“先进控制理论与技术”课程的教学实践

2011-03-21罗雄麟

电气电子教学学报 2011年3期

许锋，罗雄麟

（中国石油大学（北京）自动化系，北京 102249）

0 引言

为自动化专业学生开设的“先进控制理论与技术”课程，其教学方式主要有两种：一种是将先进控制的教学内容放在“过程控制工程”课程中讲授［1，2］；一种是专门开设“先进控制理论与技术”或“自动化前沿讲座”选修课进行讲授［3，4］。两种教学方式共同的问题是：课时少，而先进控制与常规控制系统相比，类型多，理论性强，难以理解。各种控制算法具有与常规控制不同的特点，以往教学中单纯通过静态演示和口述来讲解过于抽象，教学效果不好。因此，为了在教学中使学生能够深入全面的了解先进控制，有必要对“先进控制理论与技术”课程进行教学改革，探讨先进控制的知识体系，设置合理的教学内容；同时改革教学手段，将Matlab软件引入到课堂教学中。

1 教学内容的确定

“过程控制工程”主要讲授常规PID控制系统的设计方法及工程实现。如果引入现代控制理论的思想，结合工业过程的特点，提出了一些对模型精度要求不高、在线计算方便、控制性能高、鲁棒性强的实用控制策略，可以有效解决过程控制出现的问题，其控制性能与常规PID控制相比有明显的改善，这些控制策略统称为先进控制。

笔者认为，除状态反馈和最优控制属于现代控制理论的范畴外，先进控制大体上可以划分为三个层次：①先进控制的早期基于经典控制理论、属于常规控制的改进算法；②先进控制的流行技术引入了现代控制理论的思想，基于模型的控制算法；③先进控制的潜在技术包括自适应控制、鲁棒控制和智能控制等。

我们以引入现代控制理论的思想解决常规控制的问题为中心思想，以动态建模—预测控制—软测量为主线，32学时的课程的教学内容可作如下安排：①先进控制概述，2学时；②现代控制理论的简单介绍，2学时；③工业过程动态建模技术，6学时；④时滞补偿控制，2学时；⑤模型预测控制，8学时；⑥解耦控制，2学时；⑦软测量技术，6学时；⑧智能控制，4学时。

2 教学方式的改革

Matlab软件应用于计算机辅助教学主要有以下两种方式：一种是课堂上单独使用Matlab语言编写的计算机辅助教学软件［5，6］；一种是采用 Matlab的Notebook功能完成与PPT软件的交互［7］。前者在授课时需要Matlab和PPT间反复切换，后者需要生成一个基于M－book的Word文档作为Matlab和PPT交互的桥梁，均无法实现Matlab程序直接嵌入PPT多媒体课件的功能。

笔者在解决Matlab程序嵌入PPT软件的问题时采用了COM自动化技术。Matlab软件能够支持Microsoft公司的COM自动化服务器技术，可以被任何支持COM协议的Windows程序启动和控制，如Visual C＋＋和Visual Basic等。使用COM自动化技术，可以从外部程序运行Matlab程序并获取Matlab中的数组数据［8］。而Office软件均支持VBA可视化编程开发，PPT软件的幻灯片页面可加入VBA控件，开发PPT的VBA宏程序通过COM自动化技术打开Matlab并运行Matlab程序，实现Matlab程序与PPT幻灯片的链接。

笔者还开发了先进控制系统典型控制算法的Matlab仿真程序，以预测控制算法为主，包括模型算法控制和动态矩阵控制等算法。仿真程序中包含各种类型的被控对象，包括一阶惯性加纯滞后系统、二阶系统、高阶系统等。笔者将各种类型的先进控制算法的仿真程序分别封装为相应的Matlab函数，在Matlab函数的参数中可以直接设定被控对象模型以及各种控制参数（如预测时域和控制时域等）。在PPT软件的幻灯片页面上加入VBA控件，在讲课时可通过标签、文本框和选项按钮等VBA控件在幻灯片页面上设定仿真模型和控制参数，通过命令按钮执行Matlab程序，演示先进控制的曲线。

在讲解预测控制时为了向学生说明预测时域、控制时域、误差权系数、控制权系数对预测控制的影响，我们以模型算法控制为例，打开如图1所示的幻灯片进行放映。在放映时设定预测时域、控制时域、误差权系数、控制权系数、柔化系数和给定值等控制参数；选择被控对象，确定仿真过程中是否加入阶跃干扰；单击“仿真”命令按钮后即可显示模型算法控制的控制效果曲线。通过改变控制参数，学生可以看到预测时域、控制时域、误差权系数和控制权系数等对模型算法控制的影响。

另外，我们还进行先进控制与常规控制的对比实验。以动态矩阵控制与常规PID控制对比为例，可以打开如图2所示的幻灯片。在放映时可以分别设定预测控制和常规PID控制的控制参数，选择被控对象，单击“仿真”命令按钮后即可显示动态矩阵控制和常规PID控制的控制效果曲线。