“先進控制理論與技術”課程的教學實踐

許 鋒，羅雄麟

（中國石油大學（北京）自動化系，北京 102249）

0 引言

為自動化專業學生開設的“先進控制理論與技術”課程，其教學方式主要有兩種：一種是將先進控制的教學內容放在“過程控制工程”課程中講授［1，2］；一種是專門開設“先進控制理論與技術”或“自動化前沿講座”選修課進行講授［3，4］。兩種教學方式共同的問題是：課時少，而先進控制與常規控制系統相比，類型多，理論性強，難以理解。各種控制算法具有與常規控制不同的特點，以往教學中單純通過靜態演示和口述來講解過于抽象，教學效果不好。因此，為了在教學中使學生能夠深入全面的了解先進控制，有必要對“先進控制理論與技術”課程進行教學改革，探討先進控制的知識體系，設置合理的教學內容；同時改革教學手段，將Matlab軟件引入到課堂教學中。

1 教學內容的確定

“過程控制工程”主要講授常規PID控制系統的設計方法及工程實現。如果引入現代控制理論的思想，結合工業過程的特點，提出了一些對模型精度要求不高、在線計算方便、控制性能高、魯棒性強的實用控制策略，可以有效解決過程控制出現的問題，其控制性能與常規PID控制相比有明顯的改善，這些控制策略統稱為先進控制。

筆者認為，除狀態反饋和最優控制屬于現代控制理論的范疇外，先進控制大體上可以劃分為三個層次：①先進控制的早期基于經典控制理論、屬于常規控制的改進算法；②先進控制的流行技術引入了現代控制理論的思想，基于模型的控制算法；③先進控制的潛在技術包括自適應控制、魯棒控制和智能控制等。

我們以引入現代控制理論的思想解決常規控制的問題為中心思想，以動態建模—預測控制—軟測量為主線，32學時的課程的教學內容可作如下安排：①先進控制概述，2學時；②現代控制理論的簡單介紹，2學時；③工業過程動態建模技術，6學時；④時滯補償控制，2學時；⑤模型預測控制，8學時；⑥解耦控制，2學時；⑦軟測量技術，6學時；⑧智能控制，4學時。

2 教學方式的改革

Matlab軟件應用于計算機輔助教學主要有以下兩種方式：一種是課堂上單獨使用Matlab語言編寫的計算機輔助教學軟件［5，6］；一種是采用 Matlab的Notebook功能完成與PPT軟件的交互［7］。前者在授課時需要Matlab和PPT間反復切換，后者需要生成一個基于M－book的Word文檔作為Matlab和PPT交互的橋梁，均無法實現Matlab程序直接嵌入PPT多媒體課件的功能。

筆者在解決Matlab程序嵌入PPT軟件的問題時采用了COM自動化技術。Matlab軟件能夠支持Microsoft公司的COM自動化服務器技術，可以被任何支持COM協議的Windows程序啟動和控制，如Visual C＋＋和Visual Basic等。使用COM自動化技術，可以從外部程序運行Matlab程序并獲取Matlab中的數組數據［8］。而Office軟件均支持VBA可視化編程開發，PPT軟件的幻燈片頁面可加入VBA控件，開發PPT的VBA宏程序通過COM自動化技術打開Matlab并運行Matlab程序，實現Matlab程序與PPT幻燈片的鏈接。

筆者還開發了先進控制系統典型控制算法的Matlab仿真程序，以預測控制算法為主，包括模型算法控制和動態矩陣控制等算法。仿真程序中包含各種類型的被控對象，包括一階慣性加純滯后系統、二階系統、高階系統等。筆者將各種類型的先進控制算法的仿真程序分別封裝為相應的Matlab函數，在Matlab函數的參數中可以直接設定被控對象模型以及各種控制參數（如預測時域和控制時域等）。在PPT軟件的幻燈片頁面上加入VBA控件，在講課時可通過標簽、文本框和選項按鈕等VBA控件在幻燈片頁面上設定仿真模型和控制參數，通過命令按鈕執行Matlab程序，演示先進控制的曲線。

在講解預測控制時為了向學生說明預測時域、控制時域、誤差權系數、控制權系數對預測控制的影響，我們以模型算法控制為例，打開如圖1所示的幻燈片進行放映。在放映時設定預測時域、控制時域、誤差權系數、控制權系數、柔化系數和給定值等控制參數；選擇被控對象，確定仿真過程中是否加入階躍干擾；單擊“仿真”命令按鈕后即可顯示模型算法控制的控制效果曲線。通過改變控制參數，學生可以看到預測時域、控制時域、誤差權系數和控制權系數等對模型算法控制的影響。

另外，我們還進行先進控制與常規控制的對比實驗。以動態矩陣控制與常規PID控制對比為例，可以打開如圖2所示的幻燈片。在放映時可以分別設定預測控制和常規PID控制的控制參數，選擇被控對象，單擊“仿真”命令按鈕后即可顯示動態矩陣控制和常規PID控制的控制效果曲線。

圖1 模型算法控制效果

圖2 動態矩陣控制與常規PID控制效果對比

3 結語

“先進控制理論與技術”課程的教學實踐表明，通過合理設計教學內容有效緩解了內容多與學時少的矛盾，突出了教學重點，使學生在有限的課堂教學時間里，掌握完備的知識體系。

通過教學方式的改革，在PPT多媒體課件中嵌入先進控制的Matlab仿真程序，可以在教學中能方便切換并進行仿真分析，展示先進控制系統的特點，增強學生的感性認識，取得良好的教學效果。

［1］蔣慰孫，俞金壽.過程控制工程（第2版）［M］.北京：中國石化出版社，2004

［2］金以慧.過程控制［M］.北京：清華大學出版社，1993

［3］俞金壽.工業過程先進控制［M］.北京：中國石化出版社，2002

［4］王樹青等.先進控制技術及應用［M］.北京：化學工業出版社，2001

［5］陳衛紅，張偉勇，胡長松.基于Matlab語言的自動控制原理多媒體教學研究［J］.南京：電氣電子教學學報，2002，24（6）：74－86

［6］張利.“自動控制理論”課程的 Matlab輔助教學［J］.南京：電氣電子教學學報，2003，25（1）：97－99

［7］羅成漢，張富忠.Matlab在自動控制原理課程教學中的應用［J］.南京：電氣電子教學學報，2003，25（3）：53－56

［8］蘇金明，黃國明，劉波.Matlab與外部程序接口［M］.北京：電子工業出版社，2004：156－161