2013国际自动控制联合会IFAC研讨会：法国工业科学控制教育案例分析

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。英国谢菲尔德控制教育中的教学能力：法国工业科学的例子H. Riou， G.R.三都县CALLMT-Cachan（ENS Cachan/CNRS/Paris 6 University，PRESUniversSud Paris）61 avenue du President Wilson，F-94230Cachan， FranceUPSTI校长，Lycee Chaptal 45 boulevard des Batignolles，75008PARIS FRANCE（电子邮件：herve. upsti.fr）。电子邮件：info@supele.com.cnGif-sur-Yvette FRANCE（电子邮件：Guillaume. supelec.fr）翻译后摘要：系统工程师必须分析，设计或控制变得越来越复杂，捕捉多学科方面，如机械，电气，环境或经济的观点。在这个框架中，控制教育必须被收集到一个全球性的方法，控制律的设计是不是主要目标，但成分的系统，以达到令人满意的性能之在法国，15年前引入了一种革命性的控制科学教学方法它基于对真实工业系统的研究，其中很大一部分用于实验室工作和基于项目的学习。本文介绍了这种方法。几个系统的研究实例突出的主要概念，并证明了该方法的效率，无论是在能力教学和学生之间的普及。关键词：教育，创新教学法，工业系统，实验室工作1. 介绍工程师培训一直是技术和设备开发的关键点它现在已成为一个更加重要的问题。事实上，未来几十年的未来挑战涉及水、能源或交通的获取，可持续环境的发展，太空探索...解决这些挑战当然与工程应用的发展密切相关。然而，要考虑的系统的复杂性已经大大增加。这种复杂性在控制教育中带来了新的方面：当然，控制结构和经典和先进控制方法的教学仍然是基础（Yurkevitch和Naidu（2012），Odwyer（2006），Pagola和Pecharroman（2006），Ruz等人（2006））。但是，学生必须意识到他们必须控制的系统的全球复杂性粗略地说，目标不仅是学生能够调整PID控制器与指定的时间响应和超调，而且他们能够理解这些规格的选择和控制律调整对整个系统行为的影响因此，工程师培训的许多问题必须解决，如（a）什么是最有效的方法，让学生的技能非常适合系统分析，设计和控制的目的？(b)培训什么时候开始？(c)如何吸引更多年轻人从事这类职业？为了回答这些问题，一个强大的本文的目的是显示这些问题已被考虑在法国。它是基于法国完善的工程预备班1教育体系，和工程高中2。这种教育系统带来了一个重大的演变十五年前，一种新的方式为控制科学教育的介绍（B.O.（2004））。当时，教育部认识到需要一种新的方式来培养工程师。 工业科学是作为对这一点的回应而创建的，采用了新的教学方法。该学科旨在培养学生能够理解，建模和解决机械和控制科学中的工业复杂问题。今天，这种新的培训方式已经取得了令人满意的效果，并开始在其他国家进行调整。本文的结构如下。首先，法国的工程培训系统，其典型的预科班，是在第二节中调用第三部分提出了工业科学教学的整体这种方法涉及到一个复杂系统的建模，分析和理解，定义合适的控制律和解决方案的建议，以提高系统的行为。众所周知，实验室工作是控制教育的有效工具。这就是为什么每个步骤都在实验室工作中通过实验活动和数值模拟进行验证创新依赖于将这种教学纳入工程过程的更全球化的方法。为了说明这些教学概念和教学工具，第4节提供了完整的例子在第5节中，理论讲座、练习和实验室工程训练的主要指导方针是与实际系统一起工作。1该文件名为“classes p r rar a t o r es“。[2]第一个字母是“grand es'ecol es d'i ng'en i eur“。© IFAC 280 10.3182/20130828-3-UK-2039.00019第十届IFAC ACE2013年8月28日至30日。