孟令雅

（中國(guó)石油大學(xué)（華東）信息與控制工程學(xué)院，山東青島 266555）

自動(dòng)控制理論是高校自動(dòng)化專業(yè)非常重要的專業(yè)基礎(chǔ)課程，在課程中蘊(yùn)含著許多非常重要的科學(xué)方法，例如“反饋”方法、“黑箱”方法、“模擬”方法等。在工程實(shí)踐和社會(huì)生活中，這些科學(xué)方法都得到了廣泛的應(yīng)用［1－3］。但是，由于自動(dòng)控制理論是從控制實(shí)踐中抽象出來(lái)的理論課程，具有“概念抽象、與數(shù)學(xué)聯(lián)系緊密、實(shí)踐性強(qiáng)”3個(gè)特點(diǎn)［4］，因此很多學(xué)生反映比較難學(xué)，一些只注重理論學(xué)習(xí)而輕視實(shí)踐的學(xué)生往往只會(huì)“紙上談兵”，而不會(huì)運(yùn)用所學(xué)的理論知識(shí)分析和解決工程實(shí)際問(wèn)題。

為了加強(qiáng)學(xué)生對(duì)這些科學(xué)方法的理解并且能夠?qū)W以致用，培養(yǎng)和提高大學(xué)生的工程意識(shí)和運(yùn)用理論解決實(shí)際問(wèn)題的能力，很多高校都安排了自動(dòng)控制理論課程的綜合實(shí)驗(yàn)和課程設(shè)計(jì)實(shí)踐環(huán)節(jié)［5－7］。實(shí)踐表明，課程設(shè)計(jì)在提高學(xué)生的工程素質(zhì)方面發(fā)揮了重要的作用。近年來(lái)，我校在該課程的課程設(shè)計(jì)方面也做了一些探索性的研究工作，通過(guò)幾年來(lái)的實(shí)踐教學(xué)和不斷改進(jìn)，取得了較好的教學(xué)效果。

1 自動(dòng)控制理論課程中的科學(xué)方法

1.1 “反饋”方法

“反饋”是自動(dòng)控制理論中最重要的概念，是控制理論的核心思想，也是自動(dòng)控制的基本原理。在實(shí)際的控制系統(tǒng)中，絕大多數(shù)都具有負(fù)反饋的控制結(jié)構(gòu)。負(fù)反饋控制的本質(zhì)在于設(shè)計(jì)一個(gè)偏差不斷減少的過(guò)程，通過(guò)系統(tǒng)不斷地將被控變量和參考輸入信號(hào)作比較，使得偏差在一次次的控制中慢慢減少，最后達(dá)到控制的目的。

“反饋”方法，尤其是負(fù)反饋方法在生活實(shí)踐中具有廣泛的應(yīng)用，例如在經(jīng)濟(jì)活動(dòng)中，某項(xiàng)投資遭到了失敗，投資人可以根據(jù)收益的反饋信息調(diào)整投資方案，從而獲得較好的收益，再比如教師在課堂教學(xué)中通過(guò)觀察學(xué)生的反應(yīng)，或者利用課間休息時(shí)間或答疑時(shí)間和學(xué)生的交流，收集學(xué)生對(duì)該課程的反饋信息，及時(shí)地對(duì)課程教學(xué)進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，能夠不斷地提高教學(xué)質(zhì)量。通常所說(shuō)的“吃一塹，長(zhǎng)一智”、“失敗是成功之母”等，也都是負(fù)反饋調(diào)整人們認(rèn)識(shí)作用的通俗說(shuō)明［8］。

1.2 “黑箱”方法

在控制理論中，一個(gè)未知的研究對(duì)象通常被稱為一個(gè)“黑箱”。所謂“黑箱”方法，簡(jiǎn)單地說(shuō)，就是給一個(gè)未知的研究對(duì)象輸入信號(hào)，然后觀察其輸出信號(hào)的變化，通過(guò)黑箱外部的輸入輸出數(shù)據(jù)進(jìn)行分析研究，得出對(duì)其內(nèi)部結(jié)構(gòu)認(rèn)識(shí)的方法，在控制理論中有一個(gè)專門的術(shù)語(yǔ)叫做“系統(tǒng)辨識(shí)”［9］。

