姜增如

（北京理工大學(xué) 自動(dòng)化實(shí)驗(yàn)中心，北京 100081）

自動(dòng)控制理論實(shí)驗(yàn)教材創(chuàng)新探索與實(shí)踐

姜增如

（北京理工大學(xué) 自動(dòng)化實(shí)驗(yàn)中心，北京 100081）

為了培養(yǎng)學(xué)生的基本操作技能、綜合應(yīng)用能力和創(chuàng)新能力，該文以創(chuàng)新教學(xué)為目的，突出了案例教學(xué)特色，將Matlab函數(shù)、Simulink仿真、硬件對(duì)象、遠(yuǎn)程控制、智能控制及參數(shù)分析融為一體，且增加了創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)內(nèi)容。通過(guò)線性、非線性系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)，研究參數(shù)變化對(duì)控制系統(tǒng)的影響。實(shí)踐表明，將被控對(duì)象的特征用圖形曲線進(jìn)行分析，使得抽象理論變得直觀，且學(xué)生能在不同地點(diǎn)的客戶端得到遠(yuǎn)程控制結(jié)果。

實(shí)驗(yàn)教學(xué)；Matlab仿真；實(shí)驗(yàn)教材；創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)

自動(dòng)控制理論是自動(dòng)化相關(guān)專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課，傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教材圍繞自動(dòng)控制理論教科書(shū)的知識(shí)點(diǎn)編寫(xiě)而成。如古典控制中典型環(huán)節(jié)、二階系統(tǒng)階躍響應(yīng)研究、時(shí)域分析的勞斯穩(wěn)定判據(jù)、頻域分析的Bode圖、頻率特性及超前、滯后校正等［1］。隨著數(shù)字技術(shù)的發(fā)展，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容將計(jì)算機(jī)作為核心，把被控對(duì)象通過(guò)A／D和D／A連接到計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和繪圖。本教材在自制實(shí)驗(yàn)設(shè)備基礎(chǔ)上，擴(kuò)展了實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，不僅完善了Matlab在自動(dòng)控制理論中的應(yīng)用內(nèi)容［2］，還增加了過(guò)程控制、復(fù)雜控制分析、智能控制和遠(yuǎn)程控制內(nèi)容，按照國(guó)家教育部強(qiáng)調(diào)對(duì)學(xué)生創(chuàng)新能力培養(yǎng)的目標(biāo)，幫助他們對(duì)實(shí)際被控對(duì)象進(jìn)行分析和設(shè)計(jì)。

1 因材施教、擴(kuò)展創(chuàng)新

針對(duì)我校剛進(jìn)入大三的學(xué)生，他們?cè)趯W(xué)習(xí)自動(dòng)控制理論課之前，僅在基礎(chǔ)學(xué)院完成了高數(shù)、物理、外語(yǔ)等基礎(chǔ)課學(xué)習(xí)，在對(duì)自動(dòng)控制理論專(zhuān)業(yè)知識(shí)及相關(guān)軟件應(yīng)用屬于空白的情況下，該教材從零基礎(chǔ)開(kāi)始，包括傳遞函數(shù)的建立、穩(wěn)定性分析常用函數(shù)到使用條件、循環(huán)設(shè)計(jì)算法程序。教材的第一、二章實(shí)驗(yàn)輔助學(xué)習(xí)Matlab在控制理論的基本使用、相關(guān)函數(shù)、Simulink模塊仿真等［3］。通過(guò)仿真曲線觀測(cè)系統(tǒng)穩(wěn)定與不穩(wěn)定的效果、校正前后的對(duì)比圖形、PID參數(shù)對(duì)系統(tǒng)性能指標(biāo)的影響，讓學(xué)生初步形成對(duì)自動(dòng)控制理論這門(mén)課的認(rèn)識(shí)。經(jīng)過(guò)前面的實(shí)驗(yàn)，學(xué)生不僅對(duì)穩(wěn)定性數(shù)學(xué)描述有了了解，還學(xué)習(xí)了matlab應(yīng)用軟件，這對(duì)他們課堂理論課學(xué)習(xí)及完成作業(yè)奠定了基礎(chǔ)，經(jīng)過(guò)2011級(jí)和2012級(jí)兩屆學(xué)生的嘗試，得到了學(xué)生們的好評(píng)。

