基于RTWT的自動控制原理實驗設計與實現

楊麗艷, 李 虹, 柏艷紅

(太原科技大學 電子信息工程學院, 山西 太原 030024)

基于RTWT的自動控制原理實驗設計與實現

楊麗艷, 李 虹, 柏艷紅

(太原科技大學 電子信息工程學院, 山西 太原 030024)

針對現有的EL-AT-Ⅲ自動控制實驗箱擴展性不好、實驗內容陳舊、難以實現高階系統和復雜控制算法實驗的缺點,開發了基于Simulink/RTWT的半實物仿真實驗系統。實物部分采用實驗箱的運放、電阻、電容搭建實驗電路,或接入鍋爐、水箱等實物對象,仿真部分通過Simulink搭建控制框圖,RTWT保證程序實時運行。該實驗系統具有開放性,有助于培養學生的工程意識和設計系統、調試系統的能力。

自動控制原理實驗； 半實物仿真； RTWT； 實驗教學

太原科技大學“自動控制原理”課程實驗采用EL-AT-Ⅲ型實驗箱?；谠搶嶒炏涞膫鹘y實驗方法存在以下不足:(1)學生在不了解實驗原理的情況下,依照配套實驗指導書完成一些插線工作,就可以在顯示器上觀察到實驗結果,難以達到預期的實驗教學目的；(2)實驗箱的可擴展性差,可改的參數有限,難以開展設計型和綜合型實驗；(3)實驗箱僅能完成經典控制理論的一些簡單驗證型實驗,無法進行現代控制理論、復雜控制算法研究類實驗；(4)與實際工程應用聯系不緊密,學生無法了解實際控制系統所有的環節[1-6]。

針對上述缺陷,設計了基于Simulink/RTWT的半實物仿真實驗系統。該系統不僅能完成自控原理基礎性實驗,還能完成被控對象測試建模、控制算法設計、控制系統實時仿真等實驗。開放性的平臺提供給學生自由發揮、擴展的空間,逐步訓練學生解決實際工程問題的能力。

1 基于RTWT的實驗系統構建

1.1 實驗系統的硬件構建

自動控制原理實驗系統的硬件是在實驗室現有的計算機、研祥數據采集卡、EL-AT-Ⅲ型模擬實驗箱的基礎上重新構建而成的,實驗系統框架如圖1所示。計算機用于實驗軟件的運行；數據采集卡是計算機與實驗箱、實物對象的接口,實現A/D、D/A轉化；實驗箱配備多個運放、電阻、電容,可搭建各種控制對象。

圖1 基于RTWT的實驗系統框架

1.2 實驗系統的軟件平臺

實驗系統的軟件平臺基于Matlab/Simulink/RTWT開發。RTWT是Simulink的附加產品,采用實時內核以保證應用程序實時運行,與一臺PC機即可構成半實物仿真系統[7-12]。筆者采用Simulink搭建實驗模型,RTWT保證實時運行。軟件平臺采用模塊化設計,方便移植和修改,包括硬件驅動模塊、復雜控制算法模塊等。這些模塊封裝在Simulink模塊庫中,學生實驗時只需拖動相應模塊、修改參數即可。

1.3 實驗系統構建技術關鍵

(1) RTWT環境下采集卡的驅動程序編寫。RTWT下的驅動程序是由C語言編寫的S函數,用以實現對采集卡寄存器的讀寫操作。課題組已開發出RTWT環境下研祥數據采集卡的多通道AI、AO、DI、DO驅動程序。

(2) 數據采集卡與實驗箱、實物對象的連接。數據采集卡的輸入、輸出信號為-10～10 V,EL-AT-Ⅲ型模擬實驗箱的輸入、輸出電壓范圍為-5～5 V,可直接和數據采集卡的輸入輸出端連接而無需信號轉換。但鍋爐、水箱等實物對象的信號為電流信號,需要通過外圍信號轉換電路與數據采集卡連接。

(3) 所有的地端共用實驗箱的GND,防止信號干擾。

(4) 計算機與模擬實驗箱電路要同步。由于模擬實驗箱的積分器工作與計算機程序運行之間存在時間差,可在計算機開始工作時通過DO口向實驗箱發出控制指令,實現同步仿真,避免實驗箱電路因初始條件等因素對實驗結果產生影響,提高實驗系統的精確性和可重復性。

