自動控制理念課程設計探究

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“黑箱”方法

在控制理論中，一個未知的研究對象通常被稱為一個“黑箱”。所謂“黑箱”方法，簡單地說，就是給一個未知的研究對象輸入信號，然后觀察其輸出信號的變化，通過黑箱外部的輸入輸出數據進行分析研究，得出對其內部結構認識的方法，在控制理論中有一個專門的術語叫做“系統辨識”［9］?！昂谙洹狈椒ǖ膽檬謴V泛，例如，如果將人看作是一個“知人知面不知心”的黑箱，人們可以通過“聽其言，觀其行”而“知其心”。這種行為分析方法是一種典型的“黑箱”方法的應用?？荚囈彩恰昂谙洹狈椒ǖ囊环N應用，教師給學生出題目，就是給學生大腦輸入信息，而學生答題就是輸出信息，教師通過分析出題與答題的對應關系，就能夠知道學生掌握知識的情況。又如社會生活實踐中，用問卷調查了解社會情況，用投入－產出法研究國民經濟等，都是對“黑箱”方法的應用。

“模擬”方法

模擬方法是一種傳統的科學方法，在自動控制理論中，該方法被形象地稱之為“仿真”。所謂“模擬”方法，是以不同系統的行為相似為基礎，通過模型（物理模型或數字模型）來間接地研究系統原型行為的方法。通過對某類數學模型的仿真，就能夠把握與其“相似”的一類“相似系統”的行為。在工程實踐中，常常采用簡單的易于實現的系統來模擬相對復雜的不容易實現的系統，或者采用純數字的模型系統來模擬實際的物理系統，實現仿真研究。“模擬”方法在工程實踐中的應用也非常廣泛，例如石化企業中常用的對員工進行崗位培訓的仿真培訓系統、自動化領域的科研人員常用的數字仿真，都是“模擬”方法的典型應用。在自動控制理論課程中，除了以上3種比較典型的科學方法之外，還有“前饋”方法、“順饋”方法等，在工程實踐和社會生活中也均有一定的應用。

自動控制理論課程的課程設計

自動控制理論課程設計是實踐教學的一個重要環節，它的任務是通過課程設計，使學生進一步掌握自動控制的基本概念和控制系統的基本分析和設計方法，提高工程實踐能力。

1總體設計思路為了加深學生對課程中科學方法的理解并學以致用，鍛煉在軟、硬件方面的動腦和動手能力，在我校的課程設計中，應用了較多的軟件和硬件，其中軟件部分包括Matlab仿真軟件［10］和DCS組態軟件，硬件部分包括計算機、NI數據采集卡、A3000過程控制系統［11］和模擬電路實驗箱。首先，選擇A3000過程控制系統作為被控對象，要求學生利用“黑箱”方法測試對象特性，得到被控對象的數學模型。然后，根據所測得的數學模型，基于Matlab數字仿真平臺設計控制器，構成負反饋控制系統。通過數字仿真，研究控制器的參數變化對系統性能的影響，選擇出合適的控制器參數。接著，根據“相似系統”的原理，使用模擬電路實驗箱搭建電路，模擬A3000過程控制系統，通過NI數據采集卡將實驗箱和計算機相連，利用前面設計得到的控制器，基于實驗箱進行物理仿真，實現對模擬電路實驗箱的實時控制。最后，將設計得到的控制器送入DCS組態軟件，控制A3000過程控制系統，測試控制算法在實際控制裝置上應用的有效性。

