2013年国际自动控制联合会第10届IFAC研讨会：控制教育新进展

2013年8月28日至30日，国际自动控制联合会第10届IFAC研讨会控制教育进展。英国谢菲尔德现代控制系统1. Tom Lee 2.我的超次元帝国3 .第三次约会第四章.第五章.1Quanser咨询，电气和计算机工程（兼职）新墨西哥大学，阿尔伯克基，系统设计工程（兼职）滑铁卢大学（电子邮件：tom.lee.quanser.com）2机械和工业工程，多伦多大学（电子邮件：rbenmrad@mie.utoronto.ca）3Quanser Consulting，Markham，Canada（电子邮件：peter. quanser.com）4Quanser Consulting，Markham，加拿大（电子邮件：derek. quanser.com）5多伦多大学Quanser咨询和电气与计算机工程（兼职）（电子邮件：jacob. quanser.com）翻译后摘要：介绍和先进的控制课程的传统实验室组件的一种新方法。该技术在汽车硬件在环（HIL）应用的背景下集成了理论分析和设计概念，该应用采用游戏风格的交互式、沉浸式3D显示以及上下文丰富的学习目标和结果，所有这些都与更传统的基于直流电机的硬件工厂相集成。多伦多大学本科生和研究生课程的实际实施经验表明，学生对当代控制工程实践的积极性和欣赏程度有所提高。关键词：控制系统，控制教育，实验室教育，仿真，汽车控制1. 介绍工程系统，无论是工业还是消费者，越来越依赖于经典和现代计算机控制的某种组合。今天的普通汽车拥有超过100台专用计算机来控制各种子系统，包括发电和传输，车辆动力学和制动以及驾驶员/乘客舒适性。尽管控制的重要性日益增加，但该领域的许多学者和工业当局最近对传统控制课程的可行性提出了质疑，以满足现代控制应用的需求。2000年，成立了一个由学术和工业控制专家组成的小组，为控制领域的研究和教育提出建议。系统动力学、分布式环境、自主应用、自动验证和确认的日益复杂性以及对更高可靠性的需求被确定为现代工程师面临的一些关键技术挑战。除了专家组对工业和研究的建议外，工程教育也有深刻的处方：社区必须继续整合过去40年的材料和框架，统一和压缩知识库.教育和外联的一个重要内容是继续使用实验和开发新的实验室和软件工具。这比以往任何时候都更容易做到，也更重要。（一）2008年，IEEE的控制系统学会（CSS）对225名学会成员进行了关于现代控制课程有效性的调查。一些更有趣的观察来自行业观点和学术观点之间的差异。例如，认为新毕业的控制工程师具有良好或优秀的技术技能的受访者比例为32%，来自工业界的比例为49%。此外，64%的行业受访者认为毕业生的质量充其量是公平的。主题脱节的一些例子包括Routh-Hurwitz稳定性标准，该标准在84.5%的受访大学中教授，但只有27.8%或行业受访者认为该技术重要或必要。相反，83.3%的行业认为集成器饱和是重要或必不可少的，但只有36.1%的大学教授集成器饱和。本文介绍了多伦多大学和Quanser公司之间的合作项目的开发和初步试点结果，以开发一个更丰富，更灵活的框架，提供本科控制实验室练习。具体而言，该框架提供1.直接连接到激励和直观的应用程序环境2.严格处理最重要的经典分析技术3.平衡实施与理论© IFAC 37 10.3182/20130828-3-UK-2039.00006第十届IFAC ACE2013年8月28日至30日。英国谢菲384.平台灵活性，易于引入典型的本科课程这一举措的第一个结果是一系列的实验室练习，学生在其中探索汽车应用框架内的控制技术和影响。该框架被引入到加拿大多伦多大学机械与工业工程系和电气与计算机工程系的本科生和研究生控制课程中。