仿實物模型的基礎控制理論實驗平臺設計

雷 萌 代云飛 鄒 亮 常俊林

(中國礦業(yè)大學 信息與控制工程學院, 徐州 221116)

控制理論基礎實驗課程群，以“自動控制原理”“計算機控制技術”“過程控制”等課程理論為指導，主要開展基礎理論驗證的實驗教學活動[1-4]。為適應新興工業(yè)發(fā)展、建設一流本科課程，根據教育部《關于一流本科課程建設的實施意見》、《新工科研究與實踐項目指南》等文件精神，中國礦業(yè)大學在驗證實驗的基礎上，獨立開設提高型實驗教學類(綜合性實驗、設計性實驗)的“控制系統(tǒng)綜合設計與實驗”課程[5-7]。

課程要求學生對實際控制系統(tǒng)的結構、系統(tǒng)中各環(huán)節(jié)的關系、控制器的應用及控制系統(tǒng)的整定等建立起完整的概念，能獨立地進行常規(guī)控制系統(tǒng)的工程實驗，以培養(yǎng)學生利用所學理論知識分析、解決實際問題的能力。目前，我國各高校在該類課程的實驗教學活動中，存在實驗設備傳統(tǒng)陳舊、虛擬平臺的模擬環(huán)境脫離實際工程環(huán)境等問題[8-10]。因而，在實際的教學環(huán)節(jié)中，實驗內容不連續(xù)，實驗活動的開展受時空限制較強，學生盲目按指導書籍進行，實驗缺乏自主創(chuàng)新性，對實驗參數意義的理解模糊[11-12]。鑒于此，圍繞控制理論基礎實驗課程群建設，設計一種新穎的、實物與虛擬并進的控制理論基礎類課程教學實驗平臺是十分有必要的。

通過模擬農舍家禽飼養(yǎng)過程，將基礎控制理論課程中涉及的轉速、溫度及液位等控制系統(tǒng)實物化，利用農舍內部多系統(tǒng)類型、多控制變量、多控制方式的特點，在同一個實物模型中有效地展示出不同性質的控制系統(tǒng)。依托該平臺，可完成控制系統(tǒng)的認知、建模與辨識、時域分析及校正設計分析等實驗教學內容。其中“校正設計分析”主要用于探究經典PID、最小拍及Smith預估等控制器對系統(tǒng)性能影響，可開展綜合設計性的實驗教學活動。此外，模型還預留有太陽能供電、機器視覺監(jiān)控及廢棄物自動回收等功能，用于學生創(chuàng)新與工程能力的培養(yǎng)。

1 研發(fā)背景

新研發(fā)的仿農舍模型基礎控制理論教學實驗平臺，以STM32為核心控制器，利用Keil uVision5集成環(huán)境與Labview虛擬儀器完成代碼編寫，實現了硬件系統(tǒng)與可視化操作界面的對接。該平臺實物模型大小為70×60×60(cm)，主要包括水位滯環(huán)控制、恒溫孵化、定時供料、卷簾門電機調速、排風扇以及照明控制等模塊，如圖1所示。

圖1 仿農舍3D模型

圖2 農舍自動控制系統(tǒng)總體框圖

2 平臺設計

2.1 系統(tǒng)總體結構

基于仿農舍模型的基礎控制理論實驗教學平臺，采用12 V供電電壓，引入多傳感器融合控制技術，輔以圖形化操作界面，實現包括照明、通風、滯環(huán)供水、定時供料、恒溫孵化和卷簾門調速等6大系統(tǒng)的有效運行，其功能結構的總體框圖如圖2所示。該實驗平臺分為上位機監(jiān)控模塊與下位機執(zhí)行模塊兩大部分。打開設備電源開關，交流電源經變壓器轉化為直流電為平臺供電，上位機監(jiān)控界面可以實時檢測下位機各被控變量狀態(tài)。上位機界面中的各種功能按鍵可以通過串口通信，控制下位機各被控對象狀態(tài)，下位機在上位機給出使能信號或者給定信號值時，也可以通過Keil軟件選擇合適的控制算法，使仿農舍模型中的被控對象具有良好的動態(tài)與穩(wěn)態(tài)性能。