2A3000－DCS高級過程控制系統A3000－DCS高級過程控制系統是北京華晟高科教學儀器有限公司推出的多功能實驗裝置，現場系統如圖1所示，包括1個大的儲水箱、3個水箱、1個鍋爐、1個強制換熱器、2個水泵、2個流量計和1個電動調節閥等。通過不同的單元組合，可以構成典型的一階、二階和三階被控對象。該裝置既可以實現簡單的單回路控制，也可以實現復雜的串級控制；既可以實現單變量控制，也可以實現多變量控制。在課程設計中，選取3＃水箱和4＃水箱串聯組成的液位控制系統，選取控制變量為變頻泵的頻率，被控變量為4＃水箱的液位。根據自動控制理論的知識，很顯然，要設計出合適的控制算法，必須首先了解被控對象的信息，然后根據這些信息構成負反饋控制系統，因此，課程設計的第一個任務就是測試被控對象的開環特性。由于水箱的尺寸和閥門的閥阻等參數不易確定，因此在課程設計中采用“黑箱”方法來建立被控對象的數學模型。在水箱的某個平衡點（一般選擇50％）給3＃水箱一個大小合適的階躍輸入，測試4＃水箱液位的變化，根據DCS保存的輸入輸出數據進行系統辨識，即可得到被控對象的數學模型。

3基于Matlab數字仿真平臺的控制器設計和數字仿真課程設計的第2個任務是設計控制器，要求學生基于測得的被控對象的數學模型，分別設計純比例控制器和PID控制器，構成負反饋控制系統。首先，使用Matlab軟件中的設計工具，畫出系統的根軌跡，確定出使系統穩定的控制器參數范圍。然后，使用Matlab提供的Simulink仿真工具箱，進行數字仿真，分析控制器的參數變化對系統性能的影響，確定合適的控制器參數。如果系統的性能指標不能滿足要求，則可通過設計串聯超前或滯后校正環節對系統進行校正。

4基于模擬實驗箱的物理仿真為了更好地和工程實際接近，加強學生的工程意識，在課程設計的純數字仿真環節之后，安排了物理仿真測試環節，將所設計的控制算法在模擬電路實驗箱上進行了仿真測試，測試控制算法應用到現場的可行性。首先，基于A3000過程控制系統的數學模型，根據“相似系統”的原理，使用實驗箱搭建電路，模擬實際的被控對象；然后，通過數據采集卡將模擬電路實驗箱和計算機相連，利用Matlab仿真軟件提供的OPC接口，編寫客戶端程序，實現數據采集和對模擬實驗箱的實時控制。物理仿真示意圖如圖2所示。在此過程中，往往會出現一些數字仿真中沒有的問題，例如比較常見的信號“毛刺”現象和有可能出現的信號飽和現象。在物理仿真過程中，學生能夠非常直觀地觀察到理想數字仿真和實際物理仿真結果的聯系和差別，可以引導學生分析造成差別的原因，并給學生介紹一些工程上常用的簡單的濾波方法。

5A3000過程控制系統的實時控制課程設計的最后一個任務是將所設計的控制算法加到A3000過程控制系統上，測試實際系統的控制性能。將控制算法送入DCS組態軟件，可以非常直觀觀察液位控制系統的液位變化情況，畫出實時控制曲線。通過對實際被控對象的實時控制，自動控制理論課程中的許多抽象的概念，例如過渡過程、超調量、調節時間等，都栩栩如生地呈現在眼前，非常容易被學生理解和接受。同時，也可以引導學生分析實際的控制性能和數字仿真，以及物理仿真的性能指標之間的區別和聯系，并分析原因?？傊?，通過課程設計，學生能夠鍛煉綜合利用自動控制理論課程中的科學方法，以及分析和解決工程實際問題的能力，例如利用“黑箱”方法建立被控對象的數學模型、利用“反饋”方法構成負反饋控制系統、利用“模擬”方法進行數字仿真和物理仿真等。因此，課程設計在加深學生對自動控制理論課程中科學方法的理解和掌握，以及提高學生工程實踐能力方面，發揮了非常重要的作用。3結束語結合自動控制理論的教學內容，介紹了課程當中一些重要的科學方法，以及如何將這些科學方法融入到學校的課程設計當中。在課程設計中，由于采用了過程控制系統、模擬實驗箱和Matlab數字仿真平臺相結合的實驗模式，較好地改善了傳統的純數字仿真驗證模式，充分鍛煉了學生在軟、硬件方面的動腦和動手能力，加深了學生對課程中科學方法的理解，提高了學生的工程實踐能力，獲得了較好的教學效果。

作者：孟令雅單位：中國石油大學（華東）信息與控制工程學院