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        xPC Target在“PID控制算法”教學中的應用

        2015-08-10 23:54:36梁廣瑞
        廣西教育·C版 2015年7期

        【摘 要】介紹了在自動控制理論課程中引入xPC Target半實物仿真控制系統(tǒng),采用引導文教學法進行“PID控制算法”教學的實踐。

        【關鍵詞】xPC Target 引導文教學法 PID控制算法

        【中圖分類號】 G 【文獻標識碼】 A

        【文章編號】0450-9889(2015)07C-0187-02

        PID控制算法是控制理論中一個非常重要的知識點,不僅內(nèi)容抽象、理論性強,而且工程實踐性強,標準PID以及各種改進的PID控制算法在實際生產(chǎn)中大量應用,占據(jù)著主導地位。由于該算法是理解反饋控制的基礎以及它的實用性,自動化類專業(yè)中除了在自動控制原理、PLC應用等課程做重點介紹外,往往還安排綜合實訓來強化對該算法的認識。由于高職高專學生一般數(shù)學基礎和抽象思維能力較差,在以上的幾門課程教學中(它們往往是安排在不同的學期中)又難以互相緊密配合,故教學效果不甚理想,教師難教,學生難懂。為了提高教學效果,嘗試在自動控制原理中引入xPC Target實時仿真技術并應用引導文教學法進行教學,取得了很好的成效。

        一、傳統(tǒng)教學方法的不足

        對于PID控制算法的學習,傳統(tǒng)的教學方法主要有講授法和仿真實驗法。講授法就是教師在課堂上通過公式推導和例子講解,將知識和技能傳授給學生。仿真法則在課堂引入數(shù)學軟件Matlab,使用M語言編寫程序或simulink搭建仿真模型,讓學生有一個“虛擬”的認識。仿真法的引入是自動控制原理教學近年來的一大改進,新出版的相關教材幾乎都引入了Matlab這個強大的數(shù)學工具。但是對于普通的高職高專學生,他們的數(shù)學基礎較為薄弱,抽象理解能力不強,不管是講授法還是仿真法,對他們來說,看到的、聽到的還都是很“虛”的數(shù)學公式,難以接受。

        高職高專學生的學習情緒化較強,對感興趣的東西可以有較高的學習積極性,對于抽象枯燥的東西則不愿學習,效率低下。如果學習任務能夠與具體實物密切聯(lián)系,有一定的可操作性和實用性,則他們樂于挑戰(zhàn)任務,并可以保持較為持久的興趣。傳統(tǒng)教學法在講授該部分內(nèi)容時,正是缺少理論與實際相結(jié)合的具體實物以及引申出的教學設計,xPC Target是Matlab平臺下的一種半實物實時仿真技術,能夠使用Matlab的Simulink/Stateflow等設計出來的控制器直接去控制受控對象實物,它的特點正好彌補這種缺陷。引入xPC Target,可以更好地采用新的教學方法,比如項目教學法、引導文教學法等,從而能更好地將理論和實踐結(jié)合在一起,提高教學效果。

        二、xPC Target簡介及基本原理

        xPC Target是MathWorks提供的一種快速原型設計的方法,用于控制器的實時測試和開發(fā),支持多種通用的PC輸入、輸出卡。xPC Target 是一種宿主機-目標機的運行模式,包括硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)。硬件系統(tǒng)包括宿主機、目標機、目標機上的I/O板卡,軟件系統(tǒng)在宿主機上包括windws系統(tǒng)、Matlab宿主機開發(fā)環(huán)境、xPC接口函數(shù),目標機上包括xPC實時內(nèi)核以及實時控制程序。宿主機和目標機之間通過串口或以太網(wǎng)進行通信。用戶首先在宿主機上使用Matlab,Simulink等高級語言開發(fā)控制程序,然后下載到目標機上實時運行,宿主機和目標機可以交互顯示數(shù)據(jù)和信號。值得注意的是,xPC實時內(nèi)核是Matlab在宿主機上生成的,目標機除了PC本身帶有的引導程序外,不需要任何其他系統(tǒng)軟件。

        圖1 xPC Target系統(tǒng)宿主機-目標機示意圖

        三、基于xPC Target的單容液位控制系統(tǒng)的搭建

        單容液位控制系統(tǒng)是高校自動化課程中典型使用的被控對象,采用xPC Target系統(tǒng)可以搭建如圖2所示的系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)框圖。xPC Target目標機上使用研華的高性能、高速多功能數(shù)據(jù)采集控制卡PCL-711B。它提供了8路12位A/D、1路12位D/A以及16路TTL兼容的輸入輸出。Matlab/simulink的xPC Target工具箱中帶有該款的模塊。根據(jù)系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)圖,編寫Simulink的PID控制程序,如圖2所示。使用Target Scope,可以在目標機上實時顯示動態(tài)數(shù)據(jù)曲線,如果仿真選擇External模式,則宿主機可以訪問到目標機數(shù)據(jù),使用Matlab的普通Scope進行分析。

