楊麗艷, 李 虹, 柏艷紅

(太原科技大學(xué) 電子信息工程學(xué)院, 山西 太原 030024)

基于RTWT的自動控制原理實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

楊麗艷, 李 虹, 柏艷紅

(太原科技大學(xué) 電子信息工程學(xué)院, 山西 太原 030024)

針對現(xiàn)有的EL-AT-Ⅲ自動控制實(shí)驗(yàn)箱擴(kuò)展性不好、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容陳舊、難以實(shí)現(xiàn)高階系統(tǒng)和復(fù)雜控制算法實(shí)驗(yàn)的缺點(diǎn),開發(fā)了基于Simulink/RTWT的半實(shí)物仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。實(shí)物部分采用實(shí)驗(yàn)箱的運(yùn)放、電阻、電容搭建實(shí)驗(yàn)電路,或接入鍋爐、水箱等實(shí)物對象,仿真部分通過Simulink搭建控制框圖,RTWT保證程序?qū)崟r運(yùn)行。該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)具有開放性,有助于培養(yǎng)學(xué)生的工程意識和設(shè)計(jì)系統(tǒng)、調(diào)試系統(tǒng)的能力。

自動控制原理實(shí)驗(yàn)； 半實(shí)物仿真； RTWT； 實(shí)驗(yàn)教學(xué)

太原科技大學(xué)“自動控制原理”課程實(shí)驗(yàn)采用EL-AT-Ⅲ型實(shí)驗(yàn)箱?；谠搶?shí)驗(yàn)箱的傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)方法存在以下不足:(1)學(xué)生在不了解實(shí)驗(yàn)原理的情況下,依照配套實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書完成一些插線工作,就可以在顯示器上觀察到實(shí)驗(yàn)結(jié)果,難以達(dá)到預(yù)期的實(shí)驗(yàn)教學(xué)目的；(2)實(shí)驗(yàn)箱的可擴(kuò)展性差,可改的參數(shù)有限,難以開展設(shè)計(jì)型和綜合型實(shí)驗(yàn)；(3)實(shí)驗(yàn)箱僅能完成經(jīng)典控制理論的一些簡單驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn),無法進(jìn)行現(xiàn)代控制理論、復(fù)雜控制算法研究類實(shí)驗(yàn)；(4)與實(shí)際工程應(yīng)用聯(lián)系不緊密,學(xué)生無法了解實(shí)際控制系統(tǒng)所有的環(huán)節(jié)[1-6]。

針對上述缺陷,設(shè)計(jì)了基于Simulink/RTWT的半實(shí)物仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。該系統(tǒng)不僅能完成自控原理基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn),還能完成被控對象測試建模、控制算法設(shè)計(jì)、控制系統(tǒng)實(shí)時仿真等實(shí)驗(yàn)。開放性的平臺提供給學(xué)生自由發(fā)揮、擴(kuò)展的空間,逐步訓(xùn)練學(xué)生解決實(shí)際工程問題的能力。

1 基于RTWT的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)構(gòu)建

1.1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的硬件構(gòu)建

自動控制原理實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的硬件是在實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有的計(jì)算機(jī)、研祥數(shù)據(jù)采集卡、EL-AT-Ⅲ型模擬實(shí)驗(yàn)箱的基礎(chǔ)上重新構(gòu)建而成的,實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)框架如圖1所示。計(jì)算機(jī)用于實(shí)驗(yàn)軟件的運(yùn)行；數(shù)據(jù)采集卡是計(jì)算機(jī)與實(shí)驗(yàn)箱、實(shí)物對象的接口,實(shí)現(xiàn)A/D、D/A轉(zhuǎn)化；實(shí)驗(yàn)箱配備多個運(yùn)放、電阻、電容,可搭建各種控制對象。

圖1 基于RTWT的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)框架

1.2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的軟件平臺

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的軟件平臺基于Matlab/Simulink/RTWT開發(fā)。RTWT是Simulink的附加產(chǎn)品,采用實(shí)時內(nèi)核以保證應(yīng)用程序?qū)崟r運(yùn)行,與一臺PC機(jī)即可構(gòu)成半實(shí)物仿真系統(tǒng)[7-12]。筆者采用Simulink搭建實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?RTWT保證實(shí)時運(yùn)行。軟件平臺采用模塊化設(shè)計(jì),方便移植和修改,包括硬件驅(qū)動模塊、復(fù)雜控制算法模塊等。這些模塊封裝在Simulink模塊庫中,學(xué)生實(shí)驗(yàn)時只需拖動相應(yīng)模塊、修改參數(shù)即可。