2.2 硬件設計

仿農舍模型硬件部分，以STM32為微處理器，與其外圍電路所構成的下位機主控板，可實現照明、通風、滯環(huán)供水、定時供料、恒溫孵化和卷簾門調速等子功能模塊的控制，如圖3所示。各子功能模塊的具體設計如下：

圖3 下位機主控板實物圖

照明和通風系統(tǒng)均為簡單的開環(huán)控制。照明燈選用2835LED燈珠板，通風系統(tǒng)選用14 cm風扇(小2P接口)。

供料系統(tǒng)屬于程序控制，需在固定時刻供給飼料。在上位機的喂食界面中設定投喂時間，每當上位機的固有時間與所設定的投喂時間相同時，發(fā)出命令打開飼料桶的閥門進行投喂。

供水系統(tǒng)屬于滯環(huán)控制，需保持實際水位在高低限位之間。在水槽壁上安裝2個水位傳感器，以模擬設定的高低限位。當實際水位大于高限位則關閉供限位門，小于低限位則打開閥門。

孵化箱可設定為開環(huán)、閉環(huán)兩種控制方式。加熱器選用DC(直流)12 V、140 ℃PTC恒溫發(fā)熱片，驅動模塊選用BTS7960；溫度測量選用DS18B20型溫度傳感器，實時地將數據傳輸到上位機監(jiān)控界面。當系統(tǒng)在在閉環(huán)控制方式下工作時，用戶可在控制器編程區(qū)，通過設計PID控制器的參數，實現溫度的最優(yōu)控制；也可通過編寫Smith預估、最小拍等其它控制算法，研究不同控制算法策略與控制器參數設計對系統(tǒng)性能的影響。

卷簾門為控制方式可選(開環(huán)、閉環(huán))的直流電機調速系統(tǒng)。選用GM12N20直流減速電機帶動卷簾門的升降，其自帶碼盤磁性霍爾編碼器可以檢測轉速，驅動模塊選用L298N。當系統(tǒng)在閉環(huán)控制方式下，可完成的實驗操作內容與孵化箱類似。

2.3 監(jiān)控軟件設計

基于Labview虛擬平臺開發(fā)實驗平臺的上位機監(jiān)控軟件，主要分為監(jiān)測與控制兩部分進行。設計思路為：首先，通電并打開上位機使能開關，通過RS232串口將數據讀取到緩沖區(qū)；然后，將這些數據(字符串)轉化為數組函數，通過索引數組函數將其發(fā)送到對應的各子系統(tǒng)中，并展現在子系統(tǒng)功能的監(jiān)控界面上；最后，在監(jiān)控界面設置控制參數或使能開關，根據各輸入控件狀態(tài)的比較運算，將控制指令發(fā)送到下位機各端口，以完成下位機運行的控制操作。

監(jiān)控界面由簡單控制、運動控制和溫度控制等3個模塊構成，具有通信設定、設定值輸入、開關控制、轉速/溫度實驗顯示、控制器參數設定、數據保存等功能。“簡單控制”界面主要包括通信、照明、通風、供料及供水等模塊，如圖4所示；“運動控制”界面為卷簾門-電機測速控制模塊，如圖5所示；“溫度控制”界面為孵化箱-溫度控制，如圖6所示。

通過虛擬平臺和實物模型上下位機的結合，不僅令學生對“自動控制原理”“計算機控制技術”等理論性課程知識產生直觀認識，還可以作為“控制系統(tǒng)綜合設計”等研究性實驗課程的教學平臺。面對實際可操作的實物系統(tǒng)，有利于幫助學生構建自己的思維導圖，加深對理論知識的理解，同時還能鍛煉其動手操作能力。與傳統(tǒng)的實驗儀器相比，仿農舍模型實驗平臺集中了多種被控量，方便學生學習，利用多種軟件形成更加復雜的控制算法，同時人性化的上位機界面更為直觀地將實時數據反饋給實驗人員。

