吉 智

摘要 研究一種新型實驗平臺,利用一個教學(xué)案例說明該平臺在過程控制課程中的應(yīng)用。在教學(xué)中利用該平臺和原有實驗設(shè)備組成完整教學(xué)實驗方案,推行理論實踐一體化教學(xué),取得較好的效果。

關(guān)鍵詞 過程控制;實驗儀器;教學(xué)方法

中圖分類號:G712 文獻標識碼:B 文章編號:1671-489X(2009)24-0035-02

Research of Integration Teaching of Theory and Practice in Process Control Course//Ji Zhi

Abstract In this paper, a novelty computer process control experiment platform was fully researched, whose application in the?process control course was shown in a teaching case. With?this experiment platform?and previous equipments integrated into a complete teaching and experiment system, we push the?integration teaching of theory and practice ahead and gain?good results.

Key words Process Control; experiment apparatus; teaching method

Authors address Xuzhou College of Industry Technology, Xuzhou, Jiangsu, 221000, China

過程控制課程是自動化類專業(yè)一門重要課程,學(xué)生常反映概念抽象、計算復(fù)雜,特別是實驗耗時費力,和理論教學(xué)脫節(jié),效果很不理想。研制一種新型教學(xué)實驗平臺,利用它能夠在有限的課堂時間里簡便易行地完成信號的輸入輸出、算法分析和數(shù)據(jù)處理全部過程。借助于該教學(xué)平臺,逐漸摒棄那種在課堂上進行理論教學(xué),課后在實驗室進行實驗驗證的“兩段式”教學(xué)方法,在教學(xué)中將理論教學(xué)與實驗教學(xué)有機融合起來,取得較好的教學(xué)效果。

1 教學(xué)平臺構(gòu)建

MATLAB作為一種科學(xué)研究和工程計算軟件,早已成為電子信息類課程常用的軟件工具,在過程控制課程中也常利用該軟件對控制算法、系統(tǒng)模型進行研究。在此基礎(chǔ)上如果能夠?qū)崿F(xiàn)外部信號的輸入采集和計算機信號的輸出處理,那么結(jié)合原有實驗裝置中的傳感器、執(zhí)行器、被控對象等設(shè)備即可構(gòu)建完整的過程教學(xué)平臺,這樣就可以在一個統(tǒng)一的平臺上完成信號采集、算法研究、數(shù)據(jù)處理、信號輸出的全部過程,從而便捷地實現(xiàn)課程的理論實踐一體化教學(xué)。

實驗平臺(圖1)硬件包括2臺計算機(分別作為Host PC和Target PC)、數(shù)據(jù)采集卡、2塊網(wǎng)卡和雙機通信線,軟件包括MATLAB、Simulink、RTW、xPCTarget、C編譯器等[1]。其中Host PC工作于非實時模式,主要任務(wù)是對通信進行配置,生成啟動軟盤,利用MATLAB軟件搭建控制器模型,然后經(jīng)過編譯生成可執(zhí)行C代碼。Target PC工作于實時模式,通過啟動軟盤啟動到實時模式下,利用通信將可執(zhí)行C代碼從Host PC下載到Target PC上實時執(zhí)行。在此過程中可以通過多種方式進行控制、參數(shù)調(diào)整、數(shù)據(jù)記錄和處理[2]。

系統(tǒng)對數(shù)據(jù)采集卡沒有特殊要求,可以采用任何一款通用數(shù)據(jù)采集卡,但對于xPCTarget沒有列出的板卡,必須自行編寫xPCTarget設(shè)備驅(qū)動程序。采用NI的PCI6024E數(shù)據(jù)采集卡,xPCTarget提供該采集卡的驅(qū)動程序,可以直接應(yīng)用。在Target PC的BIOS中關(guān)閉以下3項功能[1]:1)Advanced Power Management;2)USB Port;3)Plug-and-Play(PnP) Operating System。其中前2項容易引起處理器過載,第3項會造成PCI插槽工作不正常,這一點非常重要。

Host PC對網(wǎng)卡沒有特殊要求,而Target PC必須采用特定的幾種網(wǎng)卡[3]。本文Host PC采用主板自帶網(wǎng)卡,Target PC采用Intel pro/100+網(wǎng)卡。在網(wǎng)絡(luò)鄰居中啟用相應(yīng)網(wǎng)卡,對屬性進行配置,注意Target PC中IP地址的最后一位必須和Host PC不同。2臺計算機用雙機互聯(lián)型網(wǎng)線進行聯(lián)機,如果通信正常,在Host PC中打開MATLAB,鍵入xpcexplr指令,對Target PC的通信參數(shù)進行設(shè)定,務(wù)必確保輸入的IP地址和先前對Target PC網(wǎng)卡的配置一致。設(shè)置完成后單擊ConfigurationTarget Boot ModeBootfloppy生成啟動軟盤。

在Target PC的BIOS中將軟驅(qū)設(shè)為第一啟動設(shè)備,將軟盤插入Target PC軟驅(qū)中,重新啟動Target PC,啟動后Target PC處于等待代碼下載執(zhí)行的狀態(tài)。在Host PC的xpcexplr中右鍵單擊Target PC1節(jié)點,選擇connect,左側(cè)Target PC1節(jié)點前的紅色小叉去掉,即表示雙機通信正常。至此,實驗平臺配置完成。

