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    隨著信息技術(shù)及計算機軟、硬件技術(shù)的飛速進(jìn)步，二十年來仿真建模理論及方法取得了應(yīng)用性突破。當(dāng)代仿真建模技術(shù)已經(jīng)能夠運用數(shù)學(xué)方法構(gòu)造復(fù)雜系統(tǒng)模型，這種數(shù)學(xué)模型能夠揭示系統(tǒng)的內(nèi)在聯(lián)系和動態(tài)變化規(guī)律，已經(jīng)能夠高逼真度模擬復(fù)雜的過程系統(tǒng)，仿真技術(shù)在輔助設(shè)計、輔助研究、輔助生產(chǎn)及輔助教育等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。仿真科學(xué)與技術(shù)已成為繼理論研究和實驗研究之后第三種認(rèn)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(yè)（包括化學(xué)工程、過程裝備與控制工程等專業(yè)）的教師們一直期待著有一種理想的實驗系統(tǒng)，該系統(tǒng)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(tài)特性的工藝對象進(jìn)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(tǒng)研制成功之前，這一理想只能部分得以實現(xiàn)。因為，傳統(tǒng)的過程控制實驗系統(tǒng)存在著如下無法克服的弱點：

    1. 裝置的尺寸過小，導(dǎo)致系統(tǒng)時間常數(shù)比真實系統(tǒng)小得多，因此，動態(tài)特性與實際系統(tǒng)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(wěn)定，導(dǎo)致測試結(jié)果偏差大、沒有重復(fù)性。例如，小尺寸儲槽的液位當(dāng)入口流量較大時，相對波動很大，穩(wěn)定性差；小尺寸控制閥無法達(dá)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(yè)級離心泵特性相差懸殊，正因為如此，國家標(biāo)準(zhǔn)（包括國際標(biāo)準(zhǔn)）規(guī)定，只有管徑大于50毫米，流動達(dá)到一定的流速才有標(biāo)準(zhǔn)可言。

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

    3. 由于實驗過程簡單、實驗介質(zhì)單一，因此，只能進(jìn)行比較簡單的數(shù)量有限的過程與控制實驗，無法進(jìn)行多種多樣的復(fù)雜控制和先進(jìn)控制實驗。

    4. 無法進(jìn)行高危險性、超極限性過程的安全保護(hù)控制實驗。因為，傳統(tǒng)的過程實驗系統(tǒng)本身十分簡單，一般沒有高危險性、超極限性過程（如反應(yīng)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(jìn)行破壞性實驗。

    5. 難于對實驗流程、實驗項目、實驗內(nèi)容進(jìn)行重組和變化，限制了實驗規(guī)模和種類。因為實驗裝置部件有限，因此重組和變化的內(nèi)容有限。此外，重組和變化需要附加管路和閥門，變化實驗內(nèi)容的初始化時間長（例如，等待系統(tǒng)降溫時間很長），而且全面的重組和變化必須對設(shè)備進(jìn)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(shè)計不當(dāng)，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(jìn)行實時監(jiān)測，因此無法實現(xiàn)高完備性和高分辨率故障診斷，因此也無法實現(xiàn)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(tǒng)中幾乎都得到解決。多功能過程與控制仿真實驗系統(tǒng)，通過將小型半實物過程系統(tǒng)、微機控制系統(tǒng)與全數(shù)字仿真技術(shù)結(jié)合，實現(xiàn)了集多種教學(xué)和實驗功能于一身、真實感強、一機多用、既可以進(jìn)行初級與中等復(fù)雜程度的過程與控制實驗、也可以進(jìn)行高級復(fù)雜的過程與控制實驗、維修簡單、節(jié)能、安全、環(huán)保等理想實驗系統(tǒng)的要求，是高等教學(xué)實驗技術(shù)的一個新的飛躍。
 
1  多功能過程與控制仿真實驗系統(tǒng)構(gòu)成

    多功能過程與控制仿真實驗系統(tǒng)由小型流程設(shè)備盤臺、數(shù)字式軟儀表與接口硬件、系統(tǒng)監(jiān)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(shù)據(jù)庫、實時數(shù)字通信協(xié)調(diào)運行，完成復(fù)雜的半實物模擬實驗。

