基于NI myDAQ的控制系統(tǒng)建模與分析綜合設計研究

王 佐， 李世華， 郝 立， 包金明

(東南大學 自動化學院，江蘇 南京210096)

0 引言

隨著計算機技術、人工智能技術與控制理論的相互滲透融合，自動化控制理論得到了長足的發(fā)展[1～2]。針對工業(yè)系統(tǒng)，常規(guī)的控制方案所取得的控制效果已經越來越無法滿足日益提升的要求。研究如何綜合利用先進的建模、分析方法結合先進控制算法設計，進而提出綜合解決方案已經成為自動化專業(yè)學生需要具備的核心競爭力[3～4]。然而，目前的自動化專業(yè)學生培養(yǎng)中存在著工程應用實踐與理論教學脫節(jié)、課程設計以及綜合實踐流于形式、學生工程分析和實踐能力較為欠缺等問題[5]。

“控制系統(tǒng)建模與分析綜合設計”課程作為系統(tǒng)辨識、信號處理、控制類原理理論教學的延續(xù)和補充，是培養(yǎng)自動化專業(yè)學生的重要實踐課程，綜合培養(yǎng)學生分析建模、系統(tǒng)辨識、控制設計以及編程實現能力，在學生培養(yǎng)中具有承前啟后的重要作用[3～5]。傳統(tǒng)控制系統(tǒng)綜合設計實踐教學中的被控對象一般分為兩類。一類是工業(yè)機器人、交流電機、機械系統(tǒng)等機電系統(tǒng)平臺[6]。盡管可實現學生多種能力的培養(yǎng)，但一方面這些設備平臺通常造價昂貴、占地空間較大，不利于大規(guī)模推廣和擴展。 另一方面，這些平臺可能存在結構較為復雜、操作具有一定危險性缺點，不利于學生掌握和使用[7]。另一類是如小車倒立擺、直流電機、放大器電路等簡單被控對象，主要存在功能單一、考察知識點較少等不足。

在“控制系統(tǒng)建模與分析綜合設計”課程實踐中，我們創(chuàng)新性地融合了控制類原理和“電力電子”課程的學習重點。選取“電力電子”課程中的直流變換器作為控制對象，搭建出結構簡潔、成本低廉、易于操作的控制系統(tǒng)驗證平臺。更為重要的是，電力電子變換器平臺能綜合反映了從電路設計、分析建模、系統(tǒng)參數辨識、控制設計到算法編程等多種能力的培養(yǎng)。因此，基于這樣的綜合實踐平臺，探討如何培養(yǎng)自動化專業(yè)學生的控制理論應用能力，激發(fā)學生對控制理論的研究興趣，為學生參與課外科技活動奠定堅實基礎，具有重要的意義。

1 基于myDAQ的自動控制原理綜合實踐內容及框架

本文面向“控制系統(tǒng)建模與分析綜合設計”課程實踐，以電力電子變換器系統(tǒng)分析控制為例，通過綜合實踐與實驗課程的建設，充分培養(yǎng)學生的動手能力、分析能力及探究能力。基于myDAQ的綜合實踐平臺總體結構如圖1所示。

圖1 基于myDAQ的控制系統(tǒng)建模與分析綜合設計課程平臺結構框圖

平臺通過簡單的硬件結構可實現多種工況的模擬，具備豐富的實驗功能。此外，基于LabView圖形化編程語言開發(fā)的控制算法，提供了讓學生迅速實現控制算法開發(fā)的機會，親身體會到閉環(huán)控制的效果。同時結合上位機的顯示控件，將實際輸出曲線進行顯示。實踐系統(tǒng)平臺框架包括以下幾個方面：

1.1 電力電子變換器硬件電路模塊

內部包含直流變換器主電路、供電電源、電壓、電流檢測電路、輸入電源、負載電阻以及其它外圍接口電路。電力電子變換器拓撲采用“電力電子”課程中最為常見的降壓變換器電路。其電路原理清晰明了，學生通過簡單的控制可實現從高輸入電壓到低輸入電壓的調節(jié)。課程實踐所設計的電力電子硬件電路模塊原理圖和實物圖如圖2所示。

(a)電路原理圖 (b)電路模塊實物圖圖2 電力電子變換器硬件電路圖

1.2 以NI myDAQ半實物仿真平臺為核心的控制設計部分

首先，根據電力電子降壓變換器的運行機理，利用基爾霍夫定律，建立系統(tǒng)的狀態(tài)平均模型。然后，利用電壓電流測試數據，進行參數辨識，從而得到精確的模型信息。緊接著，在精確建模的基礎上，利用控制理論相關知識，設計基于模型的先進控制器。最后，利用圖形化編程語言LabView對所設計的控制算法進行編程實現。以滑模控制為例，因其具有響應速度快、對參數變化及干擾不敏感、實現簡單等優(yōu)點，被廣泛應用于工業(yè)系統(tǒng)中。圖3中展示了針對電力電子變換器系統(tǒng)所設計的滑模控制LabView程序圖。