2. 方法摘要该实验室系统集成了硬件在环（HIL）仿真，其中该工厂基于传统的直流伺服电机，具有沉浸式3D可视化和适当的数学模型，可在概念上将理论与汽车控制中的实施联系起来。该系统被命名为Quanser驾驶模拟器（QDS）。图1显示了基本配置。该设置使得能够对直流电机的速度和位置控制的概念进行丰富的处理。该图中的主要软件框架是MathWorks Simulink®，由Quanser开发的虚拟现实风格的可视化软件组件增强（3）。除了控制器算法外，该软件还包含车辆动力学、道路几何和人类驾驶员行为（用于自动驾驶实验）的模型。操纵杆是一个现成的USB游戏控制器。在这种情况下，系统的实时控制在连接到Quanser USB DAQ单元的PC上执行。Fig. 1. Quanser驾驶模拟器配置与系统的交互可以是两种方法之一：手动控制：从本质上讲，QDS将表现得像一个汽车视频游戏。学生使用操纵杆（或者包括方向盘和踏板的自动风格的游戏控制器），可以控制虚拟汽车的方向和速度。然而，与视频游戏不同的是，这是一个HIL实时控制系统，因此学生可以看到操纵杆控制对真实工厂的影响。此外，该系统直接感应电机的速度和位置，学生可以探索外部干扰对车辆动力学的影响。通常情况下，这种模式用于需要动机的早期实验室，在某些方面，乐趣。学生可以在各种工程指标上相互竞争，如单圈时间和平均误差。自动控制：目的是对自动驾驶车辆控制进行编程。虚拟汽车的控制将通过控制器（即经典控制，如PI）和虚拟驾驶员的模型来实现，该模型体现了人类驾驶员行为的行为学-例如，你向前看多远。最后，外部干扰通常是道路状况，包括基本几何形状和诸如颠簸的危险。该模式是深入探索控制设计和实现的核心概念的框架。除了PI或经典控制的应用为中心的治疗，学生可以探索各种模型的价值和局限性-包括数学，连续动态模型（车辆），代数模型（道路几何）和基于数学的模型（驱动程序）。最后，作为一个合适的HIL系统，所有概念最终都基于真实的硬件、真实的信号和实际实施的真正挑战。在试点部署中，自动控制模式是学生完成最终课程项目的平台。该系统可随时支持模型的调整，为系统添加新的维度，不同的测量和数据分析技术等等。一个有效的方法来评估的项目是运行一个竞争，学生3. 软件和模型QDS软件被设计为NI LabVIEW®和MathWorks Simulink®的模块化平台，支持使用快速控制原型（RCP）软件的各种HIL组件（3，4）。使用图形环境开发软件允许学生轻松更改现有模块，或开发其他功能组件。这对于系统概述的课程至关重要，该课程提示学生对模拟器进行更改，以观察额外的动态和非线性的影响。QDS系统的核心由几个组件组成，包括自动驾驶员、横向和纵向动力学、地形测绘和可视化以及轨道几何和传感。这些组件之间的互连如图2所示。该平台的核心元素被设计为开放式架构组件，让学生访问各级仿真和控制模块。因此，额外的模型和功能已被开发的研究生作为一个基于课程的设计项目，和本科顶点项目组。这些附加模块包括：红外线跟踪、滑动动力学、避障、自动车辆通过以及向前和向后自动驾驶员的路径跟踪。第十届IFAC ACE2013年8月28日至30日。英国谢菲39在架构方面，QDS系统与工业中广泛部署的HIL车辆动力学测试和原型设计配置具有许多共同的技术维度。CarSim®（5）等商业软件工具提供了与QDS相同类型的可视化和沉浸式模拟，尽管更为全面。图二. QDS系统示意图在这个应用中，学生设计的控制器由自主驾驶员或操纵杆给出所需的速度和转向命令。然后通过DAQ将命令传递到硬件。在经典的配置中，一个直流电机用作转向装置，另一个作为发动机部件。所得到的反馈信号被传递到车辆动力学和地形映射以完成仿真循环。