和场地的限制。近年，随着科学技术的迅猛发展，仿真技术已渗透到教学与科研的各个领域，广泛地应用在电子电路教学［7］、机械原理实验［8］、自动控制系统实验［9］、化工原理仿真［10］等实验教学方面，在带来巨大社会效益的同时，也创造了可观的经济效益。

1 仿真技术在实验教学中应用的必要性

传统的自控原理实验主要依赖实验箱、示波器等设备，涉及到智能控制的实验内容很少甚至为空白。一方面，智能控制理论和工程应用的迅猛发展，对控制理论实验教学提出了增设该类实验项目的需求；另一方面，智能控制的研究对象较复杂，控制系统成本较高，价格昂贵；尤其对于一些大型锅炉、电站等复杂控制系统的智能控制研究，通常很难在高校实验室环境下得到满足。因此，利用计算机强大的数据处理能力进行仿真实验，以此来验证理论控制效果，通过对仿真实验参数的输入、实验数据的处理、仿真图形的观察和分析，把抽象、难以理解的理论知识变得形象、直观，引导学生完成智能控制理论的学习和研究。

2 仿真技术在实验教学平台建设中的应用

2.1 虚拟仪器实验平台

近年来，虚拟仪器（virtual instruments，VI）技术得到迅猛的发展［11］。虚拟仪器是将现有的计算机主流技术与高效灵活的软件和高性能模块化硬件结合在一起，建立起功能强大又灵活易变的、基于计算机的测试测量与控制系统，来替代传统仪器的功能。虚拟仪器的硬件主要由计算机、传感器和信号采集调理模块构成，完成对被测信号的采集、传送、显示、输出结果。软件是虚拟仪器的核心，一般具备仿真、数据采集、仪器控制、测量分析、数据显示等各种功能。

虚拟仪器实验平台［12］与真实实验台类似，是一个仪器设备和数据等资源的交互共享、交互控制的平台。用户通过应用程序模块编程来对采集的数据进行处理；系统操作模块提供了仪器与用户的接口，用户可通过操作界面上开关和按钮来实现对虚拟仪器的操作，从而达到模拟传统仪器操作的目的。实验教学中，虚拟仪器实验平台通常拥有一个器材栏或器材库（仪器、设备、材料库），用于各类虚拟实验器材的管理。学生可以把器材从器材栏中移到实验台上，或者从实验台上把器材收回到器材栏。利用虚拟仪器实验平台提供器材，学生可自由搭建任意合理的典型实验，自己动手配置、连接、调节；此外，虚拟仪器实验平台也为学生自由搭建实验模型提供了可能，自主设计实验，满足了部分科研需求。通过虚拟实验平台动手操作，有利于培养学生的设计能力和创新意识。

2.2 系统仿真实验平台

本文所指的系统仿真实验平台，仅指利用计算机编写程序，模拟实验进程和行为的仿真实验软件平台。由于不涉及到硬件，相对于虚拟仪器这种实验方式更为方便灵活、经济适用。最早的系统仿真实验平台多应用于系统设计阶段，利用计算机进行数学仿真实验，修改、变换模型比较经济方便。而在实物研制阶段，再用研制的实物或子系统去代替计算机仿真模型，进行价格昂贵的物理实验。近年，系统仿真的一个重要发展趋势是与人工智能技术的结合，这为系统仿真技术在智能控制实验中的应用提供了源动力。

MATLAB软件是目前系统仿真最流行的辅助工具［13］，由美国 Math Works公司推出，主要用于算法开发、数据可视化、数据分析和数值计算的高级计算语言和交互式环境。它提供了智能控制相关的模糊逻辑、神经网络等工具箱，现已成为实验教学和科研中常用工具。利用MATLAB软件对控制系统进行仿真实验，软件平台具有数据显示和采集窗口，能够对控制系统状态量进行实时显示，采集关键控制点数据；通过控制参数和变量输入窗口输入，对控制系统状态进行调节；此外，平台还应具有控制模式选择窗口、系统响应曲线显示窗口、图像输出与打印、实验数据对比、辅助分析等功能。

3 仿真技术对智能控制实验教学的促进作用

3.1 增添新的实验项目，缓解实验经费短缺问题

计算机仿真技术应用到控制实验教学过程中，在一定程度上可以解决高校实验室经费不足导致实验项目缺失的问题，是未来实验教学改革的方向。虚拟仪器和系统仿真可以虚拟或仿真大型复杂控制系统，保证前期实验教学和科研及时开展，所获取的实验结果对后期实物性试验具有指导意义。

