自动控制理念课程设计探究

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“黑箱”方法

在控制理论中，一个未知的研究对象通常被称为一个“黑箱”。所谓“黑箱”方法，简单地说，就是给一个未知的研究对象输入信号，然后观察其输出信号的变化，通过黑箱外部的输入输出数据进行分析研究，得出对其内部结构认识的方法，在控制理论中有一个专门的术语叫做“系统辨识”［9］。“黑箱”方法的应用十分广泛，例如，如果将人看作是一个“知人知面不知心”的黑箱，人们可以通过“听其言，观其行”而“知其心”。这种行为分析方法是一种典型的“黑箱”方法的应用。考试也是“黑箱”方法的一种应用，教师给学生出题目，就是给学生大脑输入信息，而学生答题就是输出信息，教师通过分析出题与答题的对应关系，就能够知道学生掌握知识的情况。又如社会生活实践中，用问卷调查了解社会情况，用投入－产出法研究国民经济等，都是对“黑箱”方法的应用。

“模拟”方法

模拟方法是一种传统的科学方法，在自动控制理论中，该方法被形象地称之为“仿真”。所谓“模拟”方法，是以不同系统的行为相似为基础，通过模型（物理模型或数字模型）来间接地研究系统原型行为的方法。通过对某类数学模型的仿真，就能够把握与其“相似”的一类“相似系统”的行为。在工程实践中，常常采用简单的易于实现的系统来模拟相对复杂的不容易实现的系统，或者采用纯数字的模型系统来模拟实际的物理系统，实现仿真研究。“模拟”方法在工程实践中的应用也非常广泛，例如石化企业中常用的对员工进行岗位培训的仿真培训系统、自动化领域的科研人员常用的数字仿真，都是“模拟”方法的典型应用。在自动控制理论课程中，除了以上3种比较典型的科学方法之外，还有“前馈”方法、“顺馈”方法等，在工程实践和社会生活中也均有一定的应用。

自动控制理论课程的课程设计

自动控制理论课程设计是实践教学的一个重要环节，它的任务是通过课程设计，使学生进一步掌握自动控制的基本概念和控制系统的基本分析和设计方法，提高工程实践能力。

1总体设计思路为了加深学生对课程中科学方法的理解并学以致用，锻炼在软、硬件方面的动脑和动手能力，在我校的课程设计中，应用了较多的软件和硬件，其中软件部分包括Matlab仿真软件［10］和DCS组态软件，硬件部分包括计算机、NI数据采集卡、A3000过程控制系统［11］和模拟电路实验箱。首先，选择A3000过程控制系统作为被控对象，要求学生利用“黑箱”方法测试对象特性，得到被控对象的数学模型。然后，根据所测得的数学模型，基于Matlab数字仿真平台设计控制器，构成负反馈控制系统。通过数字仿真，研究控制器的参数变化对系统性能的影响，选择出合适的控制器参数。接着，根据“相似系统”的原理，使用模拟电路实验箱搭建电路，模拟A3000过程控制系统，通过NI数据采集卡将实验箱和计算机相连，利用前面设计得到的控制器，基于实验箱进行物理仿真，实现对模拟电路实验箱的实时控制。最后，将设计得到的控制器送入DCS组态软件，控制A3000过程控制系统，测试控制算法在实际控制装置上应用的有效性。

