面向案例化教学的半实物仿真系统设计

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　　摘要：案例化教学在工程学科教育中起着重要的作用。文章针对《线性动态系统理论与设计》课程案例化教学需求，设计了基于Matlab/Simulink仿真环境和Arduino单片机硬件系统的半实物（hardware in loop，HIL）仿真系统，以弥补纯数字仿真案例与工程实践联系不够紧密的问题，进一步将基本理论与工程实际相联系。选取工业系统广泛存在的多容水箱液位控制系统作为研究对象，构建贯通系统建模、运动分析、能控性分析、能观性分析、稳定性分析、控制器设计、实物装置验证全过程的教学案例，将课程主要内容融会贯通，为学生运用基本理论方法解决实际问题提供了可操作的平台，进一步解决了该课程概念抽象、理论性强导致的学习效果不佳问题。
　　关键词：《线性动态系统理论与设计》;案例化教学;半实物仿真;实验系统
　　中图分类号：G642.0     文献标志码：A     文章编号：1674-9324（2020）01-0243-03
　　 一、引言
　　《线性动态系统理论与设计》课程作为电气工程等学科硕士研究生的专业基础课程，对于训练学生逻辑推理、系统分析能力起着重要作用，在后续课程学习及课题研究中具有基础性地位。该课程主要面向实际工程中广泛存在的一类具有线性属性的动态系统，涉及系统建模、系统分析与控制器设计等方面的主要内容。课程研究对象高度抽象，主要借助矩阵分析方法进行系统分析与设计的训练，培养研究生借助数学工具对实际系统进行建模、分析与设计的能力[1，2]。由于课程理论性强，强调严格的逻辑训练，教学过程中往往注重基础理论和基本方法的讲解，容易使学生脱离问题本身而陷入数学运算，不利于达成运用相关理论与方法解决实际工程问题这一课程目标。为此，任课教师进行了以案例教学为主要手段的教学改革与实践，强调相关理论、方法的应用背景[3-6]。案例化教学在研究生基础理论课中的适当运用不仅有助于学生对理论的理解，同时有助于培养学生在分析、解决问题时联系工程实际的意识。但多数案例以数字仿真为主，在基于数学模型进行工程系统分析与控制器设计方面起到了巨大作用，但无法评价所设计的控制器在实物系统上的性能。
　　本文设计了一个面向案例化教学的半实物仿真系统，选取典型的多容水箱液位控制作为实物被控对象，采用Matlab/Simulink仿真环境进行控制器设计，以Arduino作为控制与信号采集硬件构成硬件在环的半实物仿真实验系统，可以对数字仿真结果及其在实际装置上的控制性能进行对比分析，从而进一步加强理论方法与实际工程间的联系。
　　二、多容水箱液位控制教学案例设计
　　考虑到《线性动态系统理论与设计》课程特点及其基础性，所设计的教学案例应体现融合基础知识、基本理论、基本方法，同时还要考虑实物系统制作的方便性。基于多年教学实践，本课程选择典型的结构可变多容水箱液位控制系统作为教学案例。多容水箱液位控制具有典型的非线性、多变量耦合及时滞特性，在现代工业生产过程中广泛存在。通过该系统可直观地展现动态系统的稳定性、能控性等基本概念。由于该系统的典型性，已有大量建模、分析与控制方案可供参考，便于在Matlab/Simulink仿真环境中分析，并基于所设计的硬件设备进行实际控制效果的验证与对比分析。
　　为了便于模拟不同工艺过程，本文设计了由水箱、水泵及液位传感器、流量计及相应的管路组成的可变结构多容水箱液位控制系统，如图1所示。通过改变阀门开闭情况，可构成单容、双容、四容等不同的被控系统。其中，4个水箱均为圆筒状，截面积相同，并分别装有液位传感器;2个水泵为小型直流水泵，可通过PWM调速;流量计可检测两个水泵的出水量。
　　 三、硬件在环的半实物仿真实验系统设计
　　结合实例在建立系统状态空间模型后，可基于该系统模型对系统的能控性、能观测性等进行分析，在课程内容的运动分析、能控性、能观测性以及稳定性分析相关的基本理论与方法时，结合该系统进行讲解，使抽象的、数学化的理论方法具有明确的物理含义，便于学生理解与掌握相关原理、方法。
　　1.系统总体结构。如图2所示，系统主要包括仿真计算机、信号采集与控制、实物被控对象。仿真计算机主要用于系统建模、分析与控制器设计及其仿真，在Matlab/Simulink环境下进行控制系统设计，可将所设计的控制器与实物被控对象一起构成硬件在环的半实物仿真实验系统。实物被控对象的液位可由检测与控制模块实时采集并上传到仿真系统，控制系统产生的控制指令同样可以通过检测与控制模块实时传送给被控对象中水泵的驱动电路，从而构成包含仿真计算机、采集与控制模块和实际被控对象的半实物仿真系统。
　　2.检测与控制模块硬件设计。平台硬件系统主要包含Arduino Uno开发板，L298N电机驱动模块和信号转换模块，硬件电路如图3所示。Arduino UNO开发板以ATMEGA328P-PU控制器为基础，具备14路数字输入/输出（其中6路可用于PWM输出）、6路模拟输入、一个16MHz谐振器。该开发板负责与上位机和被控对象间的通讯，通过USB接口与上位机进行连接，接收上位机设计的控制程序，也可將各传感器实时检测信号回传至上位机。
　　3.上位机仿真系统设计。上位机仿真基于PC机的Matlab/Simulink环境，进行系统建模与分析时，主要基于Matlab进行分析计算，在Simulink中搭建开环系统分析被控系统自身的动态特性，分析完成后可搭建闭环系统进行控制器设计与参数整定。在此基础上，基于Simulink环境设计包含实物被控对象的控制系统，以单容水箱为例，所设计的模型如图4所示。
　　其中液位传感器和流量传感器输出信号均为4—20mA标准信号，通过Arduino系统单片机的模拟输入端采集，控制器输出为PWM信号，通过Arduino系统单片机的PWM输出引脚与水泵驱动电路相连，构成闭环控制系统。 　　四、控制器设计与实验分析
　　基于该平台，通过阀门开闭模拟不同的工艺过程，供学生开展系统建模、运动分析、能控性分析、能观测性分析、Lyapunov稳定性分析等，基于相应的系统分析，提出不同的控制器設计目标，开展系统极点配置、解耦控制、跟踪控制与扰动抑制、最优控制等典型控制器设计，同时可进行系统辨识、观测器设计等实验。基于软件仿真与实物实验一体化的平台，可方便进行仿真结果与实际控制效果的直观对比，训练学生利用课程相关理论方法解决实际工程问题的能力。