1.3 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)構(gòu)建技術(shù)關(guān)鍵

(1) RTWT環(huán)境下采集卡的驅(qū)動程序編寫。RTWT下的驅(qū)動程序是由C語言編寫的S函數(shù),用以實(shí)現(xiàn)對采集卡寄存器的讀寫操作。課題組已開發(fā)出RTWT環(huán)境下研祥數(shù)據(jù)采集卡的多通道AI、AO、DI、DO驅(qū)動程序。

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

(3) 所有的地端共用實(shí)驗(yàn)箱的GND,防止信號干擾。

(4) 計(jì)算機(jī)與模擬實(shí)驗(yàn)箱電路要同步。由于模擬實(shí)驗(yàn)箱的積分器工作與計(jì)算機(jī)程序運(yùn)行之間存在時間差,可在計(jì)算機(jī)開始工作時通過DO口向?qū)嶒?yàn)箱發(fā)出控制指令,實(shí)現(xiàn)同步仿真,避免實(shí)驗(yàn)箱電路因初始條件等因素對實(shí)驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生影響,提高實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的精確性和可重復(fù)性。

2 基于RTWT實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中數(shù)據(jù)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(jì)算機(jī)輸出指令信號和控制信號到被控對象的轉(zhuǎn)換。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的一般過程如下。

(1) 搭建實(shí)驗(yàn)箱電路。在實(shí)驗(yàn)箱上通過運(yùn)放、電阻、電容搭建實(shí)驗(yàn)電路。

(2) 建立系統(tǒng)Simulink模型。在Simulink環(huán)境中加載AI、AO、Scope、信號源及其他模塊,建立實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ秃退惴?。一個具有基本輸入輸出的Simulink系統(tǒng)模型如圖2所示。

圖2 基本輸入輸出Simulink系統(tǒng)模型

(3) 設(shè)置參數(shù)。對Solver、Hardware Implementation、Real-Time Workshop面板的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。

(4) 創(chuàng)建并執(zhí)行實(shí)時應(yīng)用程序。在Simulation的選單中,選擇External模式,點(diǎn)擊Real-Time Workshop/Build Model,自動生成在實(shí)時內(nèi)核中運(yùn)行的應(yīng)用程序。點(diǎn)擊Connect to Target,建立Simulink與內(nèi)核的連接后,點(diǎn)擊Start Real-Time Code,啟動實(shí)時應(yīng)用程序的執(zhí)行。

(5) 觀測響應(yīng)曲線,分析性能指標(biāo)。

3 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容安排

根據(jù)我校自動化實(shí)驗(yàn)教學(xué)要求,設(shè)置了3個類型的實(shí)驗(yàn)。其中:

驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn)4個:典型系統(tǒng)單位階躍響應(yīng)分析實(shí)驗(yàn),控制系統(tǒng)穩(wěn)定性分析實(shí)驗(yàn),增加開環(huán)零、極點(diǎn)、偶極子對系統(tǒng)性能的影響實(shí)驗(yàn),系統(tǒng)頻率特性分析實(shí)驗(yàn)；

設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)3個:控制系統(tǒng)的串聯(lián)校正實(shí)驗(yàn),PID控制器設(shè)計(jì)及參數(shù)整定實(shí)驗(yàn),具有狀態(tài)觀測器的狀態(tài)反饋系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)；

綜合型實(shí)驗(yàn)1個:鍋爐壓力控制系統(tǒng)的研究。

本文在三大類型實(shí)驗(yàn)中各舉一例說明其實(shí)現(xiàn)方案。

3.1 控制系統(tǒng)穩(wěn)定性分析實(shí)驗(yàn)

以三階系統(tǒng)為例進(jìn)行穩(wěn)定性分析。在實(shí)驗(yàn)箱搭建圖3所示模擬電路。其開環(huán)傳遞函數(shù)為

其中Rx為可調(diào)電阻阻值,可調(diào)范圍為0～500 kΩ。實(shí)驗(yàn)時只需改變Rx就可以調(diào)節(jié)系統(tǒng)的開環(huán)增益k,從而改變系統(tǒng)的穩(wěn)定性能。

在Simulink中建立圖2所示模型。依上述系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)步驟實(shí)時仿真,觀察Rx取值變化時的單位階躍響應(yīng)曲線。圖4為Rx取值為50 kΩ、40 kΩ、33kΩ,即k為10、12.5、15的系統(tǒng)響應(yīng)曲線。圖中k=12.5時系統(tǒng)臨界穩(wěn)定,而根據(jù)勞斯判據(jù)理論計(jì)算,k=12時系統(tǒng)臨界穩(wěn)定。二者的略微差別是由實(shí)驗(yàn)箱可變電阻讀數(shù)不準(zhǔn)確造成的。學(xué)生在實(shí)驗(yàn)時應(yīng)注意在理論計(jì)算值附近尋找臨界穩(wěn)定點(diǎn)。