通过这种方式，学生可以看到他们的调整参数和硬件干扰对车辆反应的影响。可能的现实世界中的控制方法的应用突出，包括巡航控制，电传操纵系统，自动驾驶汽车等。图三. QDS导航模型类似的沉浸式技术可以在其他专业中找到，如飞行动力学和控制。从这个意义上说，提供更吸引人的体验的建筑也是一种非常重要的当代工程技术。3.1 自动驾驶QDS默认配置与预配置的自动驾驶员打包，以基于来自轨道几何模块的传感器读数生成所需的速度和转向命令。自动驾驶仪对于为系统中的HIL组件开发控制器提供有效的测试平台至关重要。为该平台开发的本科课程包括学生开发自己的额外自定义自动驾驶模块的挑战。3.2 横向和纵向动力学横向和纵向动态模块将来自HIL伺服系统的速度和转向位置反馈转换为代表性的车辆位置和方向。默认的系统模型采用了一个简单的自行车模型，没有打滑和转弯动力学，以突出控制参数对系统响应的影响。然而，对于更复杂的系统级控制挑战，该模块可以很容易地补充更多额外的车辆动力学，包括发动机模型，空气动力学，阿克曼转向，滑移和转弯动力学。该模块还包括基本碰撞模型。3.3 地形测绘和可视化映射和可视化模块用于确定车辆在3D环境中的位置和取向。已知的地形图用于确定车辆的高度和相对于地面的切向取向。然后，车轮、车身和摄像头的变换矩阵将用于 更 新 3D 环 境 ， 使 用 Quanser 3D Viewer 接 口 模 块 为Simulink®和LabVIEW®提供支持。3.4 轨道几何形状和传感轨道几何形状和感测模块用于找到车辆相对于轨道的位置。沿着轨道中心的一组多达3000个已知信标位置的模拟用于基于动态前瞻距离来定向车辆。生成车辆到最近信标的距离、车辆方向与最接近前瞻点的信标之间的角度以及前瞻点处的轨道曲率。这些传感器信号如图3所示。3.5 其他HIL组件QDS平台的模块化特性有助于集成多个额外的HIL组件。实验室系统已经实现了使用三个不同的直流稳压器配置，包括编码器，转速计，电位计反馈和几个DAQ配置的组合。这种灵活性对于确保第十届IFAC ACE2013年8月28日至30日。英国谢菲40该系统很容易整合到控制系统课程利用现有的实验室设备。该系统还与Quanser主动悬架系统集成，提供额外的动力学和控制挑战。3.6 附加应用QDS平台的基本结构也是固有的模块化和通用的，允许在汽车环境之外创建其他应用程序。这些系统可以包括飞机、卫星、摩托车或无人驾驶机器人车辆模拟。我们已经确定的对任何其他仿真环境至关重要的系统基本元素是实时HIL组件、自动驾驶系统、激励控制挑战和工业相关控制系统。其他几个原型平台正在开发中，包括一个带有HIL伺服系统和传感器的飞机模拟器，用于自动着陆，以及一个与Quanser 2DOF直升机实验集成的直升机模拟器。这种与现有硬件和应用程序层的轻松集成将促进未来各种工业相关创新平台的开发。4. 本科生案例研究4.1 概述2011年秋季学期在多伦多大学进行了一个本科生试点项目。QDS系统被引入到四年级机电一体化原理课程中，以丰富现有的实验室序列。35名学生分成两组或三组，每周进行一次三个实验，重点是HIL速度控制、位置控制和自主导航。实验课的重点是传统的控制设计技术，重点是解决问题和将课程应用于现实世界的场景。a）、b）、见图4。比较a）真实世界车辆速度控制方法，b）QDS速度控制框图。每个实验室课程的结构如下：1.该主题的实际应用的介绍性概述，以激励学生参与材料。2.规格介绍和图形软件工具，使学生能够设计所需的控制器在一个直观的方式。3.对所得控制器的响应进行仿真，然后与实际系统响应进行比较。4.机电一体化集成的一个额外的元素被覆盖到实际控制设计中添加额外的洞察力。