2A3000－DCS高级过程控制系统A3000－DCS高级过程控制系统是北京华晟高科教学仪器有限公司推出的多功能实验装置，现场系统如图1所示，包括1个大的储水箱、3个水箱、1个锅炉、1个强制换热器、2个水泵、2个流量计和1个电动调节阀等。通过不同的单元组合，可以构成典型的一阶、二阶和三阶被控对象。该装置既可以实现简单的单回路控制，也可以实现复杂的串级控制；既可以实现单变量控制，也可以实现多变量控制。在课程设计中，选取3＃水箱和4＃水箱串联组成的液位控制系统，选取控制变量为变频泵的频率，被控变量为4＃水箱的液位。根据自动控制理论的知识，很显然，要设计出合适的控制算法，必须首先了解被控对象的信息，然后根据这些信息构成负反馈控制系统，因此，课程设计的第一个任务就是测试被控对象的开环特性。由于水箱的尺寸和阀门的阀阻等参数不易确定，因此在课程设计中采用“黑箱”方法来建立被控对象的数学模型。在水箱的某个平衡点（一般选择50％）给3＃水箱一个大小合适的阶跃输入，测试4＃水箱液位的变化，根据DCS保存的输入输出数据进行系统辨识，即可得到被控对象的数学模型。

3基于Matlab数字仿真平台的控制器设计和数字仿真课程设计的第2个任务是设计控制器，要求学生基于测得的被控对象的数学模型，分别设计纯比例控制器和PID控制器，构成负反馈控制系统。首先，使用Matlab软件中的设计工具，画出系统的根轨迹，确定出使系统稳定的控制器参数范围。然后，使用Matlab提供的Simulink仿真工具箱，进行数字仿真，分析控制器的参数变化对系统性能的影响，确定合适的控制器参数。如果系统的性能指标不能满足要求，则可通过设计串联超前或滞后校正环节对系统进行校正。

4基于模拟实验箱的物理仿真为了更好地和工程实际接近，加强学生的工程意识，在课程设计的纯数字仿真环节之后，安排了物理仿真测试环节，将所设计的控制算法在模拟电路实验箱上进行了仿真测试，测试控制算法应用到现场的可行性。首先，基于A3000过程控制系统的数学模型，根据“相似系统”的原理，使用实验箱搭建电路，模拟实际的被控对象；然后，通过数据采集卡将模拟电路实验箱和计算机相连，利用Matlab仿真软件提供的OPC接口，编写客户端程序，实现数据采集和对模拟实验箱的实时控制。物理仿真示意图如图2所示。在此过程中，往往会出现一些数字仿真中没有的问题，例如比较常见的信号“毛刺”现象和有可能出现的信号饱和现象。在物理仿真过程中，学生能够非常直观地观察到理想数字仿真和实际物理仿真结果的联系和差别，可以引导学生分析造成差别的原因，并给学生介绍一些工程上常用的简单的滤波方法。

5A3000过程控制系统的实时控制课程设计的最后一个任务是将所设计的控制算法加到A3000过程控制系统上，测试实际系统的控制性能。将控制算法送入DCS组态软件，可以非常直观观察液位控制系统的液位变化情况，画出实时控制曲线。通过对实际被控对象的实时控制，自动控制理论课程中的许多抽象的概念，例如过渡过程、超调量、调节时间等，都栩栩如生地呈现在眼前，非常容易被学生理解和接受。同时，也可以引导学生分析实际的控制性能和数字仿真，以及物理仿真的性能指标之间的区别和联系，并分析原因。总之，通过课程设计，学生能够锻炼综合利用自动控制理论课程中的科学方法，以及分析和解决工程实际问题的能力，例如利用“黑箱”方法建立被控对象的数学模型、利用“反馈”方法构成负反馈控制系统、利用“模拟”方法进行数字仿真和物理仿真等。因此，课程设计在加深学生对自动控制理论课程中科学方法的理解和掌握，以及提高学生工程实践能力方面，发挥了非常重要的作用。3结束语结合自动控制理论的教学内容，介绍了课程当中一些重要的科学方法，以及如何将这些科学方法融入到学校的课程设计当中。在课程设计中，由于采用了过程控制系统、模拟实验箱和Matlab数字仿真平台相结合的实验模式，较好地改善了传统的纯数字仿真验证模式，充分锻炼了学生在软、硬件方面的动脑和动手能力，加深了学生对课程中科学方法的理解，提高了学生的工程实践能力，获得了较好的教学效果。

作者：孟令雅单位：中国石油大学（华东）信息与控制工程学院