自动控制原理实践教学的改革与探究—以基于MATLAB实时控制的水箱液位控制实验为例

于建均 李慧杰 乔俊飞 杨金福 韩红桂 严爱军

北京工业大学电子信息与控制工程学院 北京 100124

自动控制原理实践教学的改革与探究—以基于MATLAB实时控制的水箱液位控制实验为例

于建均 李慧杰 乔俊飞 杨金福 韩红桂 严爱军

北京工业大学电子信息与控制工程学院 北京 100124

自动控制原理是信息控制类专业的核心基础课程，其实践教学环节不仅担负着理解、巩固、加深课堂教学理论知识的任务，同时也是理论与实践应用之间的纽带。在自动控制原理实践教学中，构建了基于MATLAB实时控制的实验系统：在MATLAB的Simulink下设计调试控制器，通过实时控制模块(Real-TimeWorekshop，简称RTW)将控制作用借助于PCI1711卡多功能卡送至物理对象模型以实现物理系统控制。该实践教学方式，实现了控制理论知识与实践的有机结合。既实现了物理对象模型的控制方法的研究，又避免了传统实时控制中复杂编程的问题，运行与调试简洁直观，提高了实验效率。

自动控制原理实践教学；实时控制；物理对象模型

自动控制原理是信息控制类本科专业学生的核心基础课程[1]，其实践环节不仅对于学生对课程理论知识的理解与巩固，分析问题、解决问题能力的培养起着重要的作用，同时也是理论知识与实际工程的桥梁。目前，自动控制原理实验的设置大多基于传递函数模型，利用MATLAB仿真软件进行系统分析与设计，鲜有涉及物理对象模型。但是这种实践教学模式，只是培养了学生系统仿真的能力，学生对控制系统的理解只停留在数学模型阶段，难以建立起直观概念，很难将其与实际的控制系统联系起来，无法实现实践教学的真正作用。而基于物理对象模型的实验，若使用模拟控制器，则控制器搭建及参数调整不便，而且往往将精力过多投入至电路搭建及故障排除上；若借助微处理器作为控制装置，则学生大部分精力往往会陷入程序调试中而忽略了系统分析与系统控制，顾此失彼，本末倒置。

笔者在自动控制原理实验的教学实践中，将MATLAB实时控制引入到物理对象模型的控制中[2]，搭建了基于MATLAB实时控制实验系统：在MATLAB的Simulink下设计调试控制器，通过实时控制模块(Real-Time Workshop，简称RTW)将控制作用借助于PCI1711多功能卡送至物理对象模型以实现物理系统的控制，同时被控对象的输出借助PCI1711卡的输入接口经由实时控制的模拟量输入模块传送至控制器输入，构成闭环。该实践教学方式，既实现了物理对象模型的控制方法的研究，又避免了传统物理对象控制中复杂编程的问题，运行与调试简洁直观，提高了实验效率，有助于学生分析问题解决问题能力的提高，实现了理论知识与工程实践的桥梁作用。

1 基于MATLAB实时控制的实验系统的搭建

1.1 实时控制系统的硬件架构

实时系统硬件架构(如图1所示)，包括上位机(电脑)，PCI1711数据采集卡，物理对象模型。物理对象模型通过PCI1711数据采集卡实现模拟量的输入与输出。PCI1711数据采集卡完成数据转换后与上位机进行数据交换。在上位机的MATLAB的仿真环境下(Simulink)，搭建控制器，通过模拟量的输入输出模块实现对物理对象模型的闭环控制。由于控制器的搭建是在上位机里完成，因此可以多种形式，如传递函数、S函数、模块封装等。

图1 实时控制系统的硬件架构

1.2 实时控制系统运行流程

第一步：配置MATLAB编译器：输入“rtwintgt -setup”并按回车键，然后输入“y”；之后输入“mex -setup”并按回车键，然后输入“y”，接着在编译器的选择中选择“Microsoft Visual C/C++ version 6.0”项，最后输入“y”。编译器配置结束。

