過程控制課程理論實踐一體化教學研究?

吉 智

摘要 研究一種新型實驗平臺,利用一個教學案例說明該平臺在過程控制課程中的應用。在教學中利用該平臺和原有實驗設備組成完整教學實驗方案,推行理論實踐一體化教學,取得較好的效果。

關鍵詞 過程控制;實驗儀器;教學方法

中圖分類號:G712 文獻標識碼:B 文章編號:1671-489X(2009)24-0035-02

Research of Integration Teaching of Theory and Practice in Process Control Course//Ji Zhi

Abstract In this paper, a novelty computer process control experiment platform was fully researched, whose application in the?process control course was shown in a teaching case. With?this experiment platform?and previous equipments integrated into a complete teaching and experiment system, we push the?integration teaching of theory and practice ahead and gain?good results.

Key words Process Control; experiment apparatus; teaching method

Authors address Xuzhou College of Industry Technology, Xuzhou, Jiangsu, 221000, China

過程控制課程是自動化類專業一門重要課程,學生常反映概念抽象、計算復雜,特別是實驗耗時費力,和理論教學脫節,效果很不理想。研制一種新型教學實驗平臺,利用它能夠在有限的課堂時間里簡便易行地完成信號的輸入輸出、算法分析和數據處理全部過程。借助于該教學平臺,逐漸摒棄那種在課堂上進行理論教學,課后在實驗室進行實驗驗證的“兩段式”教學方法,在教學中將理論教學與實驗教學有機融合起來,取得較好的教學效果。

1 教學平臺構建

MATLAB作為一種科學研究和工程計算軟件,早已成為電子信息類課程常用的軟件工具,在過程控制課程中也常利用該軟件對控制算法、系統模型進行研究。在此基礎上如果能夠實現外部信號的輸入采集和計算機信號的輸出處理,那么結合原有實驗裝置中的傳感器、執行器、被控對象等設備即可構建完整的過程教學平臺,這樣就可以在一個統一的平臺上完成信號采集、算法研究、數據處理、信號輸出的全部過程,從而便捷地實現課程的理論實踐一體化教學。

實驗平臺(圖1)硬件包括2臺計算機(分別作為Host PC和Target PC)、數據采集卡、2塊網卡和雙機通信線,軟件包括MATLAB、Simulink、RTW、xPCTarget、C編譯器等[1]。其中Host PC工作于非實時模式,主要任務是對通信進行配置,生成啟動軟盤,利用MATLAB軟件搭建控制器模型,然后經過編譯生成可執行C代碼。Target PC工作于實時模式,通過啟動軟盤啟動到實時模式下,利用通信將可執行C代碼從Host PC下載到Target PC上實時執行。在此過程中可以通過多種方式進行控制、參數調整、數據記錄和處理[2]。

系統對數據采集卡沒有特殊要求,可以采用任何一款通用數據采集卡,但對于xPCTarget沒有列出的板卡,必須自行編寫xPCTarget設備驅動程序。采用NI的PCI6024E數據采集卡,xPCTarget提供該采集卡的驅動程序,可以直接應用。在Target PC的BIOS中關閉以下3項功能[1]:1)Advanced Power Management;2)USB Port;3)Plug-and-Play(PnP) Operating System。其中前2項容易引起處理器過載,第3項會造成PCI插槽工作不正常,這一點非常重要。

Host PC對網卡沒有特殊要求,而Target PC必須采用特定的幾種網卡[3]。本文Host PC采用主板自帶網卡,Target PC采用Intel pro/100+網卡。在網絡鄰居中啟用相應網卡,對屬性進行配置,注意Target PC中IP地址的最后一位必須和Host PC不同。2臺計算機用雙機互聯型網線進行聯機,如果通信正常,在Host PC中打開MATLAB,鍵入xpcexplr指令,對Target PC的通信參數進行設定,務必確保輸入的IP地址和先前對Target PC網卡的配置一致。設置完成后單擊ConfigurationTarget Boot ModeBootfloppy生成啟動軟盤。

在Target PC的BIOS中將軟驅設為第一啟動設備,將軟盤插入Target PC軟驅中,重新啟動Target PC,啟動后Target PC處于等待代碼下載執行的狀態。在Host PC的xpcexplr中右鍵單擊Target PC1節點,選擇connect,左側Target PC1節點前的紅色小叉去掉,即表示雙機通信正常。至此,實驗平臺配置完成。

