基于NI myDAQ的控制系统建模与分析综合设计研究

王 佐， 李世华， 郝 立， 包金明

(东南大学 自动化学院，江苏 南京210096)

0 引言

随着计算机技术、人工智能技术与控制理论的相互渗透融合，自动化控制理论得到了长足的发展[1～2]。针对工业系统，常规的控制方案所取得的控制效果已经越来越无法满足日益提升的要求。研究如何综合利用先进的建模、分析方法结合先进控制算法设计，进而提出综合解决方案已经成为自动化专业学生需要具备的核心竞争力[3～4]。然而，目前的自动化专业学生培养中存在着工程应用实践与理论教学脱节、课程设计以及综合实践流于形式、学生工程分析和实践能力较为欠缺等问题[5]。

“控制系统建模与分析综合设计”课程作为系统辨识、信号处理、控制类原理理论教学的延续和补充，是培养自动化专业学生的重要实践课程，综合培养学生分析建模、系统辨识、控制设计以及编程实现能力，在学生培养中具有承前启后的重要作用[3～5]。传统控制系统综合设计实践教学中的被控对象一般分为两类。一类是工业机器人、交流电机、机械系统等机电系统平台[6]。尽管可实现学生多种能力的培养，但一方面这些设备平台通常造价昂贵、占地空间较大，不利于大规模推广和扩展。 另一方面，这些平台可能存在结构较为复杂、操作具有一定危险性缺点，不利于学生掌握和使用[7]。另一类是如小车倒立摆、直流电机、放大器电路等简单被控对象，主要存在功能单一、考察知识点较少等不足。

在“控制系统建模与分析综合设计”课程实践中，我们创新性地融合了控制类原理和“电力电子”课程的学习重点。选取“电力电子”课程中的直流变换器作为控制对象，搭建出结构简洁、成本低廉、易于操作的控制系统验证平台。更为重要的是，电力电子变换器平台能综合反映了从电路设计、分析建模、系统参数辨识、控制设计到算法编程等多种能力的培养。因此，基于这样的综合实践平台，探讨如何培养自动化专业学生的控制理论应用能力，激发学生对控制理论的研究兴趣，为学生参与课外科技活动奠定坚实基础，具有重要的意义。

1 基于myDAQ的自动控制原理综合实践内容及框架

本文面向“控制系统建模与分析综合设计”课程实践，以电力电子变换器系统分析控制为例，通过综合实践与实验课程的建设，充分培养学生的动手能力、分析能力及探究能力。基于myDAQ的综合实践平台总体结构如图1所示。

图1 基于myDAQ的控制系统建模与分析综合设计课程平台结构框图

平台通过简单的硬件结构可实现多种工况的模拟，具备丰富的实验功能。此外，基于LabView图形化编程语言开发的控制算法，提供了让学生迅速实现控制算法开发的机会，亲身体会到闭环控制的效果。同时结合上位机的显示控件，将实际输出曲线进行显示。实践系统平台框架包括以下几个方面：

1.1 电力电子变换器硬件电路模块

内部包含直流变换器主电路、供电电源、电压、电流检测电路、输入电源、负载电阻以及其它外围接口电路。电力电子变换器拓扑采用“电力电子”课程中最为常见的降压变换器电路。其电路原理清晰明了，学生通过简单的控制可实现从高输入电压到低输入电压的调节。课程实践所设计的电力电子硬件电路模块原理图和实物图如图2所示。

(a)电路原理图 (b)电路模块实物图图2 电力电子变换器硬件电路图

1.2 以NI myDAQ半实物仿真平台为核心的控制设计部分

首先，根据电力电子降压变换器的运行机理，利用基尔霍夫定律，建立系统的状态平均模型。然后，利用电压电流测试数据，进行参数辨识，从而得到精确的模型信息。紧接着，在精确建模的基础上，利用控制理论相关知识，设计基于模型的先进控制器。最后，利用图形化编程语言LabView对所设计的控制算法进行编程实现。以滑模控制为例，因其具有响应速度快、对参数变化及干扰不敏感、实现简单等优点，被广泛应用于工业系统中。图3中展示了针对电力电子变换器系统所设计的滑模控制LabView程序图。

