“電氣控制”課程教學(xué)中的理論概念探討

楊明建

（安徽大學(xué) 電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院，安徽 合肥 230039）

0 引言

“電氣控制”是一門(mén)電類(lèi)專(zhuān)業(yè)技術(shù)課程，其研究的范疇在學(xué)術(shù)界，曾被定義為“以電動(dòng)機(jī)或其它執(zhí)行電器為控制對(duì)象的技術(shù)領(lǐng)域”［1］。

但這一定義涉及到了二種控制技術(shù)理論概念的控制行為，既連續(xù)控制與離散控制。由于用于連續(xù)控制描述與分析的基于微分方程與傳遞函數(shù)的控制理論不支持離散態(tài)控制分析研究，所以無(wú)論是教學(xué)科研還是工程應(yīng)用，今天都以其狹義范疇“以電動(dòng)機(jī)或其它執(zhí)行電器為控制對(duì)象的離散控制技術(shù)”而論。在“電氣控制”課程的教學(xué)方面，教材中雖大篇幅編入了電機(jī)啟制動(dòng)和機(jī)床控制案例，卻沒(méi)有給出對(duì)這類(lèi)控制內(nèi)容的歸納性本質(zhì)分析及以系統(tǒng)概念對(duì)控制過(guò)程進(jìn)行抽象分析能力的訓(xùn)練內(nèi)容。為此，我們對(duì)這門(mén)傳統(tǒng)技術(shù)課程的講授，通過(guò)在精減傳統(tǒng)“電氣控制”課程內(nèi)容的基礎(chǔ)上，以離散態(tài)過(guò)程控制的理論概念建立為先導(dǎo)，低壓電器基本知識(shí)為基礎(chǔ)，可編程序控制器的原理與應(yīng)用為核心的教學(xué)思路，討論分析現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中離散態(tài)過(guò)程控制。本文主要針對(duì)教學(xué)內(nèi)容中的離散控制系統(tǒng)理論概念的建立，討論分析了離散控制系統(tǒng)的三元組表示，以及其目的意義與講述方法［2］。

本課程在概念、基礎(chǔ)和核心三者的邏輯關(guān)聯(lián)上，強(qiáng)調(diào)基礎(chǔ)與核心服務(wù)于技術(shù)概念需求的實(shí)現(xiàn)。這一教學(xué)理念建立的基礎(chǔ)在于，新技術(shù)器件與設(shè)備也在不斷的出現(xiàn)，技術(shù)概念實(shí)現(xiàn)的手段在不斷更新，所討論的控制技術(shù)概念在延續(xù)。因此，“電氣控制”課程的講授應(yīng)強(qiáng)調(diào)技術(shù)概念的內(nèi)涵，既離散態(tài)過(guò)程控制的理論概念，避免以具時(shí)代特征的工業(yè)產(chǎn)品的講述取代一門(mén)傳統(tǒng)性強(qiáng)和內(nèi)涵豐富的專(zhuān)業(yè)技術(shù)課程，也就成為這一課程教學(xué)的指導(dǎo)思想。

1 理論概念

較連續(xù)控制而言，傳統(tǒng)上的認(rèn)識(shí)是：離散態(tài)控制系統(tǒng)缺乏數(shù)學(xué)形式表述。在教學(xué)過(guò)程中，我們通過(guò)現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中廣泛常見(jiàn)的控制需求案例，引出離散態(tài)控制的系統(tǒng)理論概念。這一理論概念的基本核心內(nèi)容，由一組定義和離散態(tài)控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)形式表述構(gòu)成。采用如下組定義［3］。

1）離散態(tài)變量的定義：一個(gè)過(guò)程的離散態(tài)變量為僅可取二個(gè)或有限個(gè)值的數(shù)值集。

2）離散態(tài)過(guò)程的定義：一個(gè)離散態(tài)過(guò)程或系統(tǒng)的狀態(tài)空間為離散態(tài)變量集，變量狀態(tài)的躍變機(jī)制為信號(hào)條件激發(fā)，即過(guò)程中的狀態(tài)變量變化取決于離散變量信號(hào)間的因果關(guān)系與時(shí)序關(guān)系，且無(wú)需由時(shí)鐘信號(hào)同步。

3）離散態(tài)過(guò)程控制的定義：離散態(tài)過(guò)程控制為在無(wú)時(shí)鐘同步條件下，通過(guò)由特定工藝確定的一組相關(guān)聯(lián)的過(guò)程狀態(tài)的有序觸發(fā)變化，使其生產(chǎn)過(guò)程完成規(guī)定的生產(chǎn)工藝目標(biāo)。

在上述三個(gè)定義基礎(chǔ)上，引入離散態(tài)控制系統(tǒng)控制模式的三元組表示概念，即由如下控制模式定義引生出如下一組表達(dá)式。

［定義］離散控制系統(tǒng)模式S可以通過(guò)三元組形式表示如下。

式中，X為控制系統(tǒng)的輸入變量集，Y是控制系統(tǒng)的輸出變量集，F(xiàn)是控制系統(tǒng)的輸入輸出關(guān)系集，與特定的工藝過(guò)程控制要求確定的控制規(guī)則對(duì)應(yīng)。

