过程控制课程理论实践一体化教学研究∗

吉 智

摘要 研究一种新型实验平台,利用一个教学案例说明该平台在过程控制课程中的应用。在教学中利用该平台和原有实验设备组成完整教学实验方案,推行理论实践一体化教学,取得较好的效果。

关键词 过程控制;实验仪器;教学方法

中图分类号:G712 文献标识码:B 文章编号: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

过程控制课程是自动化类专业一门重要课程,学生常反映概念抽象、计算复杂,特别是实验耗时费力,和理论教学脱节,效果很不理想。研制一种新型教学实验平台,利用它能够在有限的课堂时间里简便易行地完成信号的输入输出、算法分析和数据处理全部过程。借助于该教学平台,逐渐摒弃那种在课堂上进行理论教学,课后在实验室进行实验验证的“两段式”教学方法,在教学中将理论教学与实验教学有机融合起来,取得较好的教学效果。

1 教学平台构建

MATLAB作为一种科学研究和工程计算软件,早已成为电子信息类课程常用的软件工具,在过程控制课程中也常利用该软件对控制算法、系统模型进行研究。在此基础上如果能够实现外部信号的输入采集和计算机信号的输出处理,那么结合原有实验装置中的传感器、执行器、被控对象等设备即可构建完整的过程教学平台,这样就可以在一个统一的平台上完成信号采集、算法研究、数据处理、信号输出的全部过程,从而便捷地实现课程的理论实践一体化教学。

实验平台(图1)硬件包括2台计算机(分别作为Host PC和Target PC)、数据采集卡、2块网卡和双机通信线,软件包括MATLAB、Simulink、RTW、xPCTarget、C编译器等[1]。其中Host PC工作于非实时模式,主要任务是对通信进行配置,生成启动软盘,利用MATLAB软件搭建控制器模型,然后经过编译生成可执行C代码。Target PC工作于实时模式,通过启动软盘启动到实时模式下,利用通信将可执行C代码从Host PC下载到Target PC上实时执行。在此过程中可以通过多种方式进行控制、参数调整、数据记录和处理[2]。

系统对数据采集卡没有特殊要求,可以采用任何一款通用数据采集卡,但对于xPCTarget没有列出的板卡,必须自行编写xPCTarget设备驱动程序。采用NI的PCI6024E数据采集卡,xPCTarget提供该采集卡的驱动程序,可以直接应用。在Target PC的BIOS中关闭以下3项功能[1]:1)Advanced Power Management;2)USB Port;3)Plug-and-Play(PnP) Operating System。其中前2项容易引起处理器过载,第3项会造成PCI插槽工作不正常,这一点非常重要。

Host PC对网卡没有特殊要求,而Target PC必须采用特定的几种网卡[3]。本文Host PC采用主板自带网卡,Target PC采用Intel pro/100+网卡。在网络邻居中启用相应网卡,对属性进行配置,注意Target PC中IP地址的最后一位必须和Host PC不同。2台计算机用双机互联型网线进行联机,如果通信正常,在Host PC中打开MATLAB,键入xpcexplr指令,对Target PC的通信参数进行设定,务必确保输入的IP地址和先前对Target PC网卡的配置一致。设置完成后单击ConfigurationTarget Boot ModeBootfloppy生成启动软盘。

在Target PC的BIOS中将软驱设为第一启动设备,将软盘插入Target PC软驱中,重新启动Target PC,启动后Target PC处于等待代码下载执行的状态。在Host PC的xpcexplr中右键单击Target PC1节点,选择connect,左侧Target PC1节点前的红色小叉去掉,即表示双机通信正常。至此,实验平台配置完成。

2 教学案例设计

设计一个既简单又具代表性的案例[4]:采用信号发生器产生一个正弦信号,通过采集卡的A/D通道将信号采集到MATLAB中并进行显示;在MATLAB中用信号发生模块产生一个正弦波信号,通过Target Scope模块进行显示,通过采集卡的D/A通道将信号输出,并用示波器观察信号的波形。

在Simulink中建立一个空白的模型文件,并将其保存为daq1.mdl。然后打开Simulink的xPCTarget模块,在A/D条目的National Instruments中寻找PCI-6024E-AD并将其添加到空白模型中,继续添加Rate Transition、Target Sope、PCI-6024E-D/A模块并按照图2将各模块进行连接。其中的Scope(Xpc)模块就是Target PC机上显示的示波器。再对各模块进行参数设置,即可完成图形化编程工作。其中PCI-6024E-AD和PCI-6024E-D/A模块的设置最为重要,要特别注意通道号、幅值、向量个数、采样频率、PCI插槽号要和实际一致。

下面对仿真参数进行设置。在SimulationConfiguration Parameters的Solver条目中将Simulation timeStop time设为期望的时间,Solver options ype设为Fixed-step,将Solver optionsSolver设为合适的解算器如ode4(Runge-Kutta);将Real-Time WorkshopTarget SelectionSystem target file设为xpctarget.tlc,其余选项保持默认值即可。确保Host PC和Target PC通信正常,选择ToolsReal Time WorkshopBuild Model即可将模型文件编译为C代码并自动下载到目标机中实时执行。在Target PC中键入C指令激活命令输入框,通过指令方式即可控制工作状态,也可以在Host PC中通过Web方式进行,这种方法界面更加直观友好。图3为Target PC屏幕截图,上面的波形为采集卡AD通道采集到的正弦信号,下面的波形为MATLAB中用信号发生模块产生的一个正弦波信号。图4为示波器中监视到的采集卡DA通道输出的波形。

在教学中结合MATLAB软件进行控制器设计(此方法在过程控制课程中经常使用,可参考文献[2]),再结合上文所述的方法实现数据的输入输出,即可完成过程控制课程中常见的控制算法设计、验证类实验。由于该教学平台不必对控制对象进行数学建模和手工编程,只需采用软件自带模块“组装”即可快速搭建图形化程序,完成全部软件开发工作,并可以立即编译下载到目标计算机中执行,根据实验数据可以立刻在线对控制算法和参数进行修改,不需要重新进行软件开发就可以进行实验验证,极大地方便过程控制课程理论实践一体化教学的开展。

3 结论

在很多课程教学中,理论实践一体化模式的优越性逐渐得到认可,但在教学实践中,像过程控制这类课程,部分实验项目中传统的实验设备过于复杂,设备调试、控制算法编写需要花费大量时间,给教学来极大的困难,很多好的教学方案设计无法在时间有限的课堂教学中应用,严重阻碍理论实践一体化模式的推行。文中构建的新型教学实验平台,较好地解决了这个问题。

利用本实验教学平台进行过程控制课程的理论实践一体化教学具有以下优势:1)利用数据采集卡和个人计算机构建双机模式,成本较低,能够充分利用现有设备;2)编程环境好,无须手工编程,采用图形化手段就能够快速完成过程控制课程中全部软件编写工作,特别适合编程经验不足的学生学习使用;3)Target PC机工作于实时模式,可实现现场信号的输入输出,实验数据来自于真实的实验过程,而不只是仿真结果;4)参数调整、控制器模型修改以及修改后的实验验证可以快速完成,非常有利于课堂教学的应用。

参考文献

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

[2]薛定宇.基于MATLAB/Simulink的系统仿真技术与应用[M].北京:清华大学出版社,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,何凤有,等.Matlab/xPCTarget实时数据采集系统设计[J].工矿自动化,2009(5)