基于NI myDAQ的控制系統建模與分析綜合設計研究

王 佐， 李世華， 郝 立， 包金明

(東南大學 自動化學院，江蘇 南京210096)

0 引言

隨著計算機技術、人工智能技術與控制理論的相互滲透融合，自動化控制理論得到了長足的發展[1～2]。針對工業系統，常規的控制方案所取得的控制效果已經越來越無法滿足日益提升的要求。研究如何綜合利用先進的建模、分析方法結合先進控制算法設計，進而提出綜合解決方案已經成為自動化專業學生需要具備的核心競爭力[3～4]。然而，目前的自動化專業學生培養中存在著工程應用實踐與理論教學脫節、課程設計以及綜合實踐流于形式、學生工程分析和實踐能力較為欠缺等問題[5]。

“控制系統建模與分析綜合設計”課程作為系統辨識、信號處理、控制類原理理論教學的延續和補充，是培養自動化專業學生的重要實踐課程，綜合培養學生分析建模、系統辨識、控制設計以及編程實現能力，在學生培養中具有承前啟后的重要作用[3～5]。傳統控制系統綜合設計實踐教學中的被控對象一般分為兩類。一類是工業機器人、交流電機、機械系統等機電系統平臺[6]。盡管可實現學生多種能力的培養，但一方面這些設備平臺通常造價昂貴、占地空間較大，不利于大規模推廣和擴展。 另一方面，這些平臺可能存在結構較為復雜、操作具有一定危險性缺點，不利于學生掌握和使用[7]。另一類是如小車倒立擺、直流電機、放大器電路等簡單被控對象，主要存在功能單一、考察知識點較少等不足。

在“控制系統建模與分析綜合設計”課程實踐中，我們創新性地融合了控制類原理和“電力電子”課程的學習重點。選取“電力電子”課程中的直流變換器作為控制對象，搭建出結構簡潔、成本低廉、易于操作的控制系統驗證平臺。更為重要的是，電力電子變換器平臺能綜合反映了從電路設計、分析建模、系統參數辨識、控制設計到算法編程等多種能力的培養。因此，基于這樣的綜合實踐平臺，探討如何培養自動化專業學生的控制理論應用能力，激發學生對控制理論的研究興趣，為學生參與課外科技活動奠定堅實基礎，具有重要的意義。

1 基于myDAQ的自動控制原理綜合實踐內容及框架

本文面向“控制系統建模與分析綜合設計”課程實踐，以電力電子變換器系統分析控制為例，通過綜合實踐與實驗課程的建設，充分培養學生的動手能力、分析能力及探究能力。基于myDAQ的綜合實踐平臺總體結構如圖1所示。

圖1 基于myDAQ的控制系統建模與分析綜合設計課程平臺結構框圖

平臺通過簡單的硬件結構可實現多種工況的模擬，具備豐富的實驗功能。此外，基于LabView圖形化編程語言開發的控制算法，提供了讓學生迅速實現控制算法開發的機會，親身體會到閉環控制的效果。同時結合上位機的顯示控件，將實際輸出曲線進行顯示。實踐系統平臺框架包括以下幾個方面：

1.1 電力電子變換器硬件電路模塊

內部包含直流變換器主電路、供電電源、電壓、電流檢測電路、輸入電源、負載電阻以及其它外圍接口電路。電力電子變換器拓撲采用“電力電子”課程中最為常見的降壓變換器電路。其電路原理清晰明了，學生通過簡單的控制可實現從高輸入電壓到低輸入電壓的調節。課程實踐所設計的電力電子硬件電路模塊原理圖和實物圖如圖2所示。

(a)電路原理圖 (b)電路模塊實物圖圖2 電力電子變換器硬件電路圖

1.2 以NI myDAQ半實物仿真平臺為核心的控制設計部分

首先，根據電力電子降壓變換器的運行機理，利用基爾霍夫定律，建立系統的狀態平均模型。然后，利用電壓電流測試數據，進行參數辨識，從而得到精確的模型信息。緊接著，在精確建模的基礎上，利用控制理論相關知識，設計基于模型的先進控制器。最后，利用圖形化編程語言LabView對所設計的控制算法進行編程實現。以滑模控制為例，因其具有響應速度快、對參數變化及干擾不敏感、實現簡單等優點，被廣泛應用于工業系統中。圖3中展示了針對電力電子變換器系統所設計的滑模控制LabView程序圖。

