自動控制原理實踐教學的改革與探究—以基于MATLAB實時控制的水箱液位控制實驗為例

于建均 李慧杰 喬俊飛 楊金福 韓紅桂 嚴愛軍

北京工業大學電子信息與控制工程學院 北京 100124

自動控制原理實踐教學的改革與探究—以基于MATLAB實時控制的水箱液位控制實驗為例

于建均 李慧杰 喬俊飛 楊金福 韓紅桂 嚴愛軍

北京工業大學電子信息與控制工程學院 北京 100124

自動控制原理是信息控制類專業的核心基礎課程，其實踐教學環節不僅擔負著理解、鞏固、加深課堂教學理論知識的任務，同時也是理論與實踐應用之間的紐帶。在自動控制原理實踐教學中，構建了基于MATLAB實時控制的實驗系統：在MATLAB的Simulink下設計調試控制器，通過實時控制模塊(Real-TimeWorekshop，簡稱RTW)將控制作用借助于PCI1711卡多功能卡送至物理對象模型以實現物理系統控制。該實踐教學方式，實現了控制理論知識與實踐的有機結合。既實現了物理對象模型的控制方法的研究，又避免了傳統實時控制中復雜編程的問題，運行與調試簡潔直觀，提高了實驗效率。

自動控制原理實踐教學；實時控制；物理對象模型

自動控制原理是信息控制類本科專業學生的核心基礎課程[1]，其實踐環節不僅對于學生對課程理論知識的理解與鞏固，分析問題、解決問題能力的培養起著重要的作用，同時也是理論知識與實際工程的橋梁。目前，自動控制原理實驗的設置大多基于傳遞函數模型，利用MATLAB仿真軟件進行系統分析與設計，鮮有涉及物理對象模型。但是這種實踐教學模式，只是培養了學生系統仿真的能力，學生對控制系統的理解只停留在數學模型階段，難以建立起直觀概念，很難將其與實際的控制系統聯系起來，無法實現實踐教學的真正作用。而基于物理對象模型的實驗，若使用模擬控制器，則控制器搭建及參數調整不便，而且往往將精力過多投入至電路搭建及故障排除上；若借助微處理器作為控制裝置，則學生大部分精力往往會陷入程序調試中而忽略了系統分析與系統控制，顧此失彼，本末倒置。

筆者在自動控制原理實驗的教學實踐中，將MATLAB實時控制引入到物理對象模型的控制中[2]，搭建了基于MATLAB實時控制實驗系統：在MATLAB的Simulink下設計調試控制器，通過實時控制模塊(Real-Time Workshop，簡稱RTW)將控制作用借助于PCI1711多功能卡送至物理對象模型以實現物理系統的控制，同時被控對象的輸出借助PCI1711卡的輸入接口經由實時控制的模擬量輸入模塊傳送至控制器輸入，構成閉環。該實踐教學方式，既實現了物理對象模型的控制方法的研究，又避免了傳統物理對象控制中復雜編程的問題，運行與調試簡潔直觀，提高了實驗效率，有助于學生分析問題解決問題能力的提高，實現了理論知識與工程實踐的橋梁作用。

1 基于MATLAB實時控制的實驗系統的搭建

1.1 實時控制系統的硬件架構

實時系統硬件架構(如圖1所示)，包括上位機(電腦)，PCI1711數據采集卡，物理對象模型。物理對象模型通過PCI1711數據采集卡實現模擬量的輸入與輸出。PCI1711數據采集卡完成數據轉換后與上位機進行數據交換。在上位機的MATLAB的仿真環境下(Simulink)，搭建控制器，通過模擬量的輸入輸出模塊實現對物理對象模型的閉環控制。由于控制器的搭建是在上位機里完成，因此可以多種形式，如傳遞函數、S函數、模塊封裝等。

圖1 實時控制系統的硬件架構

1.2 實時控制系統運行流程

第一步：配置MATLAB編譯器：輸入“rtwintgt -setup”并按回車鍵，然后輸入“y”；之后輸入“mex -setup”并按回車鍵，然后輸入“y”，接著在編譯器的選擇中選擇“Microsoft Visual C/C++ version 6.0”項，最后輸入“y”。編譯器配置結束。