英国谢菲281图1.一、法国预科班和工程高中教育体系的结构此外，还包括一些基于项目的学习的例子这种项目也是这个教育系统的特殊性。通过这些项目，学生不仅可以分析复杂的系统，还可以设计自己的系统，这对技能教学非常有益（Goodwin等人（2009））。这一教育计划得到了很好的认可，第6节介绍了该方法在国外（如马格里布和中国）的最后，在第7节中得出了一些结论。2. 法国的工程培训体系在法国，许多工程师在一个特定的教育体系中接受培训，该体系以五年的科学和技术培训为基础（见图1）。在获得学士学位后，学生将进入为期两年的教育系统，即预科班。 该系统包括数学、物理、工业科学、外语和通信方面的强化培训。这两年之后，学生们有一个全国性的，非常有选择性的比赛。根据他们的排名，他们决定进入不同类型的工程高中之一，在那里他们接受为期三年的培训他们需要学习所有的学科来获得工程学文凭。因此，为了让学生做好准备，有丰富的职业生涯，预备班系统为他们提供了发展技能和解决问题的可能性，这些问题非常接近他们在现实工业生活中必须解决的问题。1995年，工科高中想再次改进这个系统：根据工程师有越来越多的技能需要培养的事实，他们想开始具体能力的培养比以前早，即学生一进入预科系统就开始培养。这些特定的能力与解决工业问题的需要有关，这些问题在机械和控制科学的背景下定义不清，模糊不清，有很多解决方案。这一重大变化导致了保守阶级的新结构。一门名为工业科学的新学科以新的教学方法出现了。如今这些图二.预科班新的预备班，与工程高中合作，已经建立，在工程培训概述中众所周知此外，该系统被认为是非常有效的：所有的教育标准（学生教育的成功，培训的效率，培训和工业需求之间的...）都很满意此外，许多工业企业家或管理人员与高层次的先进工业职业选择了这个培训系统。这是一个非常受欢迎的教育系统作为统计状态：在过去的几年里，希望进入这个系统的学生人数越来越多，每年达到约40.000名学生，而在同一时间，法国的学生人数在全球范围内有所减少 在图2中，显示了所有操作的基础结构的演变。 特别是，人们可以看到，PSI部分的学生人数，特别是与控制教育和本文的范围有关的学生人数，自10年来一直在不断增加。3. 控制科学中工业系统的整体方法工业科学中控制科学教学的一个基本方面是所考虑的系统类型。即使他们可以说明教育计划的某些部分具有教学效益（Sotenova等人（2012），Novak等人（2006）），学术材料的使用可能会受到限制，因为它并不总是被纳入一个完整的系统，具有工业问题。这就是为什么，所考虑的系统都是真正的工业系统，具有真正的工业技术解决方案（见图3）。然后，所有的课程都是基于对这些系统及其整个复杂性的研究。这些系统例如是船舶自动驾驶仪、汽车转向机、包装机、6轴平台、核电站机器人、人形机器人、太阳能电池板.它们都是仪表化的，因此可以直接使用专用传感器测量一些物理数据。类似地，控制律可以使用连接的软件工具来计算和开发。第十届IFAC ACE2013年8月28日至30日。英国谢菲282图三.控制科学培训中使用的真实工业系统示例。带着数模转换器去工厂因此，所考虑的系统与例如在应用物理学中用于教育的经典小型设备完全不同，以说明讲座的一部分（仅由少数简单组件组成的设备，如电气组件，执行器或单独的传感器）。由于其复杂性，工业科学中使用的大多数系统由于其工业性质，必须处理所考虑系统的复杂性。为了捕捉这种复杂性，首先需要一种全局方法来了解工厂的全局工作及其结构和规格。为此，学生使用一些全局描述工具进行系统分析和建模，如结构化分析和设计技术。在这一点上，学生alrealdy能够测试一些性能标准，使用一些实验结果。根据这一步骤，现在的问题是了解如何实现这一性能（如果经验表明满足规范）或提出技术解决方案的一些在这两种情况下，必须建立系统的模型，以便预测系统的行为。系统模型主要是从机械和控制科学的角度获得的。然后使用实验数据识别模型，并使用一些额外的经验和模型模拟来验证模型。从这一点出发，系统的控制部分也可以建模或设计。