3.2 辅助学习，提高专业理论的认知、理解和深化

控制理论知识较抽象，学习存在难度。系统仿真实验可以提供形象直观、内容丰富的学习环境，通过观察窗口可以实时观测到实验状态，及时调整控制参数，将专业知识通过应用与实践之后进行重构，提高专业理论的认知、理解和深化。

3.3 训练学生初步掌握正确的科学研究方法

以作者开发的“智能旋翼航空飞行器仿真实验平台”为例，以四旋翼航空飞行器为实验对象，采用VC＋＋进行软件平台主控界面的开发，利用VC＋＋与MATLAB接口技术，调用MATLAB算法仿真数据，并以图形窗口的形式显示（见图1—图4），增设新的实验项目与实验内容。

图1 遗传算法与免疫算法优化的PID控制仿真

学生通过用户界面输入相应的控制参数，在图形窗口观察各类智能控制器的控制效果，学习相关智能控制理论。该平台提供了多种智能控制器和控制案例，涵盖智能控制基本理论方法（包括：模糊、神经网络、遗传算法、免疫算法等），通过旋翼飞行器智能控制仿真实验，学生针对实验中出现的控制现象差异情况提出问题，分析产生原因，获得科研结论。

图2 飞行器姿态控制选择

图3 PID控制＼免疫控制＼神经网络控制＼模糊控制的仿真结果对比

图4 模糊工具箱

通过实验课程的引导，使学生初步掌握“建模、仿真、控制实验、观察和对比、比较研究、科研结论获取、撰写科研论文”等正确的科学研究方法与程序；该仿真实验平台还配有详细的实验与操作手册，所有仿真文件提供源代码，共计72个m文件。

4 系统仿真网络实验平台是智能控制实验教学平台建设的新模式

系统仿真网络实验平台是高校网络课堂建设的一项重要内容。充分利用校园网交互功能，仿真技术结合网络技术，提供网络实验项目，成为未来智能控制实验教学发展的一种新型教学模式。

4.1 解决了课堂有限实验时间和实验耗时的矛盾

智能控制系统一些实验，例如：系统控制参数优化实验，通常采用遗传算法等进化方式，系统模型运算需要耗费大量的时间，仅靠课堂实验时间无法完成。应用系统仿真网络平台，可以在课下进行实验，解决了智能控制实验数据运算量大，计算耗时的问题。

4.2 令更多的实验室资源得以共享和开放

系统仿真网络实验平台的建设给高校开放实验室提供了网络开放的新模式。基于校园网络，很多实验可以通过网络平台完成，不受时间、地点限制，使实验室真正做到24小时开放。

4.3 使预约实验、自主选择实验真正成为可能

网络平台仿真实验在不增加教师工作量的情况下，给更多学科专业学生选修实验的机会。每学期初，学生根据开放实验室网络公布的实验题目列表，选择自己感兴趣的实验题目，预约实验项目，利用系统仿真网络实验平台完成相关实验，实验完毕通过网络可随时查看自己各项实验记录和实验成绩。

5 结束语

通过实验教学活动表明，将仿真技术用于智能控制实验教学中可以促进学生对理论知识的深入理解和学习，学生通过人机对话界面输入控制量，间接参与了智能控制系统仿真实验的设计，变被动学习为主动思考，进而培养学生独立分析问题和解决问题的能力。此外，有条件的情况下，应同时开展物理实验和仿真实验，互相弥补缺失，教学效果提高明显。

（References）

［1］王超，唐倩，赵欣.安全仿真技术在石油化工过程中的应用［J］.科协论坛：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.

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［4］刘文仲，李君，郭强.基于PC服务器的过程控制计算机系统在冶金工业过程控制中的发展趋势［C］／／张福兴.第十一届全国自动化应用技术学术交流会论文集.北京：冶金自动化，2006（增刊）：23－25.

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［8］卢梅，李威，邱丽芳.虚拟仿真实验技术在机械原理实验教学中的应用研究［J］.仪器仪表用户，2006，13（4）：25－26.

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［12］张梦麟，李念强，王正生.基于LabWindows／CVI网络虚拟仪器实验平台设计［J］.计算机技术与发展，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.