式中，fj是由特定的工藝過(guò)程確定的輸入輸出關(guān)系，可由多元布爾函數(shù)表示［4］，即

式中，X′，X，Y′，Y，δ、λ分別是與離散過(guò)程時(shí)間約束參數(shù)和數(shù)值參數(shù)關(guān)聯(lián)的離散變量因子，且δ∈｛0，1｝，λ∈ ｛0，1｝。Tc為時(shí)間約束項(xiàng)的定時(shí)常數(shù)，由工藝控制要求確定，在控制器中設(shè)定。t為時(shí)間變量，δ因子中的xi或yk為因子條件且xi∈X，yk∈Y（即時(shí)間約束起始條件）。Cs為數(shù)值參數(shù)關(guān)聯(lián)項(xiàng)的計(jì)數(shù)設(shè)定值或數(shù)值參數(shù)設(shè)定值，根據(jù)工藝要求在系統(tǒng)控制器中設(shè)定，vx為與某輸入變量對(duì)應(yīng)的數(shù)字值。在控制器實(shí)現(xiàn)中，δ值與定時(shí)器標(biāo)志位或時(shí)間繼電器觸點(diǎn)狀態(tài)對(duì)應(yīng)，λ值可由記數(shù)器或比較器的狀態(tài)標(biāo)志位得到。

由此可見(jiàn)，三元組表示模式完整地描述了離散控制系統(tǒng)的狀態(tài)空間與控制規(guī)則。這一表示模式概念的意義在于指出：任一離散態(tài)過(guò)程控制系統(tǒng)與一個(gè)抽象的三元組控制模式對(duì)應(yīng)，而由任一特定的輸入、輸出變量集和變量關(guān)系集確定的三元組控制模式，對(duì)應(yīng)于一個(gè)具體的離散態(tài)物理控制系統(tǒng)。如控制系統(tǒng)輸入變量的集合X、輸出變量的集合Y與控制系統(tǒng)的輸入、輸出物理信號(hào)對(duì)應(yīng)。表達(dá)工藝過(guò)程變量狀態(tài)變化因果關(guān)系的關(guān)系集合F，反映了特定的工藝過(guò)程控制要求與控制規(guī)則，如圖1所示。對(duì)于面向控制工程實(shí)踐中的任何控制過(guò)程與需求，通過(guò)離散態(tài)控制模式的理論概念和經(jīng)典控制理論，可清楚地抽象區(qū)分連續(xù)性控制與離散態(tài)控制，并認(rèn)識(shí)這二種控制規(guī)則的分析與實(shí)現(xiàn)算法截然不同。

圖1 離散控制系統(tǒng)的三元組結(jié)構(gòu)框圖示意

2 概念的對(duì)比講述

“電氣控制”課程開(kāi)設(shè)的修課對(duì)象，不僅已完成作為連續(xù)控制理論基礎(chǔ)的“自動(dòng)控制理論”課程的學(xué)習(xí)，而且以此理論為基礎(chǔ)的運(yùn)動(dòng)控制和過(guò)程控制等相關(guān)專(zhuān)業(yè)課程也已完成。

學(xué)生對(duì)控制過(guò)程及系統(tǒng)的認(rèn)識(shí)與思考，以連續(xù)控制的理論概念為先導(dǎo)的認(rèn)知現(xiàn)象，不可避免地對(duì)課程中以離散態(tài)過(guò)程為對(duì)象的研究分析產(chǎn)生一系列的概念性疑問(wèn)。如：“電氣控制”與“拖動(dòng)控制系統(tǒng)”課程的區(qū)別，及“拖動(dòng)控制系統(tǒng)”和“過(guò)程控制工程”課程中的PID控制規(guī)則，為何未在離散態(tài)控制系統(tǒng)中得到使用等等。因此，為區(qū)分連續(xù)與離散二類(lèi)不同的控制，采用連續(xù)性控制概念與離散態(tài)控制概念扼要性的對(duì)比講述。

對(duì)比講述的要點(diǎn)是：①連續(xù)性控制過(guò)程狀態(tài)參數(shù)為時(shí)變的實(shí)數(shù)變量，過(guò)程行為可通過(guò)連續(xù)函數(shù)或微分方程表述；②離散態(tài)控制過(guò)程的狀態(tài)參數(shù)為不連續(xù)的離散值，其過(guò)程行為與控制規(guī)則及系統(tǒng)結(jié)構(gòu)由離散過(guò)程控制模式的三元組表示?？梢?jiàn)離散態(tài)控制系統(tǒng)的三元組模式表示的建立，以數(shù)學(xué)語(yǔ)言的抽象形式體現(xiàn)出離散態(tài)控制與連性控制的本質(zhì)區(qū)別。

3 結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)“電氣控制”課程教學(xué)中的理論概念講述要點(diǎn)作了概述性的討論分析，在簡(jiǎn)述理論概念內(nèi)容要點(diǎn)的基礎(chǔ)上，強(qiáng)調(diào)理論概念三元組模式與物理控制系統(tǒng)的對(duì)應(yīng)，及對(duì)從概念上區(qū)分離散態(tài)控制與連性控制的意義。

［1］ 陳立定，吳香玉，蘇開(kāi)才.電氣控制與可編程序控制器［M］.廣州：華南理工大學(xué)出版社，2001：1

［2］ 于筑國(guó).離散數(shù)學(xué)［M］.北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2005：75－77

［3］ ［美］Curtis D.Johnson .Process Control Instrumentation Technology.Pearson Education［M］.北京：科學(xué)出版社，2002：369－371

［4］ 于筑國(guó).離散數(shù)學(xué)［M］.北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2005：210－212