發(fā)布時間：2020-04-09所屬分類：教育論文瀏覽：1次
摘 要： 摘要:目前，我國很多高校控制理論與控制工程專業(yè)研究生教學(xué)中雖然設(shè)置了系統(tǒng)辨識課程和多門控制課程，但各門課程偏重理論忽視實踐，并且關(guān)聯(lián)性較差，導(dǎo)致學(xué)生學(xué)習(xí)效率較低，不能學(xué)以致用。針對這一現(xiàn)狀，以東北大學(xué)流程工業(yè)綜合自動化國家實驗室研究生創(chuàng)新實
摘要:目前，我國很多高校控制理論與控制工程專業(yè)研究生教學(xué)中雖然設(shè)置了系統(tǒng)辨識課程和多門控制課程，但各門課程偏重理論忽視實踐，并且關(guān)聯(lián)性較差，導(dǎo)致學(xué)生學(xué)習(xí)效率較低，不能學(xué)以致用。針對這一現(xiàn)狀，以東北大學(xué)流程工業(yè)綜合自動化國家實驗室研究生創(chuàng)新實驗班為依托，將建模課程與多門控制課程相融合，創(chuàng)建了現(xiàn)代控制系統(tǒng)課程教學(xué)思路、教學(xué)方法，并加強了實驗教學(xué)實踐。通過課后調(diào)查和反饋，該課程和教學(xué)方法均獲得了師生的一致好評。
關(guān)鍵詞:現(xiàn)代控制系統(tǒng);課程改革;實驗教學(xué)
0引言
控制理論與控制工程專業(yè)無論在本科還是研究生階段都是自動化學(xué)科的熱門專業(yè)。國外大學(xué)雖然沒有該類專業(yè)，但是很多工科院系的專業(yè)都開設(shè)了控制理論和控制工程相關(guān)的課程。如在德國，電氣和電子工程系、機械工程系、化學(xué)工程系等相關(guān)學(xué)科的所有低年級學(xué)生，都要學(xué)習(xí)控制理論基礎(chǔ)課，并為高年級學(xué)生提供隨機與自適應(yīng)控制、離散時間系統(tǒng)與數(shù)字控制等課程[1];在美國，大多數(shù)工科院系至少為本科生開設(shè)控制系統(tǒng)導(dǎo)論課程，并在研究生開設(shè)數(shù)字控制、自適應(yīng)控制等課程[2]。
相關(guān)期刊推薦：《實驗室研究與探索》雜志是教育部主管、上海交通大學(xué)主辦的國內(nèi)外公開發(fā)行的綜合性技術(shù)刊物，全國高校實驗室工作研究會會刊之一。主要刊登：校長、名人訪談、2l世紀實驗與創(chuàng)新、實驗技術(shù)、計算機技術(shù)應(yīng)用、實驗教學(xué)示范中心建設(shè)、實驗教學(xué)、實習(xí)與實訓(xùn)、處長論壇、實驗室建設(shè)與科學(xué)管理、儀器設(shè)備供應(yīng)與管理、高職高專院校實驗窒等方面的信息。
近年來，為適應(yīng)現(xiàn)代工業(yè)和高新技術(shù)的飛速發(fā)展，世界各個大學(xué)針對控制理論與控制工程相關(guān)專業(yè)無論在課程的設(shè)置上還是在教學(xué)方法上都在深入地進行教育教學(xué)改革。如美國俄亥俄州立大學(xué)電氣工程系針對高年級本科生和研究生特意新開了模糊控制的實驗課程[3];土耳其Kocaeli大學(xué)電力和能源系將主動學(xué)習(xí)策略引入到電氣傳動控制課程[4];美國普渡大學(xué)電機與計算機工程學(xué)院為加深和鞏固電力電子課程中的基本概念建立了教學(xué)實驗室[5];羅馬尼亞PolitehnicaUniversityofTimisoara(PUT)自動化與應(yīng)用信息系針對先進控制工程課程提出了基于實驗的教學(xué)方法[6];羅馬尼亞PolitehnicaUniversityofBucharest自動控制與系統(tǒng)工程系為補充傳統(tǒng)的教學(xué)方法，針對運動控制的基礎(chǔ)理論提出了基于e-learning平臺網(wǎng)絡(luò)教學(xué)法[7]。還有其他國家和地區(qū)也新開設(shè)或補充開設(shè)了基于elearning平臺和虛擬實驗室的網(wǎng)絡(luò)教學(xué)方法[8-13]。