“黑箱”方法的應(yīng)用十分廣泛，例如，如果將人看作是一個(gè)“知人知面不知心”的黑箱，人們可以通過(guò)“聽(tīng)其言，觀其行”而“知其心”。這種行為分析方法是一種典型的“黑箱”方法的應(yīng)用?？荚囈彩恰昂谙洹狈椒ǖ囊环N應(yīng)用，教師給學(xué)生出題目，就是給學(xué)生大腦輸入信息，而學(xué)生答題就是輸出信息，教師通過(guò)分析出題與答題的對(duì)應(yīng)關(guān)系，就能夠知道學(xué)生掌握知識(shí)的情況。又如社會(huì)生活實(shí)踐中，用問(wèn)卷調(diào)查了解社會(huì)情況，用投入－產(chǎn)出法研究國(guó)民經(jīng)濟(jì)等，都是對(duì)“黑箱”方法的應(yīng)用。

1.3 “模擬”方法

模擬方法是一種傳統(tǒng)的科學(xué)方法，在自動(dòng)控制理論中，該方法被形象地稱之為“仿真”。所謂“模擬”方法，是以不同系統(tǒng)的行為相似為基礎(chǔ)，通過(guò)模型（物理模型或數(shù)字模型）來(lái)間接地研究系統(tǒng)原型行為的方法。通過(guò)對(duì)某類數(shù)學(xué)模型的仿真，就能夠把握與其“相似”的一類“相似系統(tǒng)”的行為。在工程實(shí)踐中，常常采用簡(jiǎn)單的易于實(shí)現(xiàn)的系統(tǒng)來(lái)模擬相對(duì)復(fù)雜的不容易實(shí)現(xiàn)的系統(tǒng)，或者采用純數(shù)字的模型系統(tǒng)來(lái)模擬實(shí)際的物理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)仿真研究。

“模擬”方法在工程實(shí)踐中的應(yīng)用也非常廣泛，例如石化企業(yè)中常用的對(duì)員工進(jìn)行崗位培訓(xùn)的仿真培訓(xùn)系統(tǒng)、自動(dòng)化領(lǐng)域的科研人員常用的數(shù)字仿真，都是“模擬”方法的典型應(yīng)用。

在自動(dòng)控制理論課程中，除了以上3種比較典型的科學(xué)方法之外，還有“前饋”方法、“順饋”方法等，在工程實(shí)踐和社會(huì)生活中也均有一定的應(yīng)用。

2 自動(dòng)控制理論課程的課程設(shè)計(jì)

自動(dòng)控制理論課程設(shè)計(jì)是實(shí)踐教學(xué)的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，它的任務(wù)是通過(guò)課程設(shè)計(jì)，使學(xué)生進(jìn)一步掌握自動(dòng)控制的基本概念和控制系統(tǒng)的基本分析和設(shè)計(jì)方法，提高工程實(shí)踐能力。

2.1 總體設(shè)計(jì)思路

為了加深學(xué)生對(duì)課程中科學(xué)方法的理解并學(xué)以致用，鍛煉在軟、硬件方面的動(dòng)腦和動(dòng)手能力，在我校的課程設(shè)計(jì)中，應(yīng)用了較多的軟件和硬件，其中軟件部分包括Matlab仿真軟件［10］和DCS組態(tài)軟件，硬件部分包括計(jì)算機(jī)、NI數(shù)據(jù)采集卡、A3000過(guò)程控制系統(tǒng)［11］和模擬電路實(shí)驗(yàn)箱。

首先，選擇A3000 過(guò)程控制系統(tǒng)作為被控對(duì)象，要求學(xué)生利用“黑箱”方法測(cè)試對(duì)象特性，得到被控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型。然后，根據(jù)所測(cè)得的數(shù)學(xué)模型，基于Matlab數(shù)字仿真平臺(tái)設(shè)計(jì)控制器，構(gòu)成負(fù)反饋控制系統(tǒng)。通過(guò)數(shù)字仿真，研究控制器的參數(shù)變化對(duì)系統(tǒng)性能的影響，選擇出合適的控制器參數(shù)。

