陳鳳祥，孫澤昌，章 桐

(同濟大學汽車學院，新能源汽車工程中心，上海201804)

在“自動控制原理”課程中的溫度控制系統(tǒng)，具有結構原理簡單的特點，還常見于實際生活之中，如空調、恒溫箱和電熱爐等。在許多“自動控制原理”課程教材的緒論部分，也采用了溫度控制系統(tǒng)進行自動控制原理的相關概念闡述［1，2]。我們和學生交流中發(fā)現(xiàn)，如果在教學中能夠有一個真實(或仿真)系統(tǒng)實時的演示，在演示的時候將相關概念融合進去，則他們會更容易理解。

為此，我院自動控制課題組擬開發(fā)自動控制虛擬實驗室軟件，對自動控制的每一章節(jié)都有相關虛擬實驗(有些還配有相關硬件)進行課堂演示。學生可以在課后運行這些虛擬實驗以進一步消化和理解各知識點。本文針對溫控系統(tǒng)的特點和相關自動控制入門概念教學的需要，在Simulink下設計了一款可以實時仿真的溫控系統(tǒng)，可讓學生清晰地看到人工控制和自動控制下溫度實時變化情況，開環(huán)控制和閉環(huán)控制下相關的優(yōu)缺點，有興趣學生還可以進行控制策略的開發(fā)。

1 溫控系統(tǒng)虛擬實時仿真平臺介紹

1.1 實時模塊

Simulink可對模型進行仿真計算，也可基于RTW針對實際對象進行實時控制(也稱半實物仿真)，但并不能直接對模型進行實時仿真。為了讓模型能夠在Simulink中不借助于XPC或外部硬件系統(tǒng)便能進行實時仿真，我們在這里引入實時模塊RT Blockset［3]。RT Blockset并不是Simulink標配模塊，而是羅馬大學的一名學生為了將Simulink模擬成實時環(huán)境編寫而成的。該模塊實現(xiàn)Simulink實時仿真的基本原理如圖1所示。

圖1 實時仿真系統(tǒng)運行的基本原理圖

它根據(jù)仿真步長時間和實際計算步長時間之差值來控制程序運行速度，當實際計算時間小于仿真步長時間時，則將處理器交給Windows的其它任務，直到實際時間和仿真步長時間相等則喚醒Simulink仿真，從而計算下一時刻的模型信息。這個實時模塊在配置部分將Simulink任務劃分成5個等級:空閑(IDLE)，最低(LOWEST)，標準(NORMAL)，高(HIGH)和實時(REAL-TIME)。實際上它并沒有借助于真實的實時操作系統(tǒng)，而是繼續(xù)將任務運行在Windows這個非實時操作系統(tǒng)上，因此為了提高實時性，可根據(jù)需要將該任務配置成高于標準的優(yōu)先級(如高，實時)。原則上優(yōu)先級越高，實時性越強。在實際使用時，只需要直接將RT Blockset拖入到用戶的Simulink模型框圖中便可進行實時仿真。

1.2 溫度控制系統(tǒng)模型

本溫度控制系統(tǒng)，采用電壓可調的直流電源來控制流進電熱絲的電流大小，從而控制注入恒溫箱內的熱量，以達到溫度控制之目的。箱內溫度通過測溫模塊轉換成電壓信號，而后和給定裝置的給定電壓值進行差值運算并輸入到控制器中，最終控制器通過輸入的電壓差值經過適當運算后用以調節(jié)可調直流電源的電壓(如圖2所示)。箱體模型中采用了二個慣性環(huán)節(jié)的串聯(lián)分別模擬電熱絲和箱體與環(huán)境的溫度交換;測溫模塊采用了一個正比例函數(shù)將溫度變換成電壓信號;對于虛框部分，既可實現(xiàn)人工控制，也可通過計算機或模擬部件實現(xiàn)自動控制。

2 人工控制教學

圖2 控制系統(tǒng)結構原理圖

在虛擬實時仿真平臺上可以實現(xiàn)最原始的人工控制，其控制框圖如圖3所示。由圖可見，一旦溫度高了讓電源斷開(讓切換開關連接到電壓0)，溫度低了讓電源接上(讓切換開關連接到電壓1)。其控制效果如圖4所示。顯然這是一件十分費力的差事，而且控制精度低，重復性差。

圖3 人工控制框圖

圖4 人工實時控制效果圖

3 自動控制教學

基于人工控制思想，可以采用Matlab的M語言來實現(xiàn)人工控制中的邏輯判斷代替人工控制。顯然控制效果還是代價都比人工控制好了許多，這便是自動控制。其中，開環(huán)和閉環(huán)是自動控制中二個基本也是十分重要的概念。