第二步：在Simulink環境下建立系統實時控制結構。

第三步：通過編譯將建立的結構信息編譯成C語言文件存儲在工作文件夾中。值得注意的是，當實時控制系統的結構變化時，需要重新進行編譯。

第四步：點擊連接，將接口聯通，使控制效果可以作用在被控對象上；最后點擊運行，開始實時控制實驗。

實驗中，可以隨時改變控制器的結構與參數，比如PID控制器參數，Gain模塊參數，而不用停止系統運行。這樣的設計，使得實驗效率大大提高。

2 基于MATLAB實時控制實驗系統的教學實例

基于MATLAB實時控制系統搭建完成后，只要物理對象模型的輸入輸出數據與PCI1711的I/O接口數據匹配，即可對該物理對象模型實現控制。以雙容水箱的液位控制為例，說明實驗的設計與實施。

2.1 雙容水箱實驗系統

雙容水箱是典型的物理對象模型，實驗室采用的是浙江天煌科技公司的“THBDC-1型控制理論·計算機控制技術實驗平臺”中的雙容水箱作為被控制物理對象模型，包括水箱及控制箱。控制箱可輸出經壓力變送器變換后的兩個水箱水位，接收控制信號，并轉化為PWM波以驅動水泵實現對水箱進水量的控制。

2.2 實驗任務

被控制物理對象模型為雙容水箱系統，其簡化結構示意圖(如圖2所示)。設流量Q1為雙容水箱的輸入量，下水箱的液位高度H2為輸出量，根據物料動態平衡關系，并考慮到液體傳輸過程中的時延，其傳遞函數為：

式(1)中 K=R4，T1=R2C1，T2=R4C2，R2，R4分別為閥V3和V4的液阻，C1和C2分別為左水箱和右水箱的容量系數。

要求設計控制結構與控制器，以實現以下性能指標要求：衰減率4:1～10:1，超調量，調節時間，穩態誤差ess=0。

圖2 雙容水箱液位控制結構簡圖

2.3 實驗內容

(1)系統模型參數的獲取：用實驗法求取水箱模型參數K，T1，T2，確定水箱物理系統的數學模型。

(2)系統設計

基于性能指標要求，設計水箱控制系統的控制結構與控制器。

(3)系統仿真

在MATLAB的Simulink仿真平臺下，進行系統仿真，驗證控制算法的可行性，進行控制器參數的調整，以滿足性能指標的要求。研究系統的抗干擾性以及參數變化對系統的影響。

(4)系統實現

搭建水箱實時控制系統，實現水箱的水位控制。進行控制器的調試，使系統正常工作時滿足性能指標的要求。

(5)研究參數變化及外界干擾對系統性能的影響

通過改變出水量模擬外界干擾，改變圖3中閥2的開度以改變系統參數，觀察水位的變化以衡量系統的抗干擾能力。

2.4 實驗設計與實施實例

學生根據實驗任務與實驗內容，自行設計實驗步驟及實施實驗。以一種實驗方案為例，列舉學生的實驗設計與實施。

(1)采用曲線法測量水箱的模型參數給水箱輸入階躍信號，觀察其輸出水位曲線并記錄(如圖3所示)。

基于階躍響應曲線，用兩點法確定模型參數。

圖3 水箱階躍響應曲線

在圖5的縱軸上確定兩點，分別是0.4 h2(∞)和0.8 h2(∞)所對應的時間t1和t2，h2(∞)為第二個水箱液位的穩態值。

根據t1/t2的比值，可以反映出慣性環節的階次，若0.32

設階躍輸入的幅值為?x，則二階慣性的靜態放大系數K為：過曲線的拐點做一條切線，它與橫軸交于A點，OA即為滯后時間常數て(如圖4所示)。

圖4 時間常數確定示意圖

(2)控制方案的選擇

PID控制器是生產過程中普遍采用的控制方法，其算法簡單，魯棒性好，可靠性高，易于實現，因此學生大多初步選擇PID控制器以對水箱實現控制。

(3)系統仿真

在MATLAB的仿真環境下搭建仿真結構，進行水箱水位控制系統仿真，并進行PID控制器參數的整定。仿真結構圖及仿真結果(如圖5所示)。系統抗干擾仿真實驗曲線為(如圖6所示)。

圖5 系統仿真結構及仿真結果

圖6 系統抗干擾仿真結果

(4)實時控制系統結構的搭建

以上位機，PCI1711卡，水箱物理對象模型為系統硬件，以MATLAB為系統軟件運行環境，建立實時控制系統。包括硬件連接及軟件結構的搭建。在MATLAB下搭建的上位機控制環境(如圖7所示)。其中水箱系統的液位信號通過壓力變送器變換后通過PCI-1711卡由”Analog Input”模塊讀入，PID控制器輸出的控制信號經“Analog Output”模塊送至PCI-1711卡至水箱系統以控制水泵的開度。