接著，根據(jù)“相似系統(tǒng)”的原理，使用模擬電路實(shí)驗(yàn)箱搭建電路，模擬A3000過(guò)程控制系統(tǒng)，通過(guò)NI數(shù)據(jù)采集卡將實(shí)驗(yàn)箱和計(jì)算機(jī)相連，利用前面設(shè)計(jì)得到的控制器，基于實(shí)驗(yàn)箱進(jìn)行物理仿真，實(shí)現(xiàn)對(duì)模擬電路實(shí)驗(yàn)箱的實(shí)時(shí)控制。最后，將設(shè)計(jì)得到的控制器送入DCS組態(tài)軟件，控制A3000過(guò)程控制系統(tǒng)，測(cè)試控制算法在實(shí)際控制裝置上應(yīng)用的有效性。

2.2 A3000－DCS高級(jí)過(guò)程控制系統(tǒng)

A3000－DCS高級(jí)過(guò)程控制系統(tǒng)是北京華晟高科教學(xué)儀器有限公司推出的多功能實(shí)驗(yàn)裝置，現(xiàn)場(chǎng)系統(tǒng)如圖1所示，包括1 個(gè)大的儲(chǔ)水箱、3 個(gè)水箱、1 個(gè)鍋爐、1個(gè)強(qiáng)制換熱器、2個(gè)水泵、2個(gè)流量計(jì)和1個(gè)電動(dòng)調(diào)節(jié)閥等。通過(guò)不同的單元組合，可以構(gòu)成典型的一階、二階和三階被控對(duì)象。該裝置既可以實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的單回路控制，也可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的串級(jí)控制；既可以實(shí)現(xiàn)單變量控制，也可以實(shí)現(xiàn)多變量控制。

圖1 A3000過(guò)程控制裝置

在課程設(shè)計(jì)中，選取3＃水箱和4＃水箱串聯(lián)組成的液位控制系統(tǒng)，選取控制變量為變頻泵的頻率，被控變量為4＃水箱的液位。

根據(jù)自動(dòng)控制理論的知識(shí)，很顯然，要設(shè)計(jì)出合適的控制算法，必須首先了解被控對(duì)象的信息，然后根據(jù)這些信息構(gòu)成負(fù)反饋控制系統(tǒng)，因此，課程設(shè)計(jì)的第一個(gè)任務(wù)就是測(cè)試被控對(duì)象的開(kāi)環(huán)特性。由于水箱的尺寸和閥門的閥阻等參數(shù)不易確定，因此在課程設(shè)計(jì)中采用“黑箱”方法來(lái)建立被控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型。在水箱的某個(gè)平衡點(diǎn)（一般選擇50%）給3＃水箱一個(gè)大小合適的階躍輸入，測(cè)試4＃水箱液位的變化，根據(jù)DCS保存的輸入輸出數(shù)據(jù)進(jìn)行系統(tǒng)辨識(shí)，即可得到被控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型。

2.3 基于Matlab數(shù)字仿真平臺(tái)的控制器設(shè)計(jì)和數(shù)字仿真

課程設(shè)計(jì)的第2個(gè)任務(wù)是設(shè)計(jì)控制器，要求學(xué)生基于測(cè)得的被控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型，分別設(shè)計(jì)純比例控制器和PID 控制器，構(gòu)成負(fù)反饋控制系統(tǒng)。

首先，使用Matlab軟件中的設(shè)計(jì)工具，畫(huà)出系統(tǒng)的根軌跡，確定出使系統(tǒng)穩(wěn)定的控制器參數(shù)范圍。然后，使用Matlab提供的Simulink仿真工具箱，進(jìn)行數(shù)字仿真，分析控制器的參數(shù)變化對(duì)系統(tǒng)性能的影響，確定合適的控制器參數(shù)。如果系統(tǒng)的性能指標(biāo)不能滿足要求，則可通過(guò)設(shè)計(jì)串聯(lián)超前或滯后校正環(huán)節(jié)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行校正。

