自動控制理論實驗教材創(chuàng)新探索與實踐

姜增如

（北京理工大學 自動化實驗中心，北京 100081）

自動控制理論實驗教材創(chuàng)新探索與實踐

姜增如

（北京理工大學 自動化實驗中心，北京 100081）

為了培養(yǎng)學生的基本操作技能、綜合應用能力和創(chuàng)新能力，該文以創(chuàng)新教學為目的，突出了案例教學特色，將Matlab函數(shù)、Simulink仿真、硬件對象、遠程控制、智能控制及參數(shù)分析融為一體，且增加了創(chuàng)新實驗設(shè)計內(nèi)容。通過線性、非線性系統(tǒng)分析與設(shè)計，研究參數(shù)變化對控制系統(tǒng)的影響。實踐表明，將被控對象的特征用圖形曲線進行分析，使得抽象理論變得直觀，且學生能在不同地點的客戶端得到遠程控制結(jié)果。

實驗教學；Matlab仿真；實驗教材；創(chuàng)新實驗

自動控制理論是自動化相關(guān)專業(yè)基礎(chǔ)課，傳統(tǒng)實驗教材圍繞自動控制理論教科書的知識點編寫而成。如古典控制中典型環(huán)節(jié)、二階系統(tǒng)階躍響應研究、時域分析的勞斯穩(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，實驗內(nèi)容將計算機作為核心，把被控對象通過A／D和D／A連接到計算機進行數(shù)據(jù)處理和繪圖。本教材在自制實驗設(shè)備基礎(chǔ)上，擴展了實驗內(nèi)容，不僅完善了Matlab在自動控制理論中的應用內(nèi)容［2］，還增加了過程控制、復雜控制分析、智能控制和遠程控制內(nèi)容，按照國家教育部強調(diào)對學生創(chuàng)新能力培養(yǎng)的目標，幫助他們對實際被控對象進行分析和設(shè)計。

1 因材施教、擴展創(chuàng)新

針對我校剛進入大三的學生，他們在學習自動控制理論課之前，僅在基礎(chǔ)學院完成了高數(shù)、物理、外語等基礎(chǔ)課學習，在對自動控制理論專業(yè)知識及相關(guān)軟件應用屬于空白的情況下，該教材從零基礎(chǔ)開始，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)計算法程序。教材的第一、二章實驗輔助學習Matlab在控制理論的基本使用、相關(guān)函數(shù)、Simulink模塊仿真等［3］。通過仿真曲線觀測系統(tǒng)穩(wěn)定與不穩(wěn)定的效果、校正前后的對比圖形、PID參數(shù)對系統(tǒng)性能指標的影響，讓學生初步形成對自動控制理論這門課的認識。經(jīng)過前面的實驗，學生不僅對穩(wěn)定性數(shù)學描述有了了解，還學習了matlab應用軟件，這對他們課堂理論課學習及完成作業(yè)奠定了基礎(chǔ)，經(jīng)過2011級和2012級兩屆學生的嘗試，得到了學生們的好評。

為了拓展學生的個人創(chuàng)新，在書中增加了模擬電路為被控對象的智能控制分析，將對象、AD／DA計算機連接成一個整體，把計算機作為控制單元，實現(xiàn)遺傳算法、模糊控制及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制實驗。遠程控制實驗以三容水箱為被控對象，實現(xiàn)對系統(tǒng)的P、PI及模糊控制。每個實驗以案例教學，適合學生在業(yè)余時間研究控制算法設(shè)計，為學生自行分析被控對象系統(tǒng)性能、實現(xiàn)控制器參數(shù)設(shè)計及參加創(chuàng)新設(shè)計提供幫助。

2 案例教學

2.1 校正分析

運用Matlab分析不僅減少了計算量，而且直觀、準確。教材通過多個小案例實驗完成線性系統(tǒng)分析與設(shè)計，研究參數(shù)變化對控制系統(tǒng)的影響，使抽象的理論變得生動形象。

已知開環(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)量和過渡過程時間滿足小于30和0.2 s指標，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）對圖1系統(tǒng)進行仿真，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)量和過渡過程時間指標，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

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

2.2 大延遲分析

針對下列大延遲環(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，過渡過程時間小于120 s。

1）將對象傳遞函數(shù)中時間常數(shù)T＝10和延遲時間τ＝30帶入科恩－庫恩確定控制參數(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中進行仿真，得到響應曲線如圖6所示。

圖6 Smith使用工程整定仿真控制結(jié)果

3）使用Smith預估器構(gòu)建仿真框圖如圖7所示。

圖7 Sm ith預估器仿真控制框圖

4）仿真結(jié)果如圖8所示。

圖8 Smith預估器仿真控制結(jié)果

由圖8可知，超調(diào)量為0，過渡過程時間約為120 s（Δ5）

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

結(jié)合過程控制的被控對象，對于自動控制實際應用中的大延遲系統(tǒng)，根據(jù)Smith預估器控制原理［5］，使用預估器進行補償控制，使被延遲的被調(diào)量提前反映到調(diào)節(jié)器動作減小超調(diào)量。如果預估模型準確，該方法能獲得較好的控制效果，從而消除純滯后對系統(tǒng)的不利影響，提高控制品質(zhì)。