為了拓展學(xué)生的個(gè)人創(chuàng)新，在書(shū)中增加了模擬電路為被控對(duì)象的智能控制分析，將對(duì)象、AD／DA計(jì)算機(jī)連接成一個(gè)整體，把計(jì)算機(jī)作為控制單元，實(shí)現(xiàn)遺傳算法、模糊控制及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制實(shí)驗(yàn)。遠(yuǎn)程控制實(shí)驗(yàn)以三容水箱為被控對(duì)象，實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的P、PI及模糊控制。每個(gè)實(shí)驗(yàn)以案例教學(xué)，適合學(xué)生在業(yè)余時(shí)間研究控制算法設(shè)計(jì)，為學(xué)生自行分析被控對(duì)象系統(tǒng)性能、實(shí)現(xiàn)控制器參數(shù)設(shè)計(jì)及參加創(chuàng)新設(shè)計(jì)提供幫助。

2 案例教學(xué)

2.1 校正分析

運(yùn)用Matlab分析不僅減少了計(jì)算量，而且直觀、準(zhǔn)確。教材通過(guò)多個(gè)小案例實(shí)驗(yàn)完成線性系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)，研究參數(shù)變化對(duì)控制系統(tǒng)的影響，使抽象的理論變得生動(dòng)形象。

已知開(kāi)環(huán)系統(tǒng)的傳遞函數(shù)，判斷其閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，添加串聯(lián)校正環(huán)節(jié)使得超調(diào)量和過(guò)渡過(guò)程時(shí)間滿足小于30和0.2 s指標(biāo)，具體方法如下。

1）構(gòu)建原系統(tǒng)閉環(huán)系統(tǒng)仿真框圖如圖1所示。

圖1 二階閉環(huán)系統(tǒng)仿真框圖

2）對(duì)圖1系統(tǒng)進(jìn)行仿真，其結(jié)果如圖2所示。

圖2 原系統(tǒng)閉環(huán)仿真結(jié)果

從圖中讀取超調(diào)量和過(guò)渡過(guò)程時(shí)間指標(biāo)，即Mp＝80，ts＝4.3 s。

3）添加超前校正系統(tǒng)，其仿真框圖如圖3所示。

圖3 加入超前校正框圖

4）加入超前校正系統(tǒng)仿真結(jié)果，如圖4所示。

圖4 加入超前校正后仿真結(jié)果

這樣的仿真實(shí)驗(yàn)讓學(xué)生一目了然地看到了系統(tǒng)穩(wěn)定性的判斷指標(biāo)以及校正環(huán)節(jié)的作用。

2.2 大延遲分析

針對(duì)下列大延遲環(huán)節(jié)的系統(tǒng)［4］，整定PID控制器參數(shù)，要求整定后的超調(diào)量小于20，過(guò)渡過(guò)程時(shí)間小于120 s。

