“电气控制”课程教学中的理论概念探讨

2011-08-16杨明建

电气电子教学学报 2011年3期

杨明建

（安徽大学电气工程与自动化学院，安徽合肥 230039）

0 引言

“电气控制”是一门电类专业技术课程，其研究的范畴在学术界，曾被定义为“以电动机或其它执行电器为控制对象的技术领域”［1］。

但这一定义涉及到了二种控制技术理论概念的控制行为，既连续控制与离散控制。由于用于连续控制描述与分析的基于微分方程与传递函数的控制理论不支持离散态控制分析研究，所以无论是教学科研还是工程应用，今天都以其狭义范畴“以电动机或其它执行电器为控制对象的离散控制技术”而论。在“电气控制”课程的教学方面，教材中虽大篇幅编入了电机启制动和机床控制案例，却没有给出对这类控制内容的归纳性本质分析及以系统概念对控制过程进行抽象分析能力的训练内容。为此，我们对这门传统技术课程的讲授，通过在精减传统“电气控制”课程内容的基础上，以离散态过程控制的理论概念建立为先导，低压电器基本知识为基础，可编程序控制器的原理与应用为核心的教学思路，讨论分析现代工业生产中离散态过程控制。本文主要针对教学内容中的离散控制系统理论概念的建立，讨论分析了离散控制系统的三元组表示，以及其目的意义与讲述方法［2］。

本课程在概念、基础和核心三者的逻辑关联上，强调基础与核心服务于技术概念需求的实现。这一教学理念建立的基础在于，新技术器件与设备也在不断的出现，技术概念实现的手段在不断更新，所讨论的控制技术概念在延续。因此，“电气控制”课程的讲授应强调技术概念的内涵，既离散态过程控制的理论概念，避免以具时代特征的工业产品的讲述取代一门传统性强和内涵丰富的专业技术课程，也就成为这一课程教学的指导思想。

1 理论概念

较连续控制而言，传统上的认识是：离散态控制系统缺乏数学形式表述。在教学过程中，我们通过现代工业生产过程中广泛常见的控制需求案例，引出离散态控制的系统理论概念。这一理论概念的基本核心内容，由一组定义和离散态控制系统的数学形式表述构成。采用如下组定义［3］。

1）离散态变量的定义：一个过程的离散态变量为仅可取二个或有限个值的数值集。

2）离散态过程的定义：一个离散态过程或系统的状态空间为离散态变量集，变量状态的跃变机制为信号条件激发，即过程中的状态变量变化取决于离散变量信号间的因果关系与时序关系，且无需由时钟信号同步。

3）离散态过程控制的定义：离散态过程控制为在无时钟同步条件下，通过由特定工艺确定的一组相关联的过程状态的有序触发变化，使其生产过程完成规定的生产工艺目标。

在上述三个定义基础上，引入离散态控制系统控制模式的三元组表示概念，即由如下控制模式定义引生出如下一组表达式。

［定义］离散控制系统模式S可以通过三元组形式表示如下。

式中，X为控制系统的输入变量集，Y是控制系统的输出变量集，F是控制系统的输入输出关系集，与特定的工艺过程控制要求确定的控制规则对应。

式中，fj是由特定的工艺过程确定的输入输出关系，可由多元布尔函数表示［4］，即

式中，X′，X，Y′，Y，δ、λ分别是与离散过程时间约束参数和数值参数关联的离散变量因子，且δ∈｛0，1｝，λ∈ ｛0，1｝。Tc为时间约束项的定时常数，由工艺控制要求确定，在控制器中设定。t为时间变量，δ因子中的xi或yk为因子条件且xi∈X，yk∈Y（即时间约束起始条件）。Cs为数值参数关联项的计数设定值或数值参数设定值，根据工艺要求在系统控制器中设定，vx为与某输入变量对应的数字值。在控制器实现中，δ值与定时器标志位或时间继电器触点状态对应，λ值可由记数器或比较器的状态标志位得到。

由此可见，三元组表示模式完整地描述了离散控制系统的状态空间与控制规则。这一表示模式概念的意义在于指出：任一离散态过程控制系统与一个抽象的三元组控制模式对应，而由任一特定的输入、输出变量集和变量关系集确定的三元组控制模式，对应于一个具体的离散态物理控制系统。如控制系统输入变量的集合X、输出变量的集合Y与控制系统的输入、输出物理信号对应。表达工艺过程变量状态变化因果关系的关系集合F，反映了特定的工艺过程控制要求与控制规则，如图1所示。对于面向控制工程实践中的任何控制过程与需求，通过离散态控制模式的理论概念和经典控制理论，可清楚地抽象区分连续性控制与离散态控制，并认识这二种控制规则的分析与实现算法截然不同。

图1 离散控制系统的三元组结构框图示意

2 概念的对比讲述

“电气控制”课程开设的修课对象，不仅已完成作为连续控制理论基础的“自动控制理论”课程的学习，而且以此理论为基础的运动控制和过程控制等相关专业课程也已完成。

学生对控制过程及系统的认识与思考，以连续控制的理论概念为先导的认知现象，不可避免地对课程中以离散态过程为对象的研究分析产生一系列的概念性疑问。如：“电气控制”与“拖动控制系统”课程的区别，及“拖动控制系统”和“过程控制工程”课程中的PID控制规则，为何未在离散态控制系统中得到使用等等。因此，为区分连续与离散二类不同的控制，采用连续性控制概念与离散态控制概念扼要性的对比讲述。

对比讲述的要点是：①连续性控制过程状态参数为时变的实数变量，过程行为可通过连续函数或微分方程表述；②离散态控制过程的状态参数为不连续的离散值，其过程行为与控制规则及系统结构由离散过程控制模式的三元组表示。可见离散态控制系统的三元组模式表示的建立，以数学语言的抽象形式体现出离散态控制与连性控制的本质区别。