这些部分包括滤波器设计、干扰抑制、校准等。5.最后，在QDS系统上实现了控制器，以验证控制响应对车辆的影响。促使学生评估系统作为一个整体，并批判性地思考替代应用和性能改进。除了核心实验室序列，本科实验室序列的竞争部分要求学生使用第3.1节中概述的模拟传感器信号，用自己的自定义控制器替换默认的自动驾驶仪。学生可以自由地实施任何控制策略来解决挑战。然后，学生们进行比赛，以达到最快的单圈时间，最少的错误。挑战的竞争氛围和开放性旨在激励学生应用在整个课程中获得的控制知识，同时也锻炼他们的软技能，包括创造力，团队合作和解决问题。这些实验涵盖了一系列典型的主题，从课堂材料中提到的经典控制开始。然而，应用方面促进了对现代实施至关重要的关键主题的介绍。主要概念包括。直流电动机直流电动机第十届IFAC ACE2013年8月28日至30日。英国谢菲41控制设计符合规范基本根轨迹和极点配置整体卷紧积分干扰抑制基本的过滤硬件仿真和验证这些主题还简要地涉及了一些非传统的主题，包括触觉和车辆建模。4.2 结果学生和教授对将QDS系统引入机电一体化原理课程的反应非常积极。以下是一位四年级学生在课程结束后提交的证明：…I found the Quanser [Driving] Simulator very useful inlearning Control Systems concepts…I could easily set, testand adjust my control parameter by the turn of a dial. Thismade learning control systems easy, interactive and该评论强调了利用LabVIEW®和Simulink®等图形环境的系统的重要性，以使控制设计和实施过程直观和交互。该平台的另一个与学生产生共鸣的元素是系统的HIL方面，另一位四年级学生的以下评论证明了这一点：我认为它为学生提供了更多关于控制系统的实践经验，因为在仿真回路中有硬件，学生可以根据仿真中发生的事情看到硬件中发生的事情。这一评论强调了硬件在控制教学法中的重要性，以加强课程中所涵盖的概念。特别是对于表面上看起来只是一个简单的视频游戏或模拟环境的平台，包含HIL元素对于确保平台的实际环境和行业相关性至关重要。从学生那里收到的最后一个最重要的反馈是：这些实验很有趣，真的帮助我理解了控制理论的应用。有趣的元素是至关重要的，以满足我们的目标，激励学生成为兴趣和参与课程。随着平台引入到实验室序列中，学生在实验室课程中停留的时间明显更长，甚至在必要的三小时后继续完善他们的设计。学生们特别容易接受将图形方法纳入实验室的控制设计元素，以及鼓励在现实世界中应用理论的问题。大多数学生还评论说，基于挑战的自动驾驶实验室是对实验室序列的一个非常有价值的补充，允许他们创造性地应用整个课程中学到的技能。在试点课程取得成功的基础上，QDS平台已被永久纳入课程大纲，并正在考虑纳入多伦多大学的其他几门课程。5. 研究生案例研究5.1 概述在2011年本科生试点研究的同时，在多伦多大学电气和计算机工程系创建了一个研究生试点课程。该课程侧重于控制的实际应用，并利用传统的QDS平台和附加的设备来提高HIL仿真的保真度。图3所示的Quanser主动悬架装置用于表示车辆对道路颠簸和干扰的动态响应。虽然学生们进行了非常相似的初始实验室序列作为本科课程，研究生课程的教学指导较少，更强调学术严谨性。图五. Quanser主动悬架系统增加了一个介绍性的数据收集和分析实验室，向学生介绍软件和基本工具。然后进行传统的速度和位置控制课程，要求学生开发完整的直流电机模型，从第一原理，控制器设计到规格，实验验证和QDS平台上的实施。