圖7 系統實時控制結構

(5)水箱控制系統的調試與實驗研究

將搭建完成的實時控制系統進行編譯與接口連接，即可點擊運行，進行水箱液位控制的實驗研究。包括控制器參數的調整與系統抗干擾能力的研究。圖8，圖9為相應的實驗結果。

圖8 水箱的液位曲線

圖9 水箱的抗干擾實驗結果

(6)控制方案的其它選擇

PID是工業控制中最常見、使用最廣泛的控制器，是學生控制方案的第一選擇。但也有學生采用了串級控制結構(如圖10所示)。在系統控制效果改進過程中，學生選擇了模糊控制、模糊PID控制、前饋控制等。

圖10 串級控制的仿真與實時控制結構圖

3 基于MATLAB實時控制的實踐教學的優勢

(1)通過搭建基于MATLAB實時控制的物理對象控制平臺，使得控制器的搭建在MATLAB的 Simulink環境下實現，控制器既可以以傳遞函數形式給出，也可以通過S函數編程后封裝實現，簡單易行，參數調整方便，為綜合型、設計型實驗的實施創造了條件，使在實驗室條件下基于物理對象的實驗研究便利可行。

(2)實驗的研究內容以研究對象以及控制目標的形式給出，此類實驗任務的設置更貼近于工程實際應用。

(3)實驗的流程從“物理對象提煉出數學模型—基于模型的系統分析與控制器的設計—系統仿真研究—物理對象”的實施，同實際工程設計與實現吻合，有利于學生通過實踐訓練實現與實際應用的對接。

(4)基于MATLAB實時控制的實踐教學，控制的對象是實際的物理對象模型，不同于計算機仿真實驗研究，這種實踐教學方式，使學生能充分體會到理論知識對實際應用的作用，學會了把平常課本上的知識、理論真正的應用于實踐。

(5)基于任務型實驗探究，從控制結構的搭建，控制器的選擇，控制器參數的調整，全部需要發揮學生的主觀能動性自己進行設計與實驗研究，激發了學生的學習興趣與探索欲，使學生能夠主動學習與探究，有助于創新能力的培養。

4 結束語

通過構建基于MATLAB實時控制的實驗環境，使物理對象的控制研究簡單易行。在課時有限的情況下，學生可將精力投入到控制器的設計、研究與調試中，大大提高了實驗效率，在學生分析問題解決問題的能力培養上，在學生對理論與實際應用相結合的體會上，在學生創新能力的培養上都起到了推動作用。

[1]王萬良.“自動控制原理” 課程教學中的幾個關鍵問題[J].中國大學教學,2011(81):48-51.

[2] 陳梅蓮,于建均,劉琦.基于Matlab 實時控制的磁浮球系統的實驗研究[J].實驗技術與管理,2012,29(5):118-123.

[3]夏靜萍,王瑛.自動控制原理實驗教學探究[J].實驗室研究和探索2013,32(12):184-189.

[4]羅文軍.模糊PID控制在單容水箱中的應用[J].桂林航天工業高等專科學校學報,2008(4):55-57.

[5] 王曉鵬.三容水箱液位控制系統動態仿真與多變量過程的在線監測[D].山東:山東大學,2005.

[6]卿曉霞.基于Multi-Agent的分布式污水處理智能化系統研究[D].重慶:重慶大學,2007.

[7]曾慶軍,徐紹芬,韋中利. 自動化專業控制類課程群實驗教學改革[J].實驗室研究與探索,2006,25(5):632-634.

Exploration and Innovation in the Practical Teaching of Automatic Control Theory :In the Case of Double Let Water Tank Liquid Level Control Experiment Based on MATLAB Real-Time Control

Yu Jianjun, Li Huijie, QiaoJunfei, Yang Jinfu, Han Honggui, Yan Aijun

College of Electronic and Control Engineering, Beijing University of Technology, Beijing, 100124, China

Automatic Control Theory is the core foundation course in theprofessional of information and control, its practical teaching program not only takes on the tasks of comprehending, consolidating, deepening the theoretical knowledge through the class teaching, but also is the link between theory and practical application. In the practical teaching program of Automatic Control Theory, Experiment System is constructed based on MATLAB Real-Time Control module: Controller is debugged in the Simulink Module of MATLAB, the control signal is sent to the physical object model by means of multi-function card PCI1711.This practical teaching methods could organic bond the theory knowledge and practical application. Not only Implemented control action to the physical object, but also avoided the complex programming problem in the traditional real-time control. The running and debugging of the system is succinct and visual, and the efficiency of experiment has been improved.

practical teaching of automatic control theory; real-time control; physical object model

2015-12-18

于建均，碩士，副教授。

北京市高等學校教育教學研究立項項目(重點)。