圖3 滑模控制算法的LabView實現

1.3 基于LabView的上位機顯示和參數調節模塊

結合軟件自帶的各種顯示控件，對變換器的電壓、電流信號以及控制量信號進行實時顯示。上位調試軟件還可實現控制器參數的在線調試功能，使得學生能夠直觀地看到參數調節對于控制性能的影響，易于實現參數調節經驗的總結。基于LabView搭建的上位機界面如圖4所示。

圖4 基于LabView搭建的上位機顯示和參數調節模式

最終，控制調試的效果圖如圖5所示。通過形象生動的實驗，將控制類原理課程學習中枯燥、分散的知識點進行有效融合，不僅能加深學生會對自動化專業的認識和理解，還能夠激發學生探索的興趣。

圖5 算法調試效果圖

2 教學研究中的應用

2.1 鼓勵學生進行軟、硬件的開發，激發學習興趣，在開發實踐過程中培養綜合能力

通過循序漸進的教學，讓學生熟悉軟硬件和編程方法，鼓勵學生組成學習小組并結合興趣進行任務研究。讓他們在動手開發和實驗測試中，直觀體會到平臺從搭建到完善的過程。組織課程討論，集中解決學生在實驗過程中的問題。針對感興趣的學生，鼓勵其結合電路分析、硬件電路設計等相關的知識，開發更為復雜的硬件電路進一步完善硬件平臺的功能模塊，為下一批次的控制系統建模與分析綜合設計課程實踐進行硬件更新迭代。

2.2 依托完善實驗平臺，開展創新性綜合實踐，引導學生的思考，在創新思考中提升專業技能

經過完善的綜合實踐平臺，不僅可面向本科生，為其提供實驗和測試的平臺。自動化專業的碩士生乃至博士生也可利用這樣的平臺進行項目研究和專業技能鍛煉，譬如利用平臺進行精確建模、自適應參數調節以及非線性控制算法開發等方面的研究。此外，這個半實物的控制系統建模與分析綜合設計課程平臺也可用于其它相關專業研究電力電子控制技術方向的同學開展實驗。更進一步地，基于這個綜合實驗平臺開展創新實驗，可將電力電子變換器作為底層被控制對象，搭建上位控制框架，研究多平臺之間的協同控制和優化問題。這樣就有助于建立網絡的概念，并以此挖掘智能電網框架下，多智能體控制和優化的其它項目。

2.3 通過多樣化的實驗要求和評價體系，指引學生進行總結，在全面總結中凸顯專業特色

綜合實踐的實驗要求更能體現自動化專業的特色，在實驗過程中并不是進行簡單的程式化操作和波形記錄，而是從實驗設計、控制方案、匯報展示等各個方面提出多樣化的實驗要求。雖然一次實驗可能耗時僅在2個小時左右，但學生課后需要用來預習和總結的時間可高達6到7小時。通過這樣的評價體系，指引學生進行實驗的總結和反思，幫助他們透徹清晰地理解控制類課程知識點更深層次的含義，也能體驗到理論與應用之間緊密聯系。

“控制系統建模與分析綜合設計”課程實踐創新性地改變了傳統綜合控制課程設計的平臺和研究內容，在實驗技能、建模分析、工程實現等方面有效提升了學生的綜合能力，也鍛煉了學生團隊協作與溝通表達能力,可有效幫助學生較快適應今后的工作環境，增強我校自動化專業畢業生的競爭力。

3 結語

本文圍繞半實物仿真平臺在“控制系統建模與分析綜合設計”課程實踐中的應用，給出了自動化專業在控制系統綜合設計實踐中的學生能力培養的可行方案。此綜合設計課程方案開發周期短、使用方便、易于拓展、涉及學科領域廣，使自動化專業學生對控制原理類課程知識有更深刻的理解和更寬闊的思路，也為其它課程設計開發和拓展提供了有效的參考和借鑒。(王 佐等文)

在后續的工作中，我們將繼續圍繞“控制系統建模與分析綜合設計”課程實踐的建設，推動專業更新實驗教學內容、完善課程體系。