圖3 三階系統(tǒng)模擬電路圖

圖4 控制系統(tǒng)穩(wěn)定性分析響應(yīng)曲線

3.2 具有狀態(tài)觀測器的狀態(tài)反饋系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)

給定二階系統(tǒng)作為實(shí)際物理系統(tǒng),結(jié)構(gòu)框圖、實(shí)驗(yàn)箱模擬電路圖如圖5所示。要求用實(shí)驗(yàn)箱搭建模擬電路,在Simulink中構(gòu)建狀態(tài)觀測器,引入狀態(tài)反饋,使系統(tǒng)的閉環(huán)極點(diǎn)為-7.07±j7.07。

圖5 實(shí)際系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖、實(shí)驗(yàn)箱電路圖

系統(tǒng)的狀態(tài)空間模型可表示為

通過計(jì)算得到狀態(tài)反饋矩陣K=[9.9 -5.9],狀態(tài)觀測器的輸出反饋矩陣H=[-5.9 4]T。

實(shí)驗(yàn)的Simulink模型如圖6所示。其中AI將實(shí)際系統(tǒng)輸入量u、輸出量y輸入到重構(gòu)系統(tǒng)——狀態(tài)觀測器中；AO將觀測器仿真產(chǎn)生的狀態(tài)量x反饋給實(shí)際系統(tǒng)以實(shí)現(xiàn)狀態(tài)反饋。依實(shí)驗(yàn)步驟實(shí)時仿真后,響應(yīng)曲線如圖7所示。可以看出,實(shí)際系統(tǒng)和狀態(tài)觀測器的輸出響應(yīng)曲線略存差異,這是由于實(shí)驗(yàn)箱元器件參數(shù)不理想造成的,但仿真模型的狀態(tài)量可以作為實(shí)際系統(tǒng)的狀態(tài)估計(jì)值。

圖6 狀態(tài)觀測器和狀態(tài)反饋Simulink模型

圖7 系統(tǒng)單位階躍響應(yīng)曲線

3.3 鍋爐壓力控制系統(tǒng)的研究綜合型實(shí)驗(yàn)

鍋爐壓力控制系統(tǒng)研究要求學(xué)生完成鍋爐壓力系統(tǒng)的特性測試、模型參數(shù)確定及控制算法設(shè)計(jì),實(shí)驗(yàn)難度較大,由多名學(xué)生組成小組完成。采集卡與鍋爐控制系統(tǒng)的連接圖如圖8所示,鍋爐控制系統(tǒng)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(tǒng)的Simulink模型

首先,進(jìn)行鍋爐壓力系統(tǒng)特性研究。由于鍋爐壓力在開環(huán)狀態(tài)下一直上升,無法進(jìn)入穩(wěn)態(tài),因此采用閉環(huán)控制測試其穩(wěn)態(tài)特性。根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以確定鍋爐壓力系統(tǒng)含有積分環(huán)節(jié),為非自衡系統(tǒng),其傳遞函數(shù)形式為G(s)=k/s。

其次,采用開環(huán)控制進(jìn)行動態(tài)特性測試。根據(jù)開環(huán)控制壓力響應(yīng)的曲線斜率計(jì)算出k值。

最后,根據(jù)對象傳遞函數(shù)設(shè)計(jì)控制算法?？稍O(shè)計(jì)壓力控制系統(tǒng)的內(nèi)模、模糊控制器等,并進(jìn)行測試。

4 結(jié)束語

基于RTWT的半實(shí)物仿真自控原理實(shí)驗(yàn)系統(tǒng),可讓學(xué)生直觀感受到真實(shí)控制系統(tǒng)的各個環(huán)節(jié),既幫助學(xué)生掌握相關(guān)理論知識,又能增強(qiáng)學(xué)生的動手能力和解決實(shí)際問題的能力。該實(shí)驗(yàn)平臺可擴(kuò)展性強(qiáng),支持多種被控對象和控制算法設(shè)計(jì),提供給學(xué)生一個發(fā)揮的平臺,實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果較好。

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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(xué)研究改革項(xiàng)目(J2013146)

楊麗艷(1989—),女,山西運(yùn)城,碩士研究生,主要研究方向?yàn)榭刂评碚撆c控制工程

李虹(1965—),女,山東濰坊,博士,教授,碩士生導(dǎo)師,副院長,研究方向?yàn)榉蔷€性系統(tǒng).

G642

A

1002-4956(2015)6- 0123- 04