第二步：在Simulink环境下建立系统实时控制结构。

第三步：通过编译将建立的结构信息编译成C语言文件存储在工作文件夹中。值得注意的是，当实时控制系统的结构变化时，需要重新进行编译。

第四步：点击连接，将接口联通，使控制效果可以作用在被控对象上；最后点击运行，开始实时控制实验。

实验中，可以随时改变控制器的结构与参数，比如PID控制器参数，Gain模块参数，而不用停止系统运行。这样的设计，使得实验效率大大提高。

2 基于MATLAB实时控制实验系统的教学实例

基于MATLAB实时控制系统搭建完成后，只要物理对象模型的输入输出数据与PCI1711的I/O接口数据匹配，即可对该物理对象模型实现控制。以双容水箱的液位控制为例，说明实验的设计与实施。

2.1 双容水箱实验系统

双容水箱是典型的物理对象模型，实验室采用的是浙江天煌科技公司的“THBDC-1型控制理论·计算机控制技术实验平台”中的双容水箱作为被控制物理对象模型，包括水箱及控制箱。控制箱可输出经压力变送器变换后的两个水箱水位，接收控制信号，并转化为PWM波以驱动水泵实现对水箱进水量的控制。

2.2 实验任务

被控制物理对象模型为双容水箱系统，其简化结构示意图(如图2所示)。设流量Q1为双容水箱的输入量，下水箱的液位高度H2为输出量，根据物料动态平衡关系，并考虑到液体传输过程中的时延，其传递函数为：

式(1)中 K=R4，T1=R2C1，T2=R4C2，R2，R4分别为阀V3和V4的液阻，C1和C2分别为左水箱和右水箱的容量系数。

要求设计控制结构与控制器，以实现以下性能指标要求：衰减率4:1～10:1，超调量，调节时间，稳态误差ess=0。

图2 双容水箱液位控制结构简图

2.3 实验内容

(1)系统模型参数的获取：用实验法求取水箱模型参数K，T1，T2，确定水箱物理系统的数学模型。

(2)系统设计

基于性能指标要求，设计水箱控制系统的控制结构与控制器。

(3)系统仿真

在MATLAB的Simulink仿真平台下，进行系统仿真，验证控制算法的可行性，进行控制器参数的调整，以满足性能指标的要求。研究系统的抗干扰性以及参数变化对系统的影响。

(4)系统实现

搭建水箱实时控制系统，实现水箱的水位控制。进行控制器的调试，使系统正常工作时满足性能指标的要求。

(5)研究参数变化及外界干扰对系统性能的影响

通过改变出水量模拟外界干扰，改变图3中阀2的开度以改变系统参数，观察水位的变化以衡量系统的抗干扰能力。

2.4 实验设计与实施实例

学生根据实验任务与实验内容，自行设计实验步骤及实施实验。以一种实验方案为例，列举学生的实验设计与实施。

(1)采用曲线法测量水箱的模型参数给水箱输入阶跃信号，观察其输出水位曲线并记录(如图3所示)。

基于阶跃响应曲线，用两点法确定模型参数。

图3 水箱阶跃响应曲线

在图5的纵轴上确定两点，分别是0.4 h2(∞)和0.8 h2(∞)所对应的时间t1和t2，h2(∞)为第二个水箱液位的稳态值。

根据t1/t2的比值，可以反映出惯性环节的阶次，若0.32

设阶跃输入的幅值为∆x，则二阶惯性的静态放大系数K为：过曲线的拐点做一条切线，它与横轴交于A点，OA即为滞后时间常数て(如图4所示)。

图4 时间常数确定示意图

(2)控制方案的选择

PID控制器是生产过程中普遍采用的控制方法，其算法简单，鲁棒性好，可靠性高，易于实现，因此学生大多初步选择PID控制器以对水箱实现控制。

(3)系统仿真

在MATLAB的仿真环境下搭建仿真结构，进行水箱水位控制系统仿真，并进行PID控制器参数的整定。仿真结构图及仿真结果(如图5所示)。系统抗干扰仿真实验曲线为(如图6所示)。

