xPC Target在“PID控制算法”教學中的應用

【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(guān)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(chǔ)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(chǔ)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(shù)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(guān)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(chǔ)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(wù)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(wù)，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(shè)計，xPC Target是Matlab平臺下的一種半實物實時仿真技術(shù)，能夠使用Matlab的Simulink/Stateflow等設(shè)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(shè)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(shè)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(shè)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(wù)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(guān)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(shè)計。

（一）學習領(lǐng)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(shè)計。

（三）學習任務(wù)

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(wù)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(shè)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(guān)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(guān)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(shè)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(guān)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(guān)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(guān)論文。

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

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

《基于MATLAB/Simulink的系統(tǒng)仿真技術(shù)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(shù)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(shù)學院電氣工程系講師，碩士，研究方向：機電一體化技術(shù)。

（責編 丁 夢）