目前我國控制理論與控制工程專業(yè)碩士研究生課程設(shè)置種類較多，各門課程比較偏重理論忽視實踐，課程之間存在知識點重復(fù)，總體體系結(jié)構(gòu)不清晰等問題，另外建模課程與控制課程之間銜接也不緊密，關(guān)聯(lián)性較差，導(dǎo)致學(xué)生學(xué)習(xí)效率較低，不能學(xué)以致用。2016年，我校流程工業(yè)綜合自動化國家重點實驗室(以下稱流程實驗室)針對這一現(xiàn)狀為研究生創(chuàng)新實驗班開設(shè)了現(xiàn)代控制系統(tǒng)課程。它整合了系統(tǒng)辨識、現(xiàn)代控制理論、計算機控制理論、過程控制系統(tǒng)以及自適應(yīng)控制理論等多門課程。通過這門課程的學(xué)習(xí)，希望使研究生掌握系統(tǒng)、建模和控制等自動化專業(yè)技術(shù)基礎(chǔ)知識，明確它們之間的聯(lián)系，具備綜合運用建模、控制和優(yōu)化提升控制系統(tǒng)性能的能力。
現(xiàn)代控制系統(tǒng)課程分為兩部分，第1部分即現(xiàn)代控制系統(tǒng)I著重介紹機械系統(tǒng)的建模和基于狀態(tài)空間理論的控制方法以及應(yīng)用實例;第2部分即現(xiàn)代控制系統(tǒng)II著重介紹過程控制系統(tǒng)的建模和基于多項式理論的控制方法以及應(yīng)用實例。本文著重介紹現(xiàn)代控制系統(tǒng)II課程的體系結(jié)構(gòu)，并討論在該體系結(jié)構(gòu)下的實驗教學(xué)方法。
1現(xiàn)代控制系統(tǒng)II教學(xué)思路與教學(xué)方法
現(xiàn)代控制系統(tǒng)II課程在研究生入學(xué)以后第1學(xué)期開課，理論課32學(xué)時，實驗課32學(xué)時。課程大綱主要包括:①離散時間控制系統(tǒng)概述。②控制器設(shè)計模型建模方法———被控對象非線性動態(tài)機理建模分析與工作點處線性化方法;確定性和隨機離散時間線性模型結(jié)構(gòu);系統(tǒng)辨識與最小二乘類參數(shù)估計方法。③離散時間控制器設(shè)計方法———經(jīng)典的控制器設(shè)計方法;基于優(yōu)化理論的控制器設(shè)計方法;多變量控制方法;自校正控制方法。
通過32學(xué)時的課堂教學(xué)和課后仿真作業(yè)，使學(xué)生掌握控制系統(tǒng)、被控對象、控制器設(shè)計模型之間的區(qū)別和聯(lián)系，學(xué)會針對不同的被控對象、不同的控制目標選擇合適的控制器設(shè)計方法，并需要建立相應(yīng)的控制器設(shè)計模型，學(xué)會使用Matlab軟件的M語言編寫建模和控制算法程序，完成數(shù)值仿真實驗。課堂教學(xué)結(jié)束，采用閉卷的形式對學(xué)生掌握的理論基礎(chǔ)進行檢驗。接下來，為了加深和鞏固理論基礎(chǔ)，更好地掌握控制器的設(shè)計原理，并真正體會理論指導(dǎo)實際，實際改善理論的道理，要求學(xué)生采用幾種典型的控制器設(shè)計方法對雙容水箱液位系統(tǒng)進行實際應(yīng)用實驗。該實驗根據(jù)學(xué)生人數(shù)，分組進行，每組抽到的實驗題目要求都有些不同，每組3至4人，每人分工明確。由于水箱設(shè)備有限，不能滿足全體學(xué)生同時進行實驗，因此采用上、下午和晚上3個時間段輪流實驗的方式，每組學(xué)生實驗時間不超過32學(xué)時，實驗結(jié)束要求學(xué)生采用答辯的方式對各自負責的部分進行詳細闡述和分析說明。
2雙容水箱多功能過程控制實驗平臺
雙容水箱多功能過程控制實驗平臺是流程實驗室自主研發(fā)的，能夠支持包括溫度、流量、壓力以及液位控制在內(nèi)的多類過程控制實驗。
實驗平臺的硬件部分包括雙容水箱、蓄水池、離心泵、電磁閥、流量計、液位計以及嵌入式控制器等。采用Matlab與Java等軟件工具開發(fā)了具有網(wǎng)絡(luò)化通信、可視化編程、自動代碼生成、實時控制、實驗教學(xué)輔助等功能的網(wǎng)絡(luò)化實時控制實驗軟件平臺。學(xué)生開展實驗時，只需要在Matlab/Simulink環(huán)境對建模和控制算法進行編程，之后自動生成可執(zhí)行代碼下載到嵌入式控制器運行。實驗過程中可以對相關(guān)被控量和控制量變化曲線進行監(jiān)控，可以在線調(diào)整相關(guān)參數(shù)，保存實驗數(shù)據(jù)。