2 基于RTWT實驗系統的實現

實驗系統中數據采集卡的AI接口用于被控對象模擬信號的采集；AO接口用于計算機輸出指令信號和控制信號到被控對象的轉換。實驗系統實現的一般過程如下。

(1) 搭建實驗箱電路。在實驗箱上通過運放、電阻、電容搭建實驗電路。

(2) 建立系統Simulink模型。在Simulink環境中加載AI、AO、Scope、信號源及其他模塊,建立實驗模型和算法。一個具有基本輸入輸出的Simulink系統模型如圖2所示。

圖2 基本輸入輸出Simulink系統模型

(3) 設置參數。對Solver、Hardware Implementation、Real-Time Workshop面板的相關參數進行設置。

(4) 創建并執行實時應用程序。在Simulation的選單中,選擇External模式,點擊Real-Time Workshop/Build Model,自動生成在實時內核中運行的應用程序。點擊Connect to Target,建立Simulink與內核的連接后,點擊Start Real-Time Code,啟動實時應用程序的執行。

(5) 觀測響應曲線,分析性能指標。

3 實驗內容安排

根據我校自動化實驗教學要求,設置了3個類型的實驗。其中:

驗證型實驗4個:典型系統單位階躍響應分析實驗,控制系統穩定性分析實驗,增加開環零、極點、偶極子對系統性能的影響實驗,系統頻率特性分析實驗；

設計型實驗3個:控制系統的串聯校正實驗,PID控制器設計及參數整定實驗,具有狀態觀測器的狀態反饋系統設計實驗；

綜合型實驗1個:鍋爐壓力控制系統的研究。

本文在三大類型實驗中各舉一例說明其實現方案。

3.1 控制系統穩定性分析實驗

以三階系統為例進行穩定性分析。在實驗箱搭建圖3所示模擬電路。其開環傳遞函數為

其中Rx為可調電阻阻值,可調范圍為0～500 kΩ。實驗時只需改變Rx就可以調節系統的開環增益k,從而改變系統的穩定性能。

在Simulink中建立圖2所示模型。依上述系統實現步驟實時仿真,觀察Rx取值變化時的單位階躍響應曲線。圖4為Rx取值為50 kΩ、40 kΩ、33kΩ,即k為10、12.5、15的系統響應曲線。圖中k=12.5時系統臨界穩定,而根據勞斯判據理論計算,k=12時系統臨界穩定。二者的略微差別是由實驗箱可變電阻讀數不準確造成的。學生在實驗時應注意在理論計算值附近尋找臨界穩定點。

圖3 三階系統模擬電路圖

圖4 控制系統穩定性分析響應曲線

3.2 具有狀態觀測器的狀態反饋系統設計實驗

給定二階系統作為實際物理系統,結構框圖、實驗箱模擬電路圖如圖5所示。要求用實驗箱搭建模擬電路,在Simulink中構建狀態觀測器,引入狀態反饋,使系統的閉環極點為-7.07±j7.07。

圖5 實際系統結構框圖、實驗箱電路圖

系統的狀態空間模型可表示為

通過計算得到狀態反饋矩陣K=[9.9 -5.9],狀態觀測器的輸出反饋矩陣H=[-5.9 4]T。

實驗的Simulink模型如圖6所示。其中AI將實際系統輸入量u、輸出量y輸入到重構系統——狀態觀測器中；AO將觀測器仿真產生的狀態量x反饋給實際系統以實現狀態反饋。依實驗步驟實時仿真后,響應曲線如圖7所示?？梢钥闯?實際系統和狀態觀測器的輸出響應曲線略存差異,這是由于實驗箱元器件參數不理想造成的,但仿真模型的狀態量可以作為實際系統的狀態估計值。

圖6 狀態觀測器和狀態反饋Simulink模型

圖7 系統單位階躍響應曲線

3.3 鍋爐壓力控制系統的研究綜合型實驗

鍋爐壓力控制系統研究要求學生完成鍋爐壓力系統的特性測試、模型參數確定及控制算法設計,實驗難度較大,由多名學生組成小組完成。采集卡與鍋爐控制系統的連接圖如圖8所示,鍋爐控制系統的Simulink模型如圖9所示。