3.1 開環(huán)控制和閉環(huán)控制

開環(huán)控制是指控制裝置與被控對象之間只有順向作用而沒有反向聯(lián)系的控制過程，按這種方式組成的系統(tǒng)稱為開環(huán)控制系統(tǒng)。對于開環(huán)系統(tǒng)，通過多次仿真實驗建立起一張輸入到輸出的靜態(tài)表格用于控制器設計。開環(huán)控制系統(tǒng)如圖5所示。

圖5 開環(huán)控制系統(tǒng)原理圖

閉環(huán)控制是將輸出量直接或間接反饋到輸入端形成閉環(huán)、參與控制的控制方式，閉環(huán)控制系統(tǒng)如圖6所示。

圖6 閉環(huán)控制系統(tǒng)原理圖

對于閉環(huán)系統(tǒng)，除了講解閉環(huán)的概念外，還可和開環(huán)控制系統(tǒng)的特性進行仿真對比，從而讓學生切實理解閉環(huán)和開環(huán)系統(tǒng)的各自優(yōu)缺點。如當改變被控對象的靜態(tài)特性后，開環(huán)系統(tǒng)出現(xiàn)了較大的穩(wěn)態(tài)誤差，然后閉環(huán)系統(tǒng)則依然讓穩(wěn)態(tài)誤差保持為零或很小。改變被控對象的靜態(tài)或動態(tài)特性也可能使得閉環(huán)控制穩(wěn)定性變差，甚至不穩(wěn)定。對于開環(huán)系統(tǒng)依然可以穩(wěn)定，只是可能穩(wěn)態(tài)誤差變大。

在閉環(huán)系統(tǒng)中控制器實際上就是實現(xiàn)了一個從偏差到實際控制對象輸入的映射f:e→u。從數(shù)學的角度，控制理論的學習目的就是尋找一個合適的映射，使得系統(tǒng)滿足設計需求。但如何構造這樣的映射往往并不是光靠數(shù)學可以完成的，更多需要對控制對象機理的理解，在此基礎上再結合控制理論知識才能完成。

3.2 控制策略

閉環(huán)控制中的控制器實現(xiàn)了由電壓差到電壓調節(jié)的一個變換，反饋通道傳感器部分實現(xiàn)了從溫度到電壓轉換，這里采用了簡單的線性變換。這樣的軟件實驗平臺可以讓學生嘗試采用如下三種不同的控制策略，來提升控制性能。

控制策略(1)采用如下的控制邏輯判斷關系:

控制策略(2)考慮到溫度誤差大時，適合采用大電壓從而產生大熱流。但熱慣性容易導致校正過頭，因此誤差小時采用低電壓(產生小熱流)校正，從而減輕校正過頭的程度?；谶@樣的原則，則可以修改控制策略而采用如下的控制邏輯判斷關系:

控制策略(3)是采用一個較為理想的修正后的PID控制器。

這樣的軟件實驗平臺還可以讓學生嘗試更多的原始控制策略來提升溫度控制性能，例如在該平臺上以控制策略(3)為模板，讓學生將自己開發(fā)的控制策略與其進行對比。系統(tǒng)在開環(huán)和閉環(huán)三種策略下溫度控制的仿真效果曲線如圖7所示。

圖7 開環(huán)和閉環(huán)三種策略下溫度控制結果比較

由上圖可知，在這些控制策略中，采用修正后的PID控制策略(3)具有最好的控制效果。學生就有更多興趣去了解其中緣由，從而尋求更優(yōu)秀的控制策略和設計方法。此外，還可以考慮提前關閉電源，使得其利用熱慣性讓溫度過渡到期望位置附近。這些開放性的思維可以讓學生去探索，這不僅可以增加他們對自動控制學習的積極性，還可以切實增強他們解決實際問題的能力。

4 偏差與誤差

偏差是由傳感器變送反饋(這里就是溫度傳感器反饋電壓)與給定值(設定電壓)之間的差值。它并不是期望輸出(譬如在本文中就是期望溫度值)與實際輸出(實際溫度值)的差值，后者就是誤差的定義。顯然誤差和偏差是有區(qū)別的，但對于實際控制系統(tǒng)而言，控制器僅僅只需要檢測偏差就足夠了。

［1] 孔祥東，王益群，控制工程基礎(第3版)，北京:機械工業(yè)出版社，2008

［2] 胡壽松，自動控制原理(第5版)，北京:科學出版社，2007

［3] http://leonardodaga.insyde.it/Simulink/RTBlockset.htm