1）將對(duì)象傳遞函數(shù)中時(shí)間常數(shù)T＝10和延遲時(shí)間τ＝30帶入科恩－庫(kù)恩確定控制參數(shù)：

得到控制參數(shù)Kp＝0.72，Ti＝42.86，Td＝6.94，帶入仿真框圖，如圖5所示。

圖5 延遲環(huán)節(jié)仿真控制框圖

2）將以上PID參數(shù)值代入系統(tǒng)框圖5中進(jìn)行仿真，得到響應(yīng)曲線如圖6所示。

圖6 Smith使用工程整定仿真控制結(jié)果

3）使用Smith預(yù)估器構(gòu)建仿真框圖如圖7所示。

圖7 Sm ith預(yù)估器仿真控制框圖

4）仿真結(jié)果如圖8所示。

圖8 Smith預(yù)估器仿真控制結(jié)果

由圖8可知，超調(diào)量為0，過(guò)渡過(guò)程時(shí)間約為120 s（Δ5）

從圖6和圖8中可清楚地看到，使用Smith預(yù)估器得到了比常規(guī)PID更好的效果。

結(jié)合過(guò)程控制的被控對(duì)象，對(duì)于自動(dòng)控制實(shí)際應(yīng)用中的大延遲系統(tǒng)，根據(jù)Smith預(yù)估器控制原理［5］，使用預(yù)估器進(jìn)行補(bǔ)償控制，使被延遲的被調(diào)量提前反映到調(diào)節(jié)器動(dòng)作減小超調(diào)量。如果預(yù)估模型準(zhǔn)確，該方法能獲得較好的控制效果，從而消除純滯后對(duì)系統(tǒng)的不利影響，提高控制品質(zhì)。

2.3 復(fù)雜控制分析方法

在某些系統(tǒng)中，由于存在二次擾動(dòng)，簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)的控制作用不及時(shí)，控制偏差大，控制質(zhì)量差。串級(jí)控制系統(tǒng)通過(guò)引入副回路，可以有效克服二次擾動(dòng)，大幅提高控制質(zhì)量。與簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)比較，串級(jí)控制增加了副回路，它的作用是有效地克服二次擾動(dòng)的影響，可以說(shuō)串級(jí)系統(tǒng)主要是克服進(jìn)入副回路的二次干擾［6］。

對(duì)同一對(duì)象，分析串級(jí)控制系統(tǒng)相比簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)。簡(jiǎn)單控制使用PI控制參數(shù)為Kp＝3.7，Ti＝38，復(fù)雜控制參數(shù)為Kp＝8.4，Ti＝12.8，并在主、副傳遞函數(shù)中，分別加入單位階躍響應(yīng)擾動(dòng)后對(duì)二組控制結(jié)果進(jìn)行比較。

1）對(duì)主、副傳遞函數(shù)中，分別加入單位階躍響應(yīng)擾動(dòng)，實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的比例積分（PI）控制框圖，如圖9所示。

圖9 簡(jiǎn)單控制PI仿真控制框圖

2）仿真結(jié)果如圖10所示。

圖10 簡(jiǎn)單PI控制仿真控制結(jié)果

3）對(duì)副回路中添加Kp＝10比例控制，主回路添加Kp＝8.4，Ti＝12.8比例積分控制，其框圖如圖11所示。

圖11 串級(jí)控制仿真框圖

4）對(duì)圖11的系統(tǒng)進(jìn)行仿真，結(jié)果如圖12所示。

圖12 串級(jí)控制仿真結(jié)果

5）將簡(jiǎn)單控制和串級(jí)控制比較參數(shù)如表1所示。

表1 簡(jiǎn)單控制與串級(jí)控制比較

3 開(kāi)展培養(yǎng)創(chuàng)新思維實(shí)驗(yàn)

3.1 智能控制實(shí)驗(yàn)