圖8 采集卡與鍋爐連接電路

圖9 鍋爐控制系統的Simulink模型

首先,進行鍋爐壓力系統特性研究。由于鍋爐壓力在開環狀態下一直上升,無法進入穩態,因此采用閉環控制測試其穩態特性。根據實驗數據可以確定鍋爐壓力系統含有積分環節,為非自衡系統,其傳遞函數形式為G(s)=k/s。

其次,采用開環控制進行動態特性測試。根據開環控制壓力響應的曲線斜率計算出k值。

最后,根據對象傳遞函數設計控制算法?？稍O計壓力控制系統的內模、模糊控制器等,并進行測試。

4 結束語

基于RTWT的半實物仿真自控原理實驗系統,可讓學生直觀感受到真實控制系統的各個環節,既幫助學生掌握相關理論知識,又能增強學生的動手能力和解決實際問題的能力。該實驗平臺可擴展性強,支持多種被控對象和控制算法設計,提供給學生一個發揮的平臺,實驗教學效果較好。

References)

[1] 結碩,韓光勝.Matlab在自動控制原理實驗中的應用[J].實驗技術與管理,2012,29(2):95-97.

[2] 劉金頌,張慶陽,蘇曉峰,等.Matlab軟件在自動控制原理實驗中的應用[J].實驗技術與管理,2014,31(6):138-140.

[3] 劉中,袁少強,張軍香.自動控制原理實驗課的改革與實踐[J].實驗室研究與探索,2013,32(11):403-406.

[4] 丁勇前.自動控制理論課程工程教學設想[J].實驗室研究與探索,2005,24(增刊):186-187.

[5] 趙劍鋒,吳繼平.基于LabVIEW的自動控制原理虛擬實驗系統[J].電氣電子教學學報,2007,29(1):85-87.

[6] 陳今潤,張赟寧,龍力.自動控制原理綜合實驗平臺建設構想[J].實驗室研究與探索,2005,24(增刊):370-373.

[7] 楊滌,李立濤,楊旭,等.系統實時仿真開發環境與應用[M].北京:清華大學出版社,2002.

[8] Bai Yanhong,Liu Cong. Research on Performance of Two Real-Time Simulation Environments: RTWT and xPC Target[J].Advanced Materials Research,2014,889:1257-1261.

[9] 費慶,李?？?王曉平,等.基于Simulink/xPC的過程控制綜合實驗平臺改造[J].實驗技術與管理,2011,28(11):286-289.

[10] 柏艷紅,趙志娟,孫志毅,等.基于RTWT的鍋爐硬件在回路仿真系統開發[J].系統仿真學報,2013,25(2):340-345.

[11] 袁少強,張增輝,陳礫,等.基于RTW的混合仿真計算機開發與應用[J].系統仿真學報,2009,21(3):700-702.

[12] Enikov E T. Mechatronic Aeropendulum: Demonstration of Linear and Nonlinear Feedback Control Principles With MATLAB/Simulink Real-Time Windows Target[J].IEEE Transaction on Education,2012,55(4):538-545.

Design and realization of Automatic Control Theory experiment based on RTWT

Yang Liyan, Li Hong, Bai Yanhong

(School of Electronics and Information Engineering,Taiyuan University of Science and Technology,Taiyuan 030024,China)

Aiming at the drawbacks of the existing Automatic Control Theory experiment,such as no extending space,out-dated contents,difficult to achieve high order system,modern control theory and complex control algorithm,a semi-physical simulation experimental system based on Simulink/ RTWT is proposed. Physical parts adopt experiment box,boiler,water tank and so on.Simulation parts build Simulink model.The RTWT guarantee program runs in real time.Practice shows that the system can not only make up the defects of the experimental box,but also improve students’ enthusiasm,cultivate their engineering consciousness,develop their ability to design and debug systerms with its open platform.

automatic control theory experiment; semi-physical simulation; RTWT; experimental teaching

2014- 11- 24

山西省教學研究改革項目(J2013146)

楊麗艷(1989—),女,山西運城,碩士研究生,主要研究方向為控制理論與控制工程

李虹(1965—),女,山東濰坊,博士,教授,碩士生導師,副院長,研究方向為非線性系統.

G642

A

1002-4956(2015)6- 0123- 04