2.3 復雜控制分析方法

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

對同一對象，分析串級控制系統(tǒng)相比簡單控制系統(tǒng)的優(yōu)點。簡單控制使用PI控制參數(shù)為Kp＝3.7，Ti＝38，復雜控制參數(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擾動后對二組控制結(jié)果進行比較。

1）對主、副傳遞函數(shù)中，分別加入單位階躍響應擾動，實現(xiàn)簡單的比例積分（PI）控制框圖，如圖9所示。

圖9 簡單控制PI仿真控制框圖

2）仿真結(jié)果如圖10所示。

圖10 簡單PI控制仿真控制結(jié)果

3）對副回路中添加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 串級控制仿真框圖

4）對圖11的系統(tǒng)進行仿真，結(jié)果如圖12所示。

圖12 串級控制仿真結(jié)果

5）將簡單控制和串級控制比較參數(shù)如表1所示。

表1 簡單控制與串級控制比較

3 開展培養(yǎng)創(chuàng)新思維實驗

3.1 智能控制實驗

在數(shù)字PID控制實驗基礎(chǔ)上，加入控制器設(shè)計的思想，讓學生根據(jù)多種被控對象，設(shè)計模糊控制器和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器，針對復雜和模型不清的系統(tǒng)進行簡單而有效的在線控制、在線優(yōu)化和離線優(yōu)化，使學生能更好地理解本專業(yè)基礎(chǔ)課內(nèi)容。本實驗讓學生根據(jù)被控對象自主設(shè)計實驗算法。首先根據(jù)實際對象，如溫度、流量和壓力等過程控制或機器人等運動控制被控對象傳遞函數(shù)，在實驗室搭接對應傳遞函數(shù)模擬電路，經(jīng)過A／D、D／A和計算機組成一個閉環(huán)控制系統(tǒng)［2］，在實驗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，通過改變控制參數(shù)、觀測控制結(jié)果曲線驗證是否滿足給定的性能指標，從而了解智能控制算法參數(shù)對系統(tǒng)性能的影響［5］。學生在經(jīng)過學習自動控制理論后，將自動控制與人工智能兩個學科進行交叉融合，使用計算機工具，研究解決不同對象的控制、優(yōu)化控制器參數(shù)的問題。對學生進行畢業(yè)設(shè)計和創(chuàng)新實驗提供解決問題的思路。

對下列二級液位傳遞函數(shù)，采用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法，使得系統(tǒng)過渡過程時間小于2 s，超調(diào)量小于10。

1）將兩個液位的慣性環(huán)節(jié)串接組成實驗被控對象，如圖13所示。

圖13 閉環(huán)控制系統(tǒng)實驗構(gòu)成

圖14 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)實驗界面

2）選擇“BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)實驗”→“BP算法實驗”，在實驗界面“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)點數(shù)目，如圖14所示。驗室是將多個實驗項目、多套實驗設(shè)備整合到一套系統(tǒng)中，學生登錄后可以選擇不同的實驗項目和實驗設(shè)備，不僅滿足在同一時間內(nèi)多人實驗的要求，還可使得實驗安排根據(jù)具體的情況靈活選擇。在該系統(tǒng)上，可在綜合管理實驗平臺上傳實驗報告便于教師評定成績和管理學生，滿足實驗教學的要求。

3）從BP算法獲得實驗參數(shù)，再選擇BP－PI或BP－PID完成階躍響應測試，如圖15所示。

圖15 BP－PID實驗結(jié)果

圖16 實驗登錄界面

3.2 遠程實驗

利用互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和遠程控制技術(shù)構(gòu)建虛擬仿真實驗室，學生遠程登錄即可操作實驗設(shè)備進行實驗。其中Web服務(wù)器負責與多個客戶端進行軟件的共享和數(shù)據(jù)的傳輸，數(shù)據(jù)庫服務(wù)器負責存儲學生信息及實驗數(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。其實驗登錄界面如圖16所示。

該遠程控制實驗系統(tǒng)可將多個實驗設(shè)備進行綜合管理，充分利用實驗中心已有設(shè)備，形成一個遠程多平臺實驗系統(tǒng)?；诙鄬嶒炂脚_的虛擬仿真實

基于多平臺的虛擬仿真實驗室利用計算機技術(shù)和通信技術(shù)，使得學生可以在任何時候，從校園網(wǎng)任何節(jié)點進行課程相關(guān)的實驗操作，通過客戶端實時觀察實驗結(jié)果，學生完成實驗后可在線提交實驗報告。這種方式大大提高了實驗教學的伸縮性和適應性，克服了實驗場地、課時數(shù)等對學生實踐能力培養(yǎng)的限制。學生還可以通過網(wǎng)絡(luò)訪問遠程實驗代理服務(wù)器上傳自己的控制算法到本地控制器，由實驗監(jiān)控程序和觀測的實驗數(shù)據(jù)判斷算法的正確性和可行性，同時結(jié)合實時視頻和音頻的反饋，使得學生可以耳聞目睹實驗的運行過程，增加實驗真實感。

4 結(jié)束語

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

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

［2］愛迪克.自控原理實驗機實驗指導書［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：北京航空航天大學出版社，2009.

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

［5］胡壽濤.自動控制原理［M］.5版.北京：科學出版社，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，主要從事控制科學與工程、遠程控制方面的研究。