圖4 “簡單控制”界面

圖5 “運動控制”界面

圖6 “溫度控制”界面

3 基于仿農舍模型的教學開展

3.1 實驗教學開展

基于仿農舍模型的基礎控制理論教學實驗平臺，包括水位滯環(huán)控制供水、恒溫孵化箱、定時供料、卷簾門電機調速、排風扇以及照明等模塊，預留有太陽能供電、機器視覺監(jiān)控等模塊待開發(fā)。在同一模型中，展現開環(huán)控制、閉環(huán)控制、過程控制和順序控制等多種控制方式，通過各種控制方式的結合與對比，讓學生和用戶形象直觀地分析不同控制方式的優(yōu)缺點。此外，在閉環(huán)控制的基礎上，還可探究PID、最小拍、大林算法和Smith預估等控制器的設計對控制效果的影響。預期可輔助完成開閉環(huán)控制系統(tǒng)的分析實驗、數字PID控制實驗、溫度控制實驗、電機控制實驗等實驗教程，研究校正控制器參數設計對系統(tǒng)性能的影響。

圍繞“仿農舍模型”教學實驗平臺，編寫了相應的教學實驗指導書，包括實驗守則、上位機開發(fā)環(huán)境、硬件設計及實驗教學內容安排等。目前，基于該平臺開展的實驗教學如表1所示。

表1 基于仿農舍模型的實驗教學內容

以卷簾門-調速系統(tǒng)模型辨識實驗為例。通過實時測得電機轉速的響應曲線，反推出調速系統(tǒng)的傳遞函數參數，得出實物系統(tǒng)的數學模型[13]。由于電機的電樞供電電壓來自于直流調壓模塊，階躍響應的輸入值由上位機設定轉速占空比表示，故可將直流調壓板塊與小型直流電機共同看作無延時一階慣性環(huán)節(jié)，其傳遞函數如式(1)所示：

(1)

根據輸入變量與階躍響應曲線，推算出未知參數K和T1的值。

以孵化箱-溫控系統(tǒng)PID控制器設計為例。在Keil uVision5集成環(huán)境中編寫差分方程，圖9為孵化箱-溫控系統(tǒng)PID控制器的各項系數分別為Kp=20，Ki=0.2，Kd=0.02的溫度控制效果。

圖7 孵化箱-溫控系統(tǒng)PID控制器設計實驗結果

3.2 教學活動總結

在初期建設階段，分別選擇中國礦業(yè)大學電氣工程及其自動化專業(yè)15級(開課時間2017-2018年第一學期)、16級(開課時間2018-2019年第一學期)的2個教學班(授課)作為試點，面向“自動控制原理”“計算機控制技術”及“控制系統(tǒng)綜合設計與實驗”等課程，以仿農舍模型的基礎控制理論教學實驗平臺為研究對象，開展仿農舍模型控制系統(tǒng)認知(2學時)、卷簾門-調速系統(tǒng)模型辨識實驗(2學時)、孵化箱-溫控系統(tǒng)模型辨識(4學時)的課堂與實驗教學活動。

經過對這兩屆學生教學效果的總結，課題組對平臺裝置及其實驗手冊不斷地進行優(yōu)化完善，于2019年8月參加了第2屆全國高校自動化類專業(yè)青年教師實驗設備設計“創(chuàng)客大賽”。鑒于本平臺具有較強的工程系、趣味性與創(chuàng)新性，得到專家評委的一致好評，榮獲銀獎1項，如圖8所示。

a) 參賽現場

b) 獲獎證書圖8 平臺參賽情況

4 結語

仿農舍的實物控制模型作為一種比較直觀的教學實驗工具，涉及多門自動化類專業(yè)課程，結構簡潔美觀、成本低、控制對象與控制方式多、趣味性強、操作性高、拓展性好、可設計的實驗教學環(huán)節(jié)豐富。設備將多種控制對象與控制方式，通過虛擬平臺與實物模型的結合，在一個實物化的平臺中展現出來，不僅令學生對“自動控制原理”“計算機控制技術”等控制理論知識產生直觀的認識，還可作為“控制系統(tǒng)綜合設計與實驗”等綜合設計性、創(chuàng)新性實驗課程的研究平臺。面向實際可操作的仿農舍模型實物系統(tǒng)，通過一系列訓練加深學生對復雜工程系統(tǒng)的理解，便于對本領域相關專業(yè)的學生開展控制技能培養(yǎng)，提高其分析解決控制領域復雜工程問題的能力，為國家社會輸出高素質的自動化工程技術人才。