        圖2 系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)框圖

        圖2 xPC Target的PID控制程序

        從以上的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和程序可以看出,xPC Target的使用非常簡單、直觀、自然,對于已經(jīng)在前面章節(jié)課程中使用Matlab進行過控制系統(tǒng)分析的學生來說,是一個很好的分析設計工具。在整個教學過程中,學生充滿了興趣,并很快掌握了這種先進的分析與設計方法,值得同行在教學過程中借鑒使用。

        四、引導文教學法

        引導文教學法是借助引導文等教學文件,通過工作計劃和自行控制工作過程等手段,引導學生獨立學習工作的教學方法。這種方法實際是項目教學法的完善和發(fā)展,其特點是具有明確的任務和引導問題,使學生獨立思考、解答,找出完成工作的方法。

        引導文的編寫是關鍵,學生通過閱讀引導文,明確學習目標,清楚知道應該完成哪些工作,掌握哪些知識、技能。本教學內(nèi)容采用該方法進行組織教學。以下是本項目的引導設計。

        (一)學習領域

        PID控制算法及計算機控制。

        (二)學習情境

        在現(xiàn)代化水廠中,有一道過濾工序,濾池底部鋪有約0.5m厚的細砂,并有出水閥門,前道工序處理過的水進入濾池后,為了濾水速度和濾水效果的最佳匹配,要求保持1.2m的液位,為了實現(xiàn)這個要求,需要使用PID控制算法,作為水廠自動化工程師,請你用實物仿真該控制模型,并完成PID算法的設計。

        (三)學習任務

        使用xPC Target作為控制器,采用PID控制算法實現(xiàn)單容液位被控對象的恒水位控制。

        (四)學習時間

        8課時。

        (五)任務描述

        了解xPC Target單容液位控制系統(tǒng)的硬件組成,對xPC Target宿主機-目標機進行參數(shù)設置,使用Simulink編寫PID控制算法,液位響應曲線圖形顯示,PID控制參數(shù)的整定。

        (六)引導問題

        簡述xPC Target宿主機-目標機的構(gòu)成、工作原理及特點?

        控制水箱液位的辦法是什么?

        液位變送器輸出的電壓信號與液位高度有什么關系?

        輸入給變頻器的電壓信號與變頻器控制水泵轉(zhuǎn)速有什么關系?

        簡述xPC Target目標機與變頻器,液位變送器的信號匹配以及傳遞方向。

        使用xPC Target,如何設置Matlab環(huán)境參數(shù)?

        PCL-711B采集電壓和輸出電壓與模塊數(shù)據(jù)的對應關系?

        P、I、D三個參數(shù)中,P參數(shù)有何作用,能否消除穩(wěn)態(tài)誤差?

        P、I、D三個參數(shù)中,I參數(shù)有何作用,當進入穩(wěn)態(tài)且沒有穩(wěn)態(tài)誤差后,P輸出為多少,I輸出的控制量跟被控對象有何關系?

        P、I、D三個參數(shù)如何整定?

        (七)信息來源

        單容液位實驗系統(tǒng)說明書。

        xPC Target半實物仿真的相關論文。

        xPC Target Users Guide(整理出有關部分)。

        xPC TargetI/O Reference Guide(整理出有關部分)。

        《基于MATLAB/Simulink的系統(tǒng)仿真技術與應用》,薛定宇、陳陽泉著,清華大學出版社。

        《過程控制與Simulink應用》,王正林、郭陽寬著,電子工業(yè)出版社。

        PID控制算法是自動化類專業(yè)中非常重要的知識點,用傳統(tǒng)的講課方法學生覺得枯燥無味,引入了xPC Target,并采用引導文教學法后,引起了學生極大的興趣,不僅自始至終全程參與教學,而且能夠發(fā)現(xiàn)自己的問題和不足,學生主體能動性得以充分體現(xiàn),相比傳統(tǒng)教學法,取得了更好的教學效果。

        【基金項目】2014年廣西機電職業(yè)技術學院院級項目

        【作者簡介】梁廣瑞(1979- ),男,廣西南寧人,廣西機電職業(yè)技術學院電氣工程系講師,碩士,研究方向:機電一體化技術。

        (責編 丁 夢)

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