一个会议集中在更先进的控制主题，包括LQR状态反馈控制，观测器的设计，然后进行主动悬架系统，以增加额外的主动阻尼悬架系统。在这两种情况下，学生都被赋予了控制性能的目标，但他们希望设计，开发和测试他们认为合适的控制器。期望学生在需要时寻求帮助，并依靠他们对控制和研究的先进理解。该课程以开放式设计项目结束，鼓励学生创建QDS系统的创新组件。学生们选择了广泛的项目，包括自动停车，牵引力建模和控制，以及包括车辆通过在内的自动驾驶。第十届IFAC ACE2013年8月28日至30日。英国谢菲42缺少的动力学模型或车辆模拟的其他元素由学生根据需要实现。这些项目旨在让学生解决更多与工业相关的主题，以真正掌握课程中涵盖的控制主题的实际应用。课程初始要素的传统方法为传统控制课程中HIL组件的价值提供了有趣的见解。在位置控制实验课的建模和控制设计部分之后，几个学生评论说，他们的控制器出现故障，因为它们在硬件上实现时没有按照预期运行。认识到现实世界的系统并不像简单的一阶线性模型预测的那样，这是一个真正的灯泡时刻。5.2 结果为了衡量学生对以QDS为中心的研究生课程的反应，分发了一份调查。调查结果和释义问题见表1。表1. 毕业生调查结果问题分数（%）您是否有过HIL经验？45课程是否提高了对HIL的理解？80硬件测试重要吗？1003D环境有教学价值吗？853D环境是否具有激励作用？90这个项目是必要的吗？88课程是否符合您的期望？85你会推荐给其他人吗？100表1所示的结果清楚地表明了QDS方法的成功。85%的学生认为3D可视化对课程的教育内容很有价值，90%的学生认为环境是激励性的。此外，平台的HIL元素得到了非常明确的认可，80%的学生表示他们对HIL概念的理解有所提高，所有学生都认为硬件组件很重要。大多数学生也认为项目的组成部分是必要的，这提供了一个有趣的相关性的本科生的反应，以竞争实验室。这些结果在一起评估时表明，研究和创造力的元素是对QDS平台的重要补充。通过标准课程评价程序收到的评论也非常积极。其中一些见证包括：欧洲经委会应该提供更多这样的课程，特别是当有更多的M。工程专业的学生，他们工作了几年，他们需要更实用的和这是一个伟大的课程。大量的实践经验，非常适用于工业。这对我的专业发展无疑是一个很大的帮助。在学生的评论中，对实用的、具有工业适用性的实践经验的价值的强调表明，现代控制教育中的缺点不仅被教育者所认识，而且也被学生所认识。学生们越来越认识到工业世界的要求和挑战，并感谢任何提高技能的机会，这将使他们在未来受益。6. 结论一系列的实验练习是为了满足日益增长的需求，使本科生和研究生课程更具吸引力和相关性。一个名为QDS的原型平台建立在标准DC并行计算技术和知名软件框架的基础上。QDS方法在严格的汽车HIL应用环境中提供了独特的平衡和现代视频游戏般的体验。通过部署软件技术和现成的硬件，QDS方法为控制实验室的振兴提供了一种具有成本效益和可访问的方法。此外，丰富的应用程序还向学生介绍了汽车、航空航天和其他现代工程学科中的复杂HIL技术。未来的工作将包括开发更多的应用程序，适应其他植物，并更正式地评估这种方法相对于传统课程的教育价值。引用库克，R.A.，Samad，T.（2009年）。控制课程调查：CSS外联工作队报告。IEEE控制系统学会默里河K.，Boyd，S.，布罗克特河，Stein，G.（2003年）的报告。控制在信息丰富的世界，IEEE控制系统杂志，23（2）：20-33。Quanser （ 2012 ） . 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