在數(shù)字PID控制實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上，加入控制器設(shè)計(jì)的思想，讓學(xué)生根據(jù)多種被控對(duì)象，設(shè)計(jì)模糊控制器和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器，針對(duì)復(fù)雜和模型不清的系統(tǒng)進(jìn)行簡(jiǎn)單而有效的在線控制、在線優(yōu)化和離線優(yōu)化，使學(xué)生能更好地理解本專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課內(nèi)容。本實(shí)驗(yàn)讓學(xué)生根據(jù)被控對(duì)象自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)算法。首先根據(jù)實(shí)際對(duì)象，如溫度、流量和壓力等過(guò)程控制或機(jī)器人等運(yùn)動(dòng)控制被控對(duì)象傳遞函數(shù)，在實(shí)驗(yàn)室搭接對(duì)應(yīng)傳遞函數(shù)模擬電路，經(jīng)過(guò)A／D、D／A和計(jì)算機(jī)組成一個(gè)閉環(huán)控制系統(tǒng)［2］，在實(shí)驗(yàn)菜單上選擇遺傳控制、模糊控制和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制等多種智能算法，通過(guò)改變控制參數(shù)、觀測(cè)控制結(jié)果曲線驗(yàn)證是否滿足給定的性能指標(biāo)，從而了解智能控制算法參數(shù)對(duì)系統(tǒng)性能的影響［5］。學(xué)生在經(jīng)過(guò)學(xué)習(xí)自動(dòng)控制理論后，將自動(dòng)控制與人工智能兩個(gè)學(xué)科進(jìn)行交叉融合，使用計(jì)算機(jī)工具，研究解決不同對(duì)象的控制、優(yōu)化控制器參數(shù)的問(wèn)題。對(duì)學(xué)生進(jìn)行畢業(yè)設(shè)計(jì)和創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)提供解決問(wèn)題的思路。

對(duì)下列二級(jí)液位傳遞函數(shù)，采用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法，使得系統(tǒng)過(guò)渡過(guò)程時(shí)間小于2 s，超調(diào)量小于10。

1）將兩個(gè)液位的慣性環(huán)節(jié)串接組成實(shí)驗(yàn)被控對(duì)象，如圖13所示。

圖13 閉環(huán)控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)構(gòu)成

圖14 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)界面

2）選擇“BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)”→“BP算法實(shí)驗(yàn)”，在實(shí)驗(yàn)界面“建立網(wǎng)絡(luò)”設(shè)置區(qū)設(shè)置參數(shù)，分別設(shè)置輸入層、隱含層及輸出層的節(jié)點(diǎn)數(shù)目，如圖14所示。驗(yàn)室是將多個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目、多套實(shí)驗(yàn)設(shè)備整合到一套系統(tǒng)中，學(xué)生登錄后可以選擇不同的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目和實(shí)驗(yàn)設(shè)備，不僅滿足在同一時(shí)間內(nèi)多人實(shí)驗(yàn)的要求，還可使得實(shí)驗(yàn)安排根據(jù)具體的情況靈活選擇。在該系統(tǒng)上，可在綜合管理實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上傳實(shí)驗(yàn)報(bào)告便于教師評(píng)定成績(jī)和管理學(xué)生，滿足實(shí)驗(yàn)教學(xué)的要求。

3）從BP算法獲得實(shí)驗(yàn)參數(shù)，再選擇BP－PI或BP－PID完成階躍響應(yīng)測(cè)試，如圖15所示。

圖15 BP－PID實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖16 實(shí)驗(yàn)登錄界面

3.2 遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)

利用互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和遠(yuǎn)程控制技術(shù)構(gòu)建虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室，學(xué)生遠(yuǎn)程登錄即可操作實(shí)驗(yàn)設(shè)備進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。其中Web服務(wù)器負(fù)責(zé)與多個(gè)客戶端進(jìn)行軟件的共享和數(shù)據(jù)的傳輸，數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器負(fù)責(zé)存儲(chǔ)學(xué)生信息及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)等。借助校園網(wǎng)將Web數(shù)據(jù)傳遞到本地控制器，完成控制被控設(shè)備。其實(shí)驗(yàn)登錄界面如圖16所示。

該遠(yuǎn)程控制實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)可將多個(gè)實(shí)驗(yàn)設(shè)備進(jìn)行綜合管理，充分利用實(shí)驗(yàn)中心已有設(shè)備，形成一個(gè)遠(yuǎn)程多平臺(tái)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)?；诙鄬?shí)驗(yàn)平臺(tái)的虛擬仿真實(shí)

