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，采用引導文教學法進行“PID控制算法”教學的實踐。

【關鍵詞】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中大量應用，占據著主導地位。由于該算法是理解反饋控制的基礎以及它的實用性，自動化類專業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學基礎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實時仿真技術并應用引導文教學法進行教學，取得了很好的成效。

一、傳統教學方法的不足

對于PID控制算法的學習，傳統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，新出版的相關教材幾乎都引入了Matlab這個強大的數學工具。但是對于普通的高職高專學生，他們的數學基礎較為薄弱，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。如果學習任務能夠與具體實物密切聯系，有一定的可操作性和實用性，則他們樂于挑戰任務，并可以保持較為持久的興趣。傳統教學法在講授該部分內容時，正是缺少理論與實際相結合的具體實物以及引申出的教學設計，xPC Target是Matlab平臺下的一種半實物實時仿真技術，能夠使用Matlab的Simulink/Stateflow等設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計的方法，用于控制器的實時測試和開發，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，包括硬件系統和軟件系統。硬件系統包括宿主機、目標機、目標機上的I/O板卡，軟件系統在宿主機上包括windws系統、Matlab宿主機開發環境、xPC接口函數，目標機上包括xPC實時內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進行通信。用戶首先在宿主機上使用Matlab，Simulink等高級語言開發控制程序，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據和信號。值得注意的是，xPC實時內核是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軟件。

圖1 xPC Target系統宿主機-目標機示意圖

三、基于xPC Target的單容液位控制系統的搭建

單容液位控制系統是高校自動化課程中典型使用的被控對象，采用xPC Target系統可以搭建如圖2所示的系統控制結構框圖。xPC Target目標機上使用研華的高性能、高速多功能數據采集控制卡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。根據系統控制結構圖，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數據曲線，如果仿真選擇External模式，則宿主機可以訪問到目標機數據，使用Matlab的普通Scope進行分析。

圖2 系統控制結構框圖

圖2 xPC Target的PID控制程序

從以上的控制系統結構和程序可以看出，xPC Target的使用非常簡單、直觀、自然，對于已經在前面章節課程中使用Matlab進行過控制系統分析的學生來說，是一個很好的分析設計工具。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展，其特點是具有明確的任務和引導問題，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。本教學內容采用該方法進行組織教學。以下是本項目的引導設計。

（一）學習領域

PID控制算法及計算機控制。

（二）學習情境

在現代化水廠中，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算法的設計。

（三）學習任務

使用xPC Target作為控制器，采用PID控制算法實現單容液位被控對象的恒水位控制。

（四）學習時間

8課時。

（五）任務描述

了解xPC Target單容液位控制系統的硬件組成，對xPC Target宿主機-目標機進行參數設置，使用Simulink編寫PID控制算法，液位響應曲線圖形顯示，PID控制參數的整定。

（六）引導問題

簡述xPC Target宿主機-目標機的構成、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系？

輸入給變頻器的電壓信號與變頻器控制水泵轉速有什么關系？

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，如何設置Matlab環境參數？

PCL-711B采集電壓和輸出電壓與模塊數據的對應關系？

P、I、D三個參數中，P參數有何作用，能否消除穩態誤差？

P、I、D三個參數中，I參數有何作用，當進入穩態且沒有穩態誤差后，P輸出為多少，I輸出的控制量跟被控對象有何關系？

P、I、D三個參數如何整定？

（七）信息來源

單容液位實驗系統說明書。

xPC Target半實物仿真的相關論文。

xPC Target Users Guide（整理出有關部分）。

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

《基于MATLAB/Simulink的系統仿真技術與應用》，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，電子工業出版社。

PID控制算法是自動化類專業中非常重要的知識點，用傳統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，而且能夠發現自己的問題和不足，學生主體能動性得以充分體現，相比傳統教學法，取得了更好的教學效果。

【基金項目】2014年廣西機電職業技術學院院級項目

【作者簡介】梁廣瑞（1979- ），男，廣西南寧人，廣西機電職業技術學院電氣工程系講師，碩士，研究方向：機電一體化技術。

（責編 丁 夢）