图5 系统仿真结构及仿真结果

图6 系统抗干扰仿真结果

(4)实时控制系统结构的搭建

以上位机，PCI1711卡，水箱物理对象模型为系统硬件，以MATLAB为系统软件运行环境，建立实时控制系统。包括硬件连接及软件结构的搭建。在MATLAB下搭建的上位机控制环境(如图7所示)。其中水箱系统的液位信号通过压力变送器变换后通过PCI-1711卡由”Analog Input”模块读入，PID控制器输出的控制信号经“Analog Output”模块送至PCI-1711卡至水箱系统以控制水泵的开度。

图7 系统实时控制结构

(5)水箱控制系统的调试与实验研究

将搭建完成的实时控制系统进行编译与接口连接，即可点击运行，进行水箱液位控制的实验研究。包括控制器参数的调整与系统抗干扰能力的研究。图8，图9为相应的实验结果。

图8 水箱的液位曲线

图9 水箱的抗干扰实验结果

(6)控制方案的其它选择

PID是工业控制中最常见、使用最广泛的控制器，是学生控制方案的第一选择。但也有学生采用了串级控制结构(如图10所示)。在系统控制效果改进过程中，学生选择了模糊控制、模糊PID控制、前馈控制等。

图10 串级控制的仿真与实时控制结构图

3 基于MATLAB实时控制的实践教学的优势

(1)通过搭建基于MATLAB实时控制的物理对象控制平台，使得控制器的搭建在MATLAB的 Simulink环境下实现，控制器既可以以传递函数形式给出，也可以通过S函数编程后封装实现，简单易行，参数调整方便，为综合型、设计型实验的实施创造了条件，使在实验室条件下基于物理对象的实验研究便利可行。

(2)实验的研究内容以研究对象以及控制目标的形式给出，此类实验任务的设置更贴近于工程实际应用。

(3)实验的流程从“物理对象提炼出数学模型—基于模型的系统分析与控制器的设计—系统仿真研究—物理对象”的实施，同实际工程设计与实现吻合，有利于学生通过实践训练实现与实际应用的对接。

(4)基于MATLAB实时控制的实践教学，控制的对象是实际的物理对象模型，不同于计算机仿真实验研究，这种实践教学方式，使学生能充分体会到理论知识对实际应用的作用，学会了把平常课本上的知识、理论真正的应用于实践。

(5)基于任务型实验探究，从控制结构的搭建，控制器的选择，控制器参数的调整，全部需要发挥学生的主观能动性自己进行设计与实验研究，激发了学生的学习兴趣与探索欲，使学生能够主动学习与探究，有助于创新能力的培养。

4 结束语

通过构建基于MATLAB实时控制的实验环境，使物理对象的控制研究简单易行。在课时有限的情况下，学生可将精力投入到控制器的设计、研究与调试中，大大提高了实验效率，在学生分析问题解决问题的能力培养上，在学生对理论与实际应用相结合的体会上，在学生创新能力的培养上都起到了推动作用。

[1]王万良.“自动控制原理” 课程教学中的几个关键问题[J].中国大学教学,2011(81):48-51.

[2] 陈梅莲,于建均,刘琦.基于Matlab 实时控制的磁浮球系统的实验研究[J].实验技术与管理,2012,29(5):118-123.

[3]夏静萍,王瑛.自动控制原理实验教学探究[J].实验室研究和探索2013,32(12):184-189.

[4]罗文军.模糊PID控制在单容水箱中的应用[J].桂林航天工业高等专科学校学报,2008(4):55-57.

[5] 王晓鹏.三容水箱液位控制系统动态仿真与多变量过程的在线监测[D].山东:山东大学,2005.

[6]卿晓霞.基于Multi-Agent的分布式污水处理智能化系统研究[D].重庆:重庆大学,2007.

[7]曾庆军,徐绍芬,韦中利. 自动化专业控制类课程群实验教学改革[J].实验室研究与探索,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，硕士，副教授。

北京市高等学校教育教学研究立项项目(重点)。