    （1）小型流程設(shè)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(shè)備模型。本盤臺是學(xué)生直接操作和運行過程系統(tǒng)的環(huán)境。本環(huán)境給學(xué)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(tài)數(shù)學(xué)模型軟件

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

    為了進(jìn)行復(fù)雜的控制實驗，除了過程模型外還特別開發(fā)了常用控制算法模塊庫，例如，PID控制器，傳遞函數(shù)、外作用函數(shù)、限幅器、算術(shù)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(gòu)造多種多樣的控制系統(tǒng)。配合小型專用實時數(shù)據(jù)庫及高速模型計算技術(shù)，本實驗系統(tǒng)中的動態(tài)數(shù)學(xué)模型軟件能夠在監(jiān)控軟件的控制下完成過程系統(tǒng)的仿真計算。

    （3）控制系統(tǒng)圖形組態(tài)軟件
    為了便于學(xué)生（教師）靈活地設(shè)計組合多種多樣的控制方案，本實驗系統(tǒng)提供自行開發(fā)的、專用的控制系統(tǒng)圖形組態(tài)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(shù)和數(shù)據(jù)等方法完成控制系統(tǒng)組態(tài)。這種組態(tài)方法與集散型控制系統(tǒng)（DCS）組態(tài)完全相同，因此，比教學(xué)實驗中常用的進(jìn)口軟件MATLAB更直觀、更簡明、更符合工業(yè)級設(shè)計的要求。當(dāng)然，（如果需要的話）本軟件也能與MATLAB軟件相連接。

    控制系統(tǒng)圖形組態(tài)軟件提供以下具體功能：提供常見的PID控制算法，允許學(xué)生配置參數(shù)；控制方案的設(shè)計。允許學(xué)生自行設(shè)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(fù)雜控制實驗等；控制算法組態(tài)。提供兩種方式的控制算法組態(tài)：提供圖形化控制算法組態(tài)工具，使學(xué)生可以對傳遞函數(shù)進(jìn)行自定義; 提供標(biāo)準(zhǔn)DLL工程，將學(xué)生用其它計算機語言所寫的控制算法動態(tài)鏈接到當(dāng)前控制回路中；信號發(fā)生器組態(tài)。提供常用的信號發(fā)生器，對當(dāng)前的現(xiàn)場信號進(jìn)行疊加；信號輸出組態(tài)。提供信號輸出顯示、歷史趨勢記錄、文件保存等功能，以進(jìn)行信號后處理。

    為了方便使用，控制系統(tǒng)圖形組態(tài)軟件具有錯誤組態(tài)方案的自診斷功能。當(dāng)組態(tài)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(tǒng)”推理方法，對組態(tài)生成的控制系統(tǒng)計算順序進(jìn)行優(yōu)化排序，能夠保證計算結(jié)果的準(zhǔn)確性。

    （4）實驗系統(tǒng)監(jiān)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(shè)定新的狀態(tài)，我們稱其為狀態(tài)“全恢復(fù)”功能。本功能是實驗系統(tǒng)的一大特色，利用本特點可以任意設(shè)定干擾、故障狀態(tài)或某一特定狀態(tài)、重演過去記錄的狀態(tài)及某時間段落的變化狀態(tài)等。

    實驗系統(tǒng)監(jiān)控軟件對每一項實驗提供工程管理，便于學(xué)生選擇不同的實驗，以及對當(dāng)前的實驗進(jìn)行管理。具體分為以下功能：實驗開始、暫停、恢復(fù)及自檢驗功能；實驗項目切換；）實驗項目當(dāng)前狀態(tài)（又稱為“快照”）存儲；參數(shù)運行時的動態(tài)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(tǒng)的工藝流程圖見圖2所示。由于采用了半實物模擬新技術(shù)，在同一個實驗盤臺上可以通過計算機監(jiān)控軟件控制，自動組合成多種工藝過程實驗項目。實驗內(nèi)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(shè)備進(jìn)行重新機電組裝，只需通過軟件組態(tài)方式或改變信號線連接，由軟件初始化一秒鐘即可實現(xiàn)，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(tǒng)
    本實驗系統(tǒng)可以進(jìn)行非線性液位特性測試、單容液位控制實驗、非線性PID調(diào)節(jié)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(guān)的控制系統(tǒng)實驗；離心泵與相關(guān)設(shè)備聯(lián)合后的控制系統(tǒng)實驗及深層知識專家系統(tǒng)故障診斷等。

