xPC Target在“PID控制算法”教学中的应用

【摘 要】介绍了在自动控制理论课程中引入xPC Target半实物仿真控制系统，采用引导文教学法进行“PID控制算法”教学的实践。

【关键词】xPC Target 引导文教学法 PID控制算法

【中图分类号】 G 【文献标识码】 A

【文章编号】0450-9889（2015）07C-0187-02

PID控制算法是控制理论中一个非常重要的知识点，不仅内容抽象、理论性强，而且工程实践性强，标准PID以及各种改进的PID控制算法在实际生产中大量应用，占据着主导地位。由于该算法是理解反馈控制的基础以及它的实用性，自动化类专业中除了在自动控制原理、PLC应用等课程做重点介绍外，往往还安排综合实训来强化对该算法的认识。由于高职高专学生一般数学基础和抽象思维能力较差，在以上的几门课程教学中（它们往往是安排在不同的学期中）又难以互相紧密配合，故教学效果不甚理想，教师难教，学生难懂。为了提高教学效果，尝试在自动控制原理中引入xPC Target实时仿真技术并应用引导文教学法进行教学，取得了很好的成效。

一、传统教学方法的不足

对于PID控制算法的学习，传统的教学方法主要有讲授法和仿真实验法。讲授法就是教师在课堂上通过公式推导和例子讲解，将知识和技能传授给学生。仿真法则在课堂引入数学软件Matlab，使用M语言编写程序或simulink搭建仿真模型，让学生有一个“虚拟”的认识。仿真法的引入是自动控制原理教学近年来的一大改进，新出版的相关教材几乎都引入了Matlab这个强大的数学工具。但是对于普通的高职高专学生，他们的数学基础较为薄弱，抽象理解能力不强，不管是讲授法还是仿真法，对他们来说，看到的、听到的还都是很“虚”的数学公式，难以接受。

高职高专学生的学习情绪化较强，对感兴趣的东西可以有较高的学习积极性，对于抽象枯燥的东西则不愿学习，效率低下。如果学习任务能够与具体实物密切联系，有一定的可操作性和实用性，则他们乐于挑战任务，并可以保持较为持久的兴趣。传统教学法在讲授该部分内容时，正是缺少理论与实际相结合的具体实物以及引申出的教学设计，xPC Target是Matlab平台下的一种半实物实时仿真技术，能够使用Matlab的Simulink/Stateflow等设计出来的控制器直接去控制受控对象实物，它的特点正好弥补这种缺陷。引入xPC Target，可以更好地采用新的教学方法，比如项目教学法、引导文教学法等，从而能更好地将理论和实践结合在一起，提高教学效果。

二、xPC Target简介及基本原理

xPC Target是MathWorks提供的一种快速原型设计的方法，用于控制器的实时测试和开发，支持多种通用的PC输入、输出卡。xPC Target 是一种宿主机-目标机的运行模式，包括硬件系统和软件系统。硬件系统包括宿主机、目标机、目标机上的I/O板卡，软件系统在宿主机上包括windws系统、Matlab宿主机开发环境、xPC接口函数，目标机上包括xPC实时内核以及实时控制程序。宿主机和目标机之间通过串口或以太网进行通信。用户首先在宿主机上使用Matlab，Simulink等高级语言开发控制程序，然后下载到目标机上实时运行，宿主机和目标机可以交互显示数据和信号。值得注意的是，xPC实时内核是Matlab在宿主机上生成的，目标机除了PC本身带有的引导程序外，不需要任何其他系统软件。

图1 xPC Target系统宿主机-目标机示意图

三、基于xPC Target的单容液位控制系统的搭建

单容液位控制系统是高校自动化课程中典型使用的被控对象，采用xPC Target系统可以搭建如图2所示的系统控制结构框图。xPC Target目标机上使用研华的高性能、高速多功能数据采集控制卡PCL-711B。它提供了8路12位A/D、1路12位D/A以及16路TTL兼容的输入输出。Matlab/simulink的xPC Target工具箱中带有该款的模块。根据系统控制结构图，编写Simulink的PID控制程序，如图2所示。使用Target Scope，可以在目标机上实时显示动态数据曲线，如果仿真选择External模式，则宿主机可以访问到目标机数据，使用Matlab的普通Scope进行分析。

