“電氣控制”課程教學中的理論概念探討

楊明建

（安徽大學 電氣工程與自動化學院，安徽 合肥 230039）

0 引言

“電氣控制”是一門電類專業技術課程，其研究的范疇在學術界，曾被定義為“以電動機或其它執行電器為控制對象的技術領域”［1］。

但這一定義涉及到了二種控制技術理論概念的控制行為，既連續控制與離散控制。由于用于連續控制描述與分析的基于微分方程與傳遞函數的控制理論不支持離散態控制分析研究，所以無論是教學科研還是工程應用，今天都以其狹義范疇“以電動機或其它執行電器為控制對象的離散控制技術”而論。在“電氣控制”課程的教學方面，教材中雖大篇幅編入了電機啟制動和機床控制案例，卻沒有給出對這類控制內容的歸納性本質分析及以系統概念對控制過程進行抽象分析能力的訓練內容。為此，我們對這門傳統技術課程的講授，通過在精減傳統“電氣控制”課程內容的基礎上，以離散態過程控制的理論概念建立為先導，低壓電器基本知識為基礎，可編程序控制器的原理與應用為核心的教學思路，討論分析現代工業生產中離散態過程控制。本文主要針對教學內容中的離散控制系統理論概念的建立，討論分析了離散控制系統的三元組表示，以及其目的意義與講述方法［2］。

本課程在概念、基礎和核心三者的邏輯關聯上，強調基礎與核心服務于技術概念需求的實現。這一教學理念建立的基礎在于，新技術器件與設備也在不斷的出現，技術概念實現的手段在不斷更新，所討論的控制技術概念在延續。因此，“電氣控制”課程的講授應強調技術概念的內涵，既離散態過程控制的理論概念，避免以具時代特征的工業產品的講述取代一門傳統性強和內涵豐富的專業技術課程，也就成為這一課程教學的指導思想。

1 理論概念

較連續控制而言，傳統上的認識是：離散態控制系統缺乏數學形式表述。在教學過程中，我們通過現代工業生產過程中廣泛常見的控制需求案例，引出離散態控制的系統理論概念。這一理論概念的基本核心內容，由一組定義和離散態控制系統的數學形式表述構成。采用如下組定義［3］。

1）離散態變量的定義：一個過程的離散態變量為僅可取二個或有限個值的數值集。

2）離散態過程的定義：一個離散態過程或系統的狀態空間為離散態變量集，變量狀態的躍變機制為信號條件激發，即過程中的狀態變量變化取決于離散變量信號間的因果關系與時序關系，且無需由時鐘信號同步。

3）離散態過程控制的定義：離散態過程控制為在無時鐘同步條件下，通過由特定工藝確定的一組相關聯的過程狀態的有序觸發變化，使其生產過程完成規定的生產工藝目標。

在上述三個定義基礎上，引入離散態控制系統控制模式的三元組表示概念，即由如下控制模式定義引生出如下一組表達式。

［定義］離散控制系統模式S可以通過三元組形式表示如下。

式中，X為控制系統的輸入變量集，Y是控制系統的輸出變量集，F是控制系統的輸入輸出關系集，與特定的工藝過程控制要求確定的控制規則對應。

式中，fj是由特定的工藝過程確定的輸入輸出關系，可由多元布爾函數表示［4］，即

式中，X′，X，Y′，Y，δ、λ分別是與離散過程時間約束參數和數值參數關聯的離散變量因子，且δ∈｛0，1｝，λ∈ ｛0，1｝。Tc為時間約束項的定時常數，由工藝控制要求確定，在控制器中設定。t為時間變量，δ因子中的xi或yk為因子條件且xi∈X，yk∈Y（即時間約束起始條件）。Cs為數值參數關聯項的計數設定值或數值參數設定值，根據工藝要求在系統控制器中設定，vx為與某輸入變量對應的數字值。在控制器實現中，δ值與定時器標志位或時間繼電器觸點狀態對應，λ值可由記數器或比較器的狀態標志位得到。

由此可見，三元組表示模式完整地描述了離散控制系統的狀態空間與控制規則。這一表示模式概念的意義在于指出：任一離散態過程控制系統與一個抽象的三元組控制模式對應，而由任一特定的輸入、輸出變量集和變量關系集確定的三元組控制模式，對應于一個具體的離散態物理控制系統。如控制系統輸入變量的集合X、輸出變量的集合Y與控制系統的輸入、輸出物理信號對應。表達工藝過程變量狀態變化因果關系的關系集合F，反映了特定的工藝過程控制要求與控制規則，如圖1所示。對于面向控制工程實踐中的任何控制過程與需求，通過離散態控制模式的理論概念和經典控制理論，可清楚地抽象區分連續性控制與離散態控制，并認識這二種控制規則的分析與實現算法截然不同。

圖1 離散控制系統的三元組結構框圖示意

2 概念的對比講述

“電氣控制”課程開設的修課對象，不僅已完成作為連續控制理論基礎的“自動控制理論”課程的學習，而且以此理論為基礎的運動控制和過程控制等相關專業課程也已完成。

學生對控制過程及系統的認識與思考，以連續控制的理論概念為先導的認知現象，不可避免地對課程中以離散態過程為對象的研究分析產生一系列的概念性疑問。如：“電氣控制”與“拖動控制系統”課程的區別，及“拖動控制系統”和“過程控制工程”課程中的PID控制規則，為何未在離散態控制系統中得到使用等等。因此，為區分連續與離散二類不同的控制，采用連續性控制概念與離散態控制概念扼要性的對比講述。

對比講述的要點是：①連續性控制過程狀態參數為時變的實數變量，過程行為可通過連續函數或微分方程表述；②離散態控制過程的狀態參數為不連續的離散值，其過程行為與控制規則及系統結構由離散過程控制模式的三元組表示。可見離散態控制系統的三元組模式表示的建立，以數學語言的抽象形式體現出離散態控制與連性控制的本質區別。

3 結語

本文針對“電氣控制”課程教學中的理論概念講述要點作了概述性的討論分析，在簡述理論概念內容要點的基礎上，強調理論概念三元組模式與物理控制系統的對應，及對從概念上區分離散態控制與連性控制的意義。

［1］ 陳立定，吳香玉，蘇開才.電氣控制與可編程序控制器［M］.廣州：華南理工大學出版社，2001：1

［2］ 于筑國.離散數學［M］.北京：國防工業出版社，2005：75－77

［3］ ［美］Curtis D.Johnson .Process Control Instrumentation Technology.Pearson Education［M］.北京：科學出版社，2002：369－371

［4］ 于筑國.離散數學［M］.北京：國防工業出版社，2005：210－212