    （2）三級液位及溫度實驗系統(tǒng)
    與常規(guī)三級液位實驗系統(tǒng)相比，特別增加了非線性環(huán)節(jié)，只須修改數(shù)學(xué)模型就可以實現(xiàn)變?nèi)荩儠r間常數(shù)、變物料特性、或系統(tǒng)加壓等常規(guī)實驗無法實現(xiàn)的內(nèi)容，因此也為復(fù)雜控制方法的實驗及深層知識專家系統(tǒng)故障診斷實驗提供了可能。

    （3）壓力實驗系統(tǒng)
    本系統(tǒng)可以進(jìn)行關(guān)聯(lián)多容系統(tǒng)特性實驗、本質(zhì)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(shè)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(tǒng)
    實驗內(nèi)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(tǒng)（SDG法）故障診斷實驗提供了可能。

    （5）傳熱過程實驗系統(tǒng)
    傳熱過程在本系統(tǒng)中涉及反應(yīng)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(shù)、高階動態(tài)特性系統(tǒng)。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(shù)、介質(zhì)流動狀態(tài)，為相關(guān)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(tǒng)故障診斷實驗提供了可能。

    （6）間歇反應(yīng)實驗系統(tǒng) 
    本實驗選擇了間歇反應(yīng)過程中最為復(fù)雜的一種，具有主副反應(yīng)的競爭、放熱劇烈、壓力隨溫度急劇變化等特點，是當(dāng)前工藝全實物實驗根本無法進(jìn)行的高危險性實驗，又是非常需要的反應(yīng)動力學(xué)實驗內(nèi)容。此外，全實物實驗還面臨物料消耗、能量消耗、反應(yīng)產(chǎn)物的處理、廢氣廢液的處理和環(huán)境污染問題。國內(nèi)現(xiàn)有的間歇反應(yīng)實驗系統(tǒng)實際上都是水位及流量系統(tǒng)，根本沒有反應(yīng)現(xiàn)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(yīng)過程是工業(yè)常見的典型的間歇過程，可以進(jìn)行計算機順序控制、批量控制實驗，進(jìn)而可以進(jìn)行模糊控制、優(yōu)化控制、間歇過程的深層知識專家系統(tǒng)（SDG法）故障診斷等高級控制實驗。本間歇反應(yīng)實驗系統(tǒng)動力學(xué)模型可以完成全工況、高精度、實時模擬。

    （7）連續(xù)反應(yīng)（CSTR）實驗系統(tǒng)
    本實驗與間歇反應(yīng)系統(tǒng)一樣，是當(dāng)前工藝全實物實驗根本無法進(jìn)行的高危險性實驗，又是非常需要的反應(yīng)動力學(xué)實驗內(nèi)容。此外，實物實驗還面臨物料消耗、能量消耗、反應(yīng)產(chǎn)物的處理、廢氣廢液的處理和環(huán)境污染問題，以上各項問題比間歇反應(yīng)更嚴(yán)重，因為連續(xù)反應(yīng)的處理量大大超過間歇過程。國內(nèi)現(xiàn)有的連續(xù)反應(yīng)實驗系統(tǒng)實際上都是水位及流量系統(tǒng)，根本沒有反應(yīng)現(xiàn)象。本項目解決了工藝過程實驗的另一項重要空缺。本連續(xù)反應(yīng)過程是工業(yè)常見的典型的帶攪拌的釜式反應(yīng)器（CSTR）系統(tǒng)，同時又是高分子聚合反應(yīng)。除了進(jìn)行常規(guī)控制系統(tǒng)實驗外，還可以進(jìn)行模糊控制、優(yōu)化控制、深層知識專家系統(tǒng)（SDG法）故障診斷等高級控制實驗。