圖3 滑模控制算法的LabView實現

1.3 基于LabView的上位機顯示和參數調節(jié)模塊

結合軟件自帶的各種顯示控件，對變換器的電壓、電流信號以及控制量信號進行實時顯示。上位調試軟件還可實現控制器參數的在線調試功能，使得學生能夠直觀地看到參數調節(jié)對于控制性能的影響，易于實現參數調節(jié)經驗的總結。基于LabView搭建的上位機界面如圖4所示。

圖4 基于LabView搭建的上位機顯示和參數調節(jié)模式

最終，控制調試的效果圖如圖5所示。通過形象生動的實驗，將控制類原理課程學習中枯燥、分散的知識點進行有效融合，不僅能加深學生會對自動化專業(yè)的認識和理解，還能夠激發(fā)學生探索的興趣。

圖5 算法調試效果圖

2 教學研究中的應用

2.1 鼓勵學生進行軟、硬件的開發(fā)，激發(fā)學習興趣，在開發(fā)實踐過程中培養(yǎng)綜合能力

通過循序漸進的教學，讓學生熟悉軟硬件和編程方法，鼓勵學生組成學習小組并結合興趣進行任務研究。讓他們在動手開發(fā)和實驗測試中，直觀體會到平臺從搭建到完善的過程。組織課程討論，集中解決學生在實驗過程中的問題。針對感興趣的學生，鼓勵其結合電路分析、硬件電路設計等相關的知識，開發(fā)更為復雜的硬件電路進一步完善硬件平臺的功能模塊，為下一批次的控制系統(tǒng)建模與分析綜合設計課程實踐進行硬件更新迭代。

2.2 依托完善實驗平臺，開展創(chuàng)新性綜合實踐，引導學生的思考，在創(chuàng)新思考中提升專業(yè)技能

經過完善的綜合實踐平臺，不僅可面向本科生，為其提供實驗和測試的平臺。自動化專業(yè)的碩士生乃至博士生也可利用這樣的平臺進行項目研究和專業(yè)技能鍛煉，譬如利用平臺進行精確建模、自適應參數調節(jié)以及非線性控制算法開發(fā)等方面的研究。此外，這個半實物的控制系統(tǒng)建模與分析綜合設計課程平臺也可用于其它相關專業(yè)研究電力電子控制技術方向的同學開展實驗。更進一步地，基于這個綜合實驗平臺開展創(chuàng)新實驗，可將電力電子變換器作為底層被控制對象，搭建上位控制框架，研究多平臺之間的協(xié)同控制和優(yōu)化問題。這樣就有助于建立網絡的概念，并以此挖掘智能電網框架下，多智能體控制和優(yōu)化的其它項目。

2.3 通過多樣化的實驗要求和評價體系，指引學生進行總結，在全面總結中凸顯專業(yè)特色

綜合實踐的實驗要求更能體現自動化專業(yè)的特色，在實驗過程中并不是進行簡單的程式化操作和波形記錄，而是從實驗設計、控制方案、匯報展示等各個方面提出多樣化的實驗要求。雖然一次實驗可能耗時僅在2個小時左右，但學生課后需要用來預習和總結的時間可高達6到7小時。通過這樣的評價體系，指引學生進行實驗的總結和反思，幫助他們透徹清晰地理解控制類課程知識點更深層次的含義，也能體驗到理論與應用之間緊密聯(lián)系。

“控制系統(tǒng)建模與分析綜合設計”課程實踐創(chuàng)新性地改變了傳統(tǒng)綜合控制課程設計的平臺和研究內容，在實驗技能、建模分析、工程實現等方面有效提升了學生的綜合能力，也鍛煉了學生團隊協(xié)作與溝通表達能力,可有效幫助學生較快適應今后的工作環(huán)境，增強我校自動化專業(yè)畢業(yè)生的競爭力。

3 結語

本文圍繞半實物仿真平臺在“控制系統(tǒng)建模與分析綜合設計”課程實踐中的應用，給出了自動化專業(yè)在控制系統(tǒng)綜合設計實踐中的學生能力培養(yǎng)的可行方案。此綜合設計課程方案開發(fā)周期短、使用方便、易于拓展、涉及學科領域廣，使自動化專業(yè)學生對控制原理類課程知識有更深刻的理解和更寬闊的思路，也為其它課程設計開發(fā)和拓展提供了有效的參考和借鑒。(王 佐等文)

在后續(xù)的工作中，我們將繼續(xù)圍繞“控制系統(tǒng)建模與分析綜合設計”課程實踐的建設，推動專業(yè)更新實驗教學內容、完善課程體系。