2.4 基于模擬實(shí)驗(yàn)箱的物理仿真

為了更好地和工程實(shí)際接近，加強(qiáng)學(xué)生的工程意識(shí)，在課程設(shè)計(jì)的純數(shù)字仿真環(huán)節(jié)之后，安排了物理仿真測(cè)試環(huán)節(jié)，將所設(shè)計(jì)的控制算法在模擬電路實(shí)驗(yàn)箱上進(jìn)行了仿真測(cè)試，測(cè)試控制算法應(yīng)用到現(xiàn)場(chǎng)的可行性。首先，基于A3000過(guò)程控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，根據(jù)“相似系統(tǒng)”的原理，使用實(shí)驗(yàn)箱搭建電路，模擬實(shí)際的被控對(duì)象；然后，通過(guò)數(shù)據(jù)采集卡將模擬電路實(shí)驗(yàn)箱和計(jì)算機(jī)相連，利用Matlab仿真軟件提供的OPC 接口，編寫(xiě)客戶端程序，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集［12］和對(duì)模擬實(shí)驗(yàn)箱的實(shí)時(shí)控制。物理仿真示意圖如圖2所示。

圖2 物理仿真示意圖

在此過(guò)程中，往往會(huì)出現(xiàn)一些數(shù)字仿真中沒(méi)有的問(wèn)題，例如比較常見(jiàn)的信號(hào)“毛刺”現(xiàn)象和有可能出現(xiàn)的信號(hào)飽和現(xiàn)象。在物理仿真過(guò)程中，學(xué)生能夠非常直觀地觀察到理想數(shù)字仿真和實(shí)際物理仿真結(jié)果的聯(lián)系和差別，可以引導(dǎo)學(xué)生分析造成差別的原因，并給學(xué)生介紹一些工程上常用的簡(jiǎn)單的濾波方法。

2.5 A3000過(guò)程控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)控制

課程設(shè)計(jì)的最后一個(gè)任務(wù)是將所設(shè)計(jì)的控制算法加到A3000過(guò)程控制系統(tǒng)上，測(cè)試實(shí)際系統(tǒng)的控制性能。

將控制算法送入DCS組態(tài)軟件，可以非常直觀地觀察液位控制系統(tǒng)的液位變化情況，畫(huà)出實(shí)時(shí)控制曲線。通過(guò)對(duì)實(shí)際被控對(duì)象的實(shí)時(shí)控制，自動(dòng)控制理論課程中的許多抽象的概念，例如過(guò)渡過(guò)程、超調(diào)量、調(diào)節(jié)時(shí)間等，都栩栩如生地呈現(xiàn)在眼前，非常容易被學(xué)生理解和接受。同時(shí)，也可以引導(dǎo)學(xué)生分析實(shí)際的控制性能和數(shù)字仿真，以及物理仿真的性能指標(biāo)之間的區(qū)別和聯(lián)系，并分析原因。

總之，通過(guò)課程設(shè)計(jì)，學(xué)生能夠鍛煉綜合利用自動(dòng)控制理論課程中的科學(xué)方法，以及分析和解決工程實(shí)際問(wèn)題的能力，例如利用“黑箱”方法建立被控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型、利用“反饋”方法構(gòu)成負(fù)反饋控制系統(tǒng)、利用“模擬”方法進(jìn)行數(shù)字仿真和物理仿真等。因此，課程設(shè)計(jì)在加深學(xué)生對(duì)自動(dòng)控制理論課程中科學(xué)方法的理解和掌握，以及提高學(xué)生工程實(shí)踐能力方面，發(fā)揮了非常重要的作用。

3 結(jié)束語(yǔ)

結(jié)合自動(dòng)控制理論的教學(xué)內(nèi)容，介紹了課程當(dāng)中一些重要的科學(xué)方法，以及如何將這些科學(xué)方法融入到學(xué)校的課程設(shè)計(jì)當(dāng)中。在課程設(shè)計(jì)中，由于采用了過(guò)程控制系統(tǒng)、模擬實(shí)驗(yàn)箱和Matlab數(shù)字仿真平臺(tái)相結(jié)合的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ?，較好地改善了傳統(tǒng)的純數(shù)字仿真驗(yàn)證模式，充分鍛煉了學(xué)生在軟、硬件方面的動(dòng)腦和動(dòng)手能力，加深了學(xué)生對(duì)課程中科學(xué)方法的理解，提高了學(xué)生的工程實(shí)踐能力，獲得了較好的教學(xué)效果。

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