基于多平臺(tái)的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室利用計(jì)算機(jī)技術(shù)和通信技術(shù)，使得學(xué)生可以在任何時(shí)候，從校園網(wǎng)任何節(jié)點(diǎn)進(jìn)行課程相關(guān)的實(shí)驗(yàn)操作，通過(guò)客戶端實(shí)時(shí)觀察實(shí)驗(yàn)結(jié)果，學(xué)生完成實(shí)驗(yàn)后可在線提交實(shí)驗(yàn)報(bào)告。這種方式大大提高了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的伸縮性和適應(yīng)性，克服了實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地、課時(shí)數(shù)等對(duì)學(xué)生實(shí)踐能力培養(yǎng)的限制。學(xué)生還可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò)訪問(wèn)遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)代理服務(wù)器上傳自己的控制算法到本地控制器，由實(shí)驗(yàn)監(jiān)控程序和觀測(cè)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)判斷算法的正確性和可行性，同時(shí)結(jié)合實(shí)時(shí)視頻和音頻的反饋，使得學(xué)生可以耳聞目睹實(shí)驗(yàn)的運(yùn)行過(guò)程，增加實(shí)驗(yàn)真實(shí)感。

4 結(jié)束語(yǔ)

自動(dòng)控制理論實(shí)驗(yàn)教材不僅是為了加強(qiáng)對(duì)理論課的理解，還要體現(xiàn)創(chuàng)新。培養(yǎng)學(xué)生獲得科研工作的基本能力也是實(shí)驗(yàn)教學(xué)目的之一。同時(shí)也為本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)、從事控制相關(guān)工作研究打下一定基礎(chǔ)。目前實(shí)驗(yàn)教學(xué)創(chuàng)新還在探索階段，需要我們不斷思考、實(shí)踐和總結(jié)，為更好培養(yǎng)具有創(chuàng)新精神的合格人才做出努力。

［1］方勝?gòu)?現(xiàn)代控制工程［M］.盧伯英，譯.北京：科學(xué)出版社，1976.

［2］愛(ài)迪克.自控原理實(shí)驗(yàn)機(jī)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)［EB／OL］.［2015－01－12］.http：／／wenku.baidu.com／link？url＝ArfDfquwYmHTlGlB4Z5zGg_bXnPEZEI03z－0F4Jr22OjjwQUi_ q65tIOzWupr6ELIHfMOxeH1Jzv9CaV2ZTw7rQJxR9Xztnuja rTQIrbn－a.

［3］張志涌，楊祖櫻.MATLAB教程［M］.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2009.

［4］魯照權(quán)，方敏.過(guò)程控制系統(tǒng)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2014.

［5］胡壽濤.自動(dòng)控制原理［M］.5版.北京：科學(xué)出版社，2007.

［6］李士勇.模糊控制·神經(jīng)控制和智能控制論［M］.哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，1997.

Automation Control Innovative Experiment Case Study

JIANG Zengru
（Automation Experimental Center，Beijing Institute of Technology，Beijing 100081，China）

In order to train students＇basic operation skills，comprehensive application and innovation ability，this paper，with the purpose of innovative teaching，highlights the characteristics of case study and integrates Matlab function，Simulink toolbox，hardware objects，remote and intelligent control system with parameter tuning tools，increases the innovative experiment design content.With linear and non－linear system analysis and design，the influence of parameter variation on the control system is studied..Practice show that the abstract theory can be intuitive when the feature of the controlled object are analyzed with graphical curves，and students can get remote control results at different locations of the client.

experimental teaching；Matlab simulink；experiment textbook；innovation experiment

G434

A

10.3969／j.issn.1672－4550.2016.06.030

2015－08－10；修改日期：2016－10－25

姜增如（1961－），女，碩士，副教授，主要從事控制科學(xué)與工程、遠(yuǎn)程控制方面的研究。