    （8）小型流程級過程控制設(shè)計實驗系統(tǒng)
    本系統(tǒng)在圖2中的部位是全部盤臺系統(tǒng)，包括了全部盤臺工藝流程、設(shè)備和操作監(jiān)控點。流程級過程控制設(shè)計實驗可以滿足工藝類專業(yè)的實習(xí)、輔助課程設(shè)計進(jìn)行過程穩(wěn)態(tài)和動態(tài)分析；過程控制專業(yè)的實習(xí)、輔助課程設(shè)計進(jìn)行過程動態(tài)分析、安全評價、控制系統(tǒng)的方案設(shè)計、工程設(shè)計、控制系統(tǒng)組態(tài)、系統(tǒng)軟件和硬件連接、控制系統(tǒng)調(diào)試、運行、檢驗等多項實踐內(nèi)容。此外與以上分系統(tǒng)一樣，可以進(jìn)行常規(guī)控制、復(fù)雜控制、先進(jìn)控制、智能控制、優(yōu)化控制、深層知識專家系統(tǒng)（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(tǒng)由于能夠組合成多種工藝過程的對象，因此可以進(jìn)行多種多樣的控制系統(tǒng)實驗與研究。本實驗平臺對外提供標(biāo)準(zhǔn)接口，實時輸出過程數(shù)據(jù)，實時接收外部控制數(shù)據(jù)。被控過程變量和控制閥可在現(xiàn)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(shè)計多種多樣的控制方案，既可以進(jìn)行初級與中等復(fù)雜程度的過程與控制實驗、也可以進(jìn)行高級復(fù)雜的過程與控制實驗、還可以進(jìn)行故障診斷實驗。

    事實上，在本實驗系統(tǒng)上可以進(jìn)行的過程控制實驗是排列組合的概念，即可以達(dá)到數(shù)百種之多。因為本系統(tǒng)可變化的內(nèi)容包括了8種工藝過程、設(shè)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(shè)定干擾、控制系統(tǒng)自由組態(tài)、控制算法自由嵌入等。所以，本實驗系統(tǒng)上可以進(jìn)行的過程控制實驗內(nèi)容的變化幾乎是天文數(shù)字。這也是本系統(tǒng)革新傳統(tǒng)實驗系統(tǒng)的重要方面。由于這種自由組合功能，為學(xué)生和教師提供了一個創(chuàng)新實驗的環(huán)境，學(xué)生可以自行設(shè)計各種各樣的控制方案，并立即進(jìn)行實驗驗證。

    由于實驗內(nèi)容非常豐富，為了便于結(jié)合教學(xué)大綱選擇所需要的實驗，可按實驗類別進(jìn)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(chǔ)控制實驗
    （5）復(fù)雜控制實驗
    （6）全流程控制綜合設(shè)計實驗
    （7）先進(jìn)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(tǒng)、非自衡系統(tǒng)、單容系統(tǒng)、隔離多容系統(tǒng)、關(guān)聯(lián)多容系統(tǒng)、液位系統(tǒng)、流量系統(tǒng)、壓力系統(tǒng)、溫度與傳熱系統(tǒng)、成分系統(tǒng)、過程非線性系統(tǒng)、離心泵特性、離心式鼓風(fēng)機特性、調(diào)節(jié)閥特性（線性、等百分比、拋物、快開）、連續(xù)反應(yīng)動力學(xué)特性、間歇反應(yīng)動力學(xué)特性等。

    基礎(chǔ)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(shù)整定（4-6種方法）、調(diào)節(jié)閥選用計算及測試（液體、氣體）、標(biāo)準(zhǔn)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(fù)雜控制實驗包括：串級控制系統(tǒng)、均勻控制系統(tǒng)、比值控制系統(tǒng)、超馳控制系統(tǒng)、前饋控制系統(tǒng)、分程控制系統(tǒng)、非線性控制系統(tǒng)等。

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

4 結(jié)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(tǒng)的優(yōu)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(shè)備可實現(xiàn)多種過程實驗的最佳組合；可實現(xiàn)多種過程控制方法和多種方案選擇實驗；無須投料、安全、節(jié)能、環(huán)保；模塊化、組裝化、數(shù)字化、標(biāo)準(zhǔn)化、易使用、易維護(hù)、低功耗、高可靠性；是計算機智能化教學(xué)實驗技術(shù)的全面升級。本系統(tǒng)的研制成功是實驗教學(xué)技術(shù)的突破。

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