图3 滑模控制算法的LabView实现

1.3 基于LabView的上位机显示和参数调节模块

结合软件自带的各种显示控件，对变换器的电压、电流信号以及控制量信号进行实时显示。上位调试软件还可实现控制器参数的在线调试功能，使得学生能够直观地看到参数调节对于控制性能的影响，易于实现参数调节经验的总结。基于LabView搭建的上位机界面如图4所示。

图4 基于LabView搭建的上位机显示和参数调节模式

最终，控制调试的效果图如图5所示。通过形象生动的实验，将控制类原理课程学习中枯燥、分散的知识点进行有效融合，不仅能加深学生会对自动化专业的认识和理解，还能够激发学生探索的兴趣。

图5 算法调试效果图

2 教学研究中的应用

2.1 鼓励学生进行软、硬件的开发，激发学习兴趣，在开发实践过程中培养综合能力

通过循序渐进的教学，让学生熟悉软硬件和编程方法，鼓励学生组成学习小组并结合兴趣进行任务研究。让他们在动手开发和实验测试中，直观体会到平台从搭建到完善的过程。组织课程讨论，集中解决学生在实验过程中的问题。针对感兴趣的学生，鼓励其结合电路分析、硬件电路设计等相关的知识，开发更为复杂的硬件电路进一步完善硬件平台的功能模块，为下一批次的控制系统建模与分析综合设计课程实践进行硬件更新迭代。

2.2 依托完善实验平台，开展创新性综合实践，引导学生的思考，在创新思考中提升专业技能

经过完善的综合实践平台，不仅可面向本科生，为其提供实验和测试的平台。自动化专业的硕士生乃至博士生也可利用这样的平台进行项目研究和专业技能锻炼，譬如利用平台进行精确建模、自适应参数调节以及非线性控制算法开发等方面的研究。此外，这个半实物的控制系统建模与分析综合设计课程平台也可用于其它相关专业研究电力电子控制技术方向的同学开展实验。更进一步地，基于这个综合实验平台开展创新实验，可将电力电子变换器作为底层被控制对象，搭建上位控制框架，研究多平台之间的协同控制和优化问题。这样就有助于建立网络的概念，并以此挖掘智能电网框架下，多智能体控制和优化的其它项目。

2.3 通过多样化的实验要求和评价体系，指引学生进行总结，在全面总结中凸显专业特色

综合实践的实验要求更能体现自动化专业的特色，在实验过程中并不是进行简单的程式化操作和波形记录，而是从实验设计、控制方案、汇报展示等各个方面提出多样化的实验要求。虽然一次实验可能耗时仅在2个小时左右，但学生课后需要用来预习和总结的时间可高达6到7小时。通过这样的评价体系，指引学生进行实验的总结和反思，帮助他们透彻清晰地理解控制类课程知识点更深层次的含义，也能体验到理论与应用之间紧密联系。

“控制系统建模与分析综合设计”课程实践创新性地改变了传统综合控制课程设计的平台和研究内容，在实验技能、建模分析、工程实现等方面有效提升了学生的综合能力，也锻炼了学生团队协作与沟通表达能力,可有效帮助学生较快适应今后的工作环境，增强我校自动化专业毕业生的竞争力。

3 结语

本文围绕半实物仿真平台在“控制系统建模与分析综合设计”课程实践中的应用，给出了自动化专业在控制系统综合设计实践中的学生能力培养的可行方案。此综合设计课程方案开发周期短、使用方便、易于拓展、涉及学科领域广，使自动化专业学生对控制原理类课程知识有更深刻的理解和更宽阔的思路，也为其它课程设计开发和拓展提供了有效的参考和借鉴。(王 佐等文)

在后续的工作中，我们将继续围绕“控制系统建模与分析综合设计”课程实践的建设，推动专业更新实验教学内容、完善课程体系。