圖1所示為雙容水箱液位系統(tǒng)硬件平臺實物圖。水泵從蓄水池抽水并將水流注入水管，分別經(jīng)過流量計、電磁閥和閥門進入1號水箱和2號水箱，兩個水箱通過閥連通，同時可以利用液位計對兩個水箱內(nèi)液位進行檢測，最后通過泄水閥流回蓄水池形成回路。
將多功能過程控制平臺中左側(cè)水箱設(shè)定為1號水箱，右側(cè)水箱設(shè)定為2號水箱，而流經(jīng)1號水箱的控制回路為回路1，流經(jīng)2號水箱的控制回路為回路2，調(diào)節(jié)水泵的電壓PWM占空比可以將水流以不同流量從蓄水池注入水管，總水流量為1號水箱和2號水箱的入水流量之和，即兩個水箱入水流量具有輸入耦合關(guān)系，且兩個水箱之間存在連通閥，使得雙容水箱系統(tǒng)同時具有狀態(tài)耦合，而且，實驗平臺所提供的流量計和液位計等器件，可以對實驗中的主要被控參數(shù)進行檢測和反饋，電磁閥又可以定量調(diào)節(jié)回路1中入水流量。
3控制器設(shè)計模型建模方法及雙容水箱建模實驗
3.1控制器設(shè)計模型建模方法的課堂教學(xué)
課堂教學(xué)中，首先從流程工業(yè)綜合自動化系統(tǒng)各個層次的設(shè)計與實施中對模型的需求出發(fā)，概述了模型的各種應(yīng)用背景、模型的含義、表征形式、分類與建立方法，說明了模型的建模設(shè)計隨使用目的不同而不同，指出本課程以控制器設(shè)計模型的建模方法為重點內(nèi)容。
(1)以水箱液位過程為例，向?qū)W生講授被控對象非線性動態(tài)機理模型的建模方法，并使學(xué)生了解機理建模中的某些假設(shè)條件、對象非線性特性的來源，模型的結(jié)構(gòu)如階次、時延與物理過程的聯(lián)系;指出大多數(shù)不是具有較強非線性的動態(tài)過程都可以在工作點處設(shè)計線性控制器進行反饋控制，達到較好的控制性能;介紹非線性模型的工作點處線性化方法，從而獲得被控對象在工作點處的連續(xù)時間線性動態(tài)模型，即線性狀態(tài)空間模型，并分析不同工作點處的動態(tài)特性不同。
(2)講授連續(xù)時間模型的離散化方法，重點介紹對連續(xù)時間線性狀態(tài)空間模型進行零階保持采樣得到離散時間狀態(tài)空間模型的一般性推導(dǎo)方法，并指出平移算子、脈沖傳遞算子與Z變換、脈沖傳遞函數(shù)的聯(lián)系與區(qū)別;以一階、二階、時延對象為例，說明連續(xù)時間模型與離散時間模型零極點之間的變換關(guān)系，采樣周期對零極點的影響和一階、二階離散時間動態(tài)系統(tǒng)特性分析。
(3)講授隨機離散時間線性動態(tài)模型，為隨機控制方法的設(shè)計打下基礎(chǔ)。重點介紹隨機干擾的來源、建立隨機干擾模型的意義、平穩(wěn)隨機過程概述、白噪聲和有色噪聲序列、譜分解定理、隨機干擾模型類型、離散時間隨機線性動態(tài)模型的類型。
(4)在學(xué)生對離散時間線性動態(tài)模型結(jié)構(gòu)有所認知的基礎(chǔ)上，講授模型參數(shù)估計方法，指出通常情況下較難獲取精確的機理模型，難以采用工作點處線性化的方法得到較為準確的線性動態(tài)模型，因此可以采用系統(tǒng)辨識的方法基于實驗數(shù)據(jù)對模型參數(shù)進行估計，重點介紹系統(tǒng)辨識方法的內(nèi)涵和步驟，最小二乘類的參數(shù)估計算法，包括一次完成算法、遞推算法和增廣最小二乘遞推算法以及最小二乘參數(shù)估計的統(tǒng)計性質(zhì);系統(tǒng)辨識的一些實際應(yīng)用考慮，包括辨識實驗設(shè)計、辨識信號持續(xù)激勵的解釋、數(shù)據(jù)預(yù)處理、模型結(jié)構(gòu)選擇、模型檢驗等重要環(huán)節(jié)。
3.2雙容水箱液位過程的控制器設(shè)計模型建模實驗實驗要求每組學(xué)生針對水箱液位過程設(shè)計實現(xiàn)不同的控制方法，包括單變量控制和多變量控制方法。針對不同的控制器設(shè)計方法，需要選擇不同的控制器設(shè)計模型結(jié)構(gòu)，如極點配置控制器、一步超前最優(yōu)控制器采用受控自回歸模型(ARX)，只需要建立確定性模型部分;最小方差控制器采用受控自回歸滑動平均模型(CARMA)，需要建立確定性模型部分和隨機干擾模型部分。以下以雙容水箱液位過程的多變量模型為例描述建模實驗過程中的一些要點。