　　以最简单的单容系统为例，为检验闭环系统控制性能，采取状态反馈的形式进行控制器设计，控制率采用线性二次型最优控制（LQR）方法。根据LQR控制方法的原理，可计算出控制器状态反馈矩阵，并可进行数字仿真，仿真模型及结果如图5所示。
　　在仿真系统可方便地通过对参数的重新设置，观察仿真和实验结果，进而加深对相应控制方法的理解和掌握。基于数字仿真结果，选取能够满足性能需求的控制器参数，通过Simulink中的Arduino相关硬件支持模块进行实时控制实验，对比验证控制方法在实际系统上的控制效果，观察实际系统存在的干扰、检测噪声、水泵调速的非线性、饱和等因素对实际控制效果的影响，这些因素也是实际工程中普遍存在的，并寻求解决此类问题的方法，进而改进控制器，达到实际装置中的性能要求。通过这一不断迭代的过程，一方面使研究生更深入地理解课程相关理论知识与实际的联系，更重要的是建立了解决实际工程问题的思路，使其掌握了理论应用于实践的方法。
　　五、结论
　　针对《线性动态系统理论与设计》课程内容抽象、与工程实践联系不够紧密的问题，在前期案例化教学实践的基础上，通过设计一个半实物仿真系统，进一步将案例化教学拓展到实物系统的建模、分析与控制器设计，将课程主要内容融入系统，在课程教学过程中围绕实际系统展开，要求学生在仿真环境中独立进行系统建模、分析，并设计控制器，可覆盖课程主要内容。通过在半实物仿真系统上的对比分析，使学生深入理解课程内容与实际装置的联系，明确的目标有助于提高学习积极性，同时，实物装置的引入训练了学生运行所学理论方法分析解决工程问题的能力。
　　参考文献：
　　[1]Chi-Tsong Chen.Linear system theory and design，3rd edition.New York：Oxford University Press，1999.
　　[2]郑大钟.线性系统理论[M].第2版.北京：清华大学出版社，2002.
　　[3]王晓兰，李恒杰.“线性系统理论”课程教学案例的设计[J].电子电气教学学报，2013，35（2）：21-23.
　　[4]黄景涛，邱联奎.《线性动态系统理论与设计》课程案例化教学改革与实践[J].教育教学论坛，2016，（31）：85-87.
　　[5]高飞，岳振宇，王俊，张有光，祝贺.工程专业相结合的“线性系统理论”教学改革[J].电气电子教学学报，2017，39（05）：21-25.
　　[6]周颖.MATLAB/SIMULINK仿真技术在研究生《线性系统理论》课程教学中的应用[J].科技创新导报，2015，12（12）：81-82.
　　Design of Hardware-in-the-loop Simulation System for Case-oriented Teaching
　　HUANG Jing-tao，LIANG Yun-peng，QIU Lian-kui，WANG Li-jie
　　（College of Electrical Engineering，Henan University of Science and Technology，Luoyang，Henan 471023，China）
　　Abstract：Case-based teaching plays an important role in engineering education.In this paper，a hardware-in-the-loop （hardware in loop，HIL） simulation system based on Matlab/Simulink simulation environment and Arduino single-chip microcomputer hardware system is designed to meet the case teaching requirements of the course "Linear Dynamic System Theory and Design".In order to make up for the problem that pure digital simulation cases are not closely related to engineering practice，the basic theory is further connected with engineering practice.The multi-capacity liquid level control system widely existed in industrial system is selected as the research，and the model of the through-through system is built，and the movement is divided into two parts.Analysis，controllability analysis，stability analysis，controller design，physical device verification of the whole process of teaching cases，the main contents of the course integration through，for students to use the basic theory and methods to solve practical problems to provide an operational platform，further improve the abstract concept of the course，theoretical strong problems caused by poor learning results.
　　Key words："Linear Dynamic System Theory and Design";case based teaching;hardware-in-the-loop simulation;experimental system
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