2 教學案例設計

設計一個既簡單又具代表性的案例[4]:采用信號發生器產生一個正弦信號,通過采集卡的A/D通道將信號采集到MATLAB中并進行顯示;在MATLAB中用信號發生模塊產生一個正弦波信號,通過Target Scope模塊進行顯示,通過采集卡的D/A通道將信號輸出,并用示波器觀察信號的波形。

在Simulink中建立一個空白的模型文件,并將其保存為daq1.mdl。然后打開Simulink的xPCTarget模塊,在A/D條目的National Instruments中尋找PCI-6024E-AD并將其添加到空白模型中,繼續添加Rate Transition、Target Sope、PCI-6024E-D/A模塊并按照圖2將各模塊進行連接。其中的Scope(Xpc)模塊就是Target PC機上顯示的示波器。再對各模塊進行參數設置,即可完成圖形化編程工作。其中PCI-6024E-AD和PCI-6024E-D/A模塊的設置最為重要,要特別注意通道號、幅值、向量個數、采樣頻率、PCI插槽號要和實際一致。

下面對仿真參數進行設置。在SimulationConfiguration Parameters的Solver條目中將Simulation timeStop time設為期望的時間,Solver options ype設為Fixed-step,將Solver optionsSolver設為合適的解算器如ode4(Runge-Kutta);將Real-Time WorkshopTarget SelectionSystem target file設為xpctarget.tlc,其余選項保持默認值即可。確保Host PC和Target PC通信正常,選擇ToolsReal Time WorkshopBuild Model即可將模型文件編譯為C代碼并自動下載到目標機中實時執行。在Target PC中鍵入C指令激活命令輸入框,通過指令方式即可控制工作狀態,也可以在Host PC中通過Web方式進行,這種方法界面更加直觀友好。圖3為Target PC屏幕截圖,上面的波形為采集卡AD通道采集到的正弦信號,下面的波形為MATLAB中用信號發生模塊產生的一個正弦波信號。圖4為示波器中監視到的采集卡DA通道輸出的波形。

在教學中結合MATLAB軟件進行控制器設計(此方法在過程控制課程中經常使用,可參考文獻[2]),再結合上文所述的方法實現數據的輸入輸出,即可完成過程控制課程中常見的控制算法設計、驗證類實驗。由于該教學平臺不必對控制對象進行數學建模和手工編程,只需采用軟件自帶模塊“組裝”即可快速搭建圖形化程序,完成全部軟件開發工作,并可以立即編譯下載到目標計算機中執行,根據實驗數據可以立刻在線對控制算法和參數進行修改,不需要重新進行軟件開發就可以進行實驗驗證,極大地方便過程控制課程理論實踐一體化教學的開展。

3 結論

在很多課程教學中,理論實踐一體化模式的優越性逐漸得到認可,但在教學實踐中,像過程控制這類課程,部分實驗項目中傳統的實驗設備過于復雜,設備調試、控制算法編寫需要花費大量時間,給教學來極大的困難,很多好的教學方案設計無法在時間有限的課堂教學中應用,嚴重阻礙理論實踐一體化模式的推行。文中構建的新型教學實驗平臺,較好地解決了這個問題。

利用本實驗教學平臺進行過程控制課程的理論實踐一體化教學具有以下優勢:1)利用數據采集卡和個人計算機構建雙機模式,成本較低,能夠充分利用現有設備;2)編程環境好,無須手工編程,采用圖形化手段就能夠快速完成過程控制課程中全部軟件編寫工作,特別適合編程經驗不足的學生學習使用;3)Target PC機工作于實時模式,可實現現場信號的輸入輸出,實驗數據來自于真實的實驗過程,而不只是仿真結果;4)參數調整、控制器模型修改以及修改后的實驗驗證可以快速完成,非常有利于課堂教學的應用。

參考文獻

[1]The MathWorks Inc.xPCTarget help[EB/OL].http://www.mathworks.com

[2]薛定宇.基于MATLAB/Simulink的系統仿真技術與應用[M].北京:清華大學出版社,2002

[3]Shiakolas P S,Piyabongkam D.On the Development of a Real-Time Digital Control System Using xPCTarget anda Magnetic Levitation Device[A].Proceedings of the 40th IEEE Conference on Decision and Control,2001

[4]吉智,何鳳有,等.Matlab/xPCTarget實時數據采集系統設計[J].工礦自動化,2009(5)