图2 系统控制结构框图

图2 xPC Target的PID控制程序

从以上的控制系统结构和程序可以看出，xPC Target的使用非常简单、直观、自然，对于已经在前面章节课程中使用Matlab进行过控制系统分析的学生来说，是一个很好的分析设计工具。在整个教学过程中，学生充满了兴趣，并很快掌握了这种先进的分析与设计方法，值得同行在教学过程中借鉴使用。

四、引导文教学法

引导文教学法是借助引导文等教学文件，通过工作计划和自行控制工作过程等手段，引导学生独立学习工作的教学方法。这种方法实际是项目教学法的完善和发展，其特点是具有明确的任务和引导问题，使学生独立思考、解答，找出完成工作的方法。

引导文的编写是关键，学生通过阅读引导文，明确学习目标，清楚知道应该完成哪些工作，掌握哪些知识、技能。本教学内容采用该方法进行组织教学。以下是本项目的引导设计。

（一）学习领域

PID控制算法及计算机控制。

（二）学习情境

在现代化水厂中，有一道过滤工序，滤池底部铺有约0.5m厚的细砂，并有出水阀门，前道工序处理过的水进入滤池后，为了滤水速度和滤水效果的最佳匹配，要求保持1.2m的液位，为了实现这个要求，需要使用PID控制算法，作为水厂自动化工程师，请你用实物仿真该控制模型，并完成PID算法的设计。

（三）学习任务

使用xPC Target作为控制器，采用PID控制算法实现单容液位被控对象的恒水位控制。

（四）学习时间

8课时。

（五）任务描述

了解xPC Target单容液位控制系统的硬件组成，对xPC Target宿主机-目标机进行参数设置，使用Simulink编写PID控制算法，液位响应曲线图形显示，PID控制参数的整定。

（六）引导问题

简述xPC Target宿主机-目标机的构成、工作原理及特点？

控制水箱液位的办法是什么？

液位变送器输出的电压信号与液位高度有什么关系？

输入给变频器的电压信号与变频器控制水泵转速有什么关系？

简述xPC Target目标机与变频器，液位变送器的信号匹配以及传递方向。

使用xPC Target，如何设置Matlab环境参数？

PCL-711B采集电压和输出电压与模块数据的对应关系？

P、I、D三个参数中，P参数有何作用，能否消除稳态误差？

P、I、D三个参数中，I参数有何作用，当进入稳态且没有稳态误差后，P输出为多少，I输出的控制量跟被控对象有何关系？

P、I、D三个参数如何整定？

（七）信息来源

单容液位实验系统说明书。

xPC Target半实物仿真的相关论文。

xPC Target Users Guide（整理出有关部分）。

xPC TargetI/O Reference Guide（整理出有关部分）。

《基于MATLAB/Simulink的系统仿真技术与应用》，薛定宇、陈阳泉著，清华大学出版社。

《过程控制与Simulink应用》，王正林、郭阳宽著，电子工业出版社。

PID控制算法是自动化类专业中非常重要的知识点，用传统的讲课方法学生觉得枯燥无味，引入了xPC Target，并采用引导文教学法后，引起了学生极大的兴趣，不仅自始至终全程参与教学，而且能够发现自己的问题和不足，学生主体能动性得以充分体现，相比传统教学法，取得了更好的教学效果。

【基金项目】2014年广西机电职业技术学院院级项目

【作者简介】梁广瑞（1979- ），男，广西南宁人，广西机电职业技术学院电气工程系讲师，硕士，研究方向：机电一体化技术。

（责编 丁 梦）