2 教學(xué)案例設(shè)計

設(shè)計一個既簡單又具代表性的案例[4]:采用信號發(fā)生器產(chǎn)生一個正弦信號,通過采集卡的A/D通道將信號采集到MATLAB中并進行顯示;在MATLAB中用信號發(fā)生模塊產(chǎn)生一個正弦波信號,通過Target Scope模塊進行顯示,通過采集卡的D/A通道將信號輸出,并用示波器觀察信號的波形。

在Simulink中建立一個空白的模型文件,并將其保存為daq1.mdl。然后打開Simulink的xPCTarget模塊,在A/D條目的National Instruments中尋找PCI-6024E-AD并將其添加到空白模型中,繼續(xù)添加Rate Transition、Target Sope、PCI-6024E-D/A模塊并按照圖2將各模塊進行連接。其中的Scope(Xpc)模塊就是Target PC機上顯示的示波器。再對各模塊進行參數(shù)設(shè)置,即可完成圖形化編程工作。其中PCI-6024E-AD和PCI-6024E-D/A模塊的設(shè)置最為重要,要特別注意通道號、幅值、向量個數(shù)、采樣頻率、PCI插槽號要和實際一致。

下面對仿真參數(shù)進行設(shè)置。在SimulationConfiguration Parameters的Solver條目中將Simulation timeStop time設(shè)為期望的時間,Solver options ype設(shè)為Fixed-step,將Solver optionsSolver設(shè)為合適的解算器如ode4(Runge-Kutta);將Real-Time WorkshopTarget SelectionSystem target file設(shè)為xpctarget.tlc,其余選項保持默認值即可。確保Host PC和Target PC通信正常,選擇ToolsReal Time WorkshopBuild Model即可將模型文件編譯為C代碼并自動下載到目標機中實時執(zhí)行。在Target PC中鍵入C指令激活命令輸入框,通過指令方式即可控制工作狀態(tài),也可以在Host PC中通過Web方式進行,這種方法界面更加直觀友好。圖3為Target PC屏幕截圖,上面的波形為采集卡AD通道采集到的正弦信號,下面的波形為MATLAB中用信號發(fā)生模塊產(chǎn)生的一個正弦波信號。圖4為示波器中監(jiān)視到的采集卡DA通道輸出的波形。

在教學(xué)中結(jié)合MATLAB軟件進行控制器設(shè)計(此方法在過程控制課程中經(jīng)常使用,可參考文獻[2]),再結(jié)合上文所述的方法實現(xiàn)數(shù)據(jù)的輸入輸出,即可完成過程控制課程中常見的控制算法設(shè)計、驗證類實驗。由于該教學(xué)平臺不必對控制對象進行數(shù)學(xué)建模和手工編程,只需采用軟件自帶模塊“組裝”即可快速搭建圖形化程序,完成全部軟件開發(fā)工作,并可以立即編譯下載到目標計算機中執(zhí)行,根據(jù)實驗數(shù)據(jù)可以立刻在線對控制算法和參數(shù)進行修改,不需要重新進行軟件開發(fā)就可以進行實驗驗證,極大地方便過程控制課程理論實踐一體化教學(xué)的開展。

3 結(jié)論

在很多課程教學(xué)中,理論實踐一體化模式的優(yōu)越性逐漸得到認可,但在教學(xué)實踐中,像過程控制這類課程,部分實驗項目中傳統(tǒng)的實驗設(shè)備過于復(fù)雜,設(shè)備調(diào)試、控制算法編寫需要花費大量時間,給教學(xué)來極大的困難,很多好的教學(xué)方案設(shè)計無法在時間有限的課堂教學(xué)中應(yīng)用,嚴重阻礙理論實踐一體化模式的推行。文中構(gòu)建的新型教學(xué)實驗平臺,較好地解決了這個問題。

利用本實驗教學(xué)平臺進行過程控制課程的理論實踐一體化教學(xué)具有以下優(yōu)勢:1)利用數(shù)據(jù)采集卡和個人計算機構(gòu)建雙機模式,成本較低,能夠充分利用現(xiàn)有設(shè)備;2)編程環(huán)境好,無須手工編程,采用圖形化手段就能夠快速完成過程控制課程中全部軟件編寫工作,特別適合編程經(jīng)驗不足的學(xué)生學(xué)習(xí)使用;3)Target PC機工作于實時模式,可實現(xiàn)現(xiàn)場信號的輸入輸出,實驗數(shù)據(jù)來自于真實的實驗過程,而不只是仿真結(jié)果;4)參數(shù)調(diào)整、控制器模型修改以及修改后的實驗驗證可以快速完成,非常有利于課堂教學(xué)的應(yīng)用。

參考文獻

[1]The MathWorks Inc.xPCTarget help[EB/OL].http://www.mathworks.com

[2]薛定宇.基于MATLAB/Simulink的系統(tǒng)仿真技術(shù)與應(yīng)用[M].北京:清華大學(xué)出版社,2002

[3]Shiakolas P S,Piyabongkam D.On the Development of a Real-Time Digital Control System Using xPCTarget anda Magnetic Levitation Device[A].Proceedings of the 40th IEEE Conference on Decision and Control,2001

[4]吉智,何鳳有,等.Matlab/xPCTarget實時數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計[J].工礦自動化,2009(5)