最后，可以看出，控制科学的使用包括在工程过程的全局任务中，从系统的全局分析到工业问题的工程解决方案系统的建模以及与实际系统的验证和比较是这一过程的关键。对于一些特定的应用和系统，一些额外的传感器可能会被添加到系统架构中，用于教学目的，但也可以让学生充当具有原型的系统设计师。在这种情况下，学生可以修改系统行为或测试一些新的发展，以提高他们的表现。例如，他们经常被要求优化控制器的值，以实现所需的规格。当然，工业系统的选择是基于其内部结构和教学目标之间的适当性。在这个框架内，学生每年必须学习大约10个系统。这些系统可能包含机电一体化部件，电气设备，执行器，传感器，为学生提供广泛的工业问题和应用领域的概述。这些系统中的大多数都包含自动内部循环。最后，师范工程教学过程可以总结为以下任务：• 分析一个复杂工业系统要解决的工程问题;• 了解系统的技术结构• 检查工厂的当前配置是否满足某些规格;• 对系统的结构和行为进行建模;• 利用实验和仿真结果对模型进行了验证• 对系统的控制科学部分进行科学分析;• 对控制律进行了改进;• 最终，修改系统的行为（例如通过新的程序定义或集成一些新的技术发展）;• 最后，总结提出的解决初始问题的方案。所有这些步骤都体现了一种全面而完整的工程方法。这样，控制科学教育就包含在解决现实生活问题的定义中。实践证明，实验室工作是实施素质教育的有效工具。4. 系统和实验室工作示例几乎所有要求学生完成的任务都意味着使用真实系统进行实验活动或比较实验数据和模拟结果。这些活动通常由两名学生一组完成（见图4），分几次进行，每次至少两小时下面给出了几个实验室工作和系统研究的例子，以说明应用的多功能性。4.1 透析系统该系统模拟透析系统，其中血液被水替代。在几种可能性中，重点是血液回路。泵允许血液的体外循环，以便血液可以被清除。由于明显的安全和医疗原因，血液与泵本身之间不允许接触。 这就是为什么必须使用蠕动泵的原因。使用这种泵，血液由于交替压缩而被推动弹性管的。该系统如图5所示，蠕动泵也放大了。为了监控系统行为，可提供压力和质量流量传感器。一台直流电动机驱动泵。使用PID控制器来控制电动机的旋转速度由于医疗原因，泵的转速（以及因此血液质量流量）保持在预定的范围内是非常重要的。授权范围。此外，第十届IFAC ACE2013年8月28日至30日。英国谢菲283见图4。两组学生研究真实的工业系统。他们使用一些数值模拟工具来预测控制科学教育方面的系统响应。图五.透析系统、血泵及措施。泵与管道的连接意味着电机轴上的周期性扰动。最后，学生不必给出PID整定的一些规格，而是必须：• 了解系统行为;• 根据系统的总体指标，对泵的选择进行论证;• 从机械和控制的角度对泵进行建模;• 验证这些模型;• 基于医学规范定义控制律规范;• 调整控制器;• 验证所获得的行为。图第六章可变电动助力转向。4.2 电动助力转向该系统（见图6）实际上用于雷诺（一家法国汽车制造商）制造的Twingo汽车。即使在教学框架中，无法在道路上行驶的真实汽车上实现测量，也可以很容易地调整摩擦元件（图的右上角）以很好地代表轮胎-道路接触。在这种情况下，测量可以是非常准确的，并且与转向的实际行为相适应。从这些措施，系统的全球模型可以建立和识别。通过该模型，系统的精确模拟使学生能够对该应用领域的实际技术问题有非常公正的此外，可以分流雷诺植入的逻辑控制器（当然，其不可修改），并放置外部可编程逻辑控制器以通过调整一些参数来分析性能，并将这些性能与雷诺使用的优化控制器获得的性能进行比较。这些措施是通过模拟数字转换器与计算机上的教学界面，或直接与模拟测量和一个图形。学生们有机会讨论传感器的性能。总之，该实验室系统非常接近于现实生活中的系统，因此对于工程师的培训来说是丰富和非常准确的。学生可以捕捉到与设计这样一个多学科工厂相关的几个再次，控制律的调整（PID调整在这种情况下）被收集到一个更一般的能力教学框架中，规格与整个系统的行为密切4.3 帆船自动舵帆船自动驾驶系统（见图7）用于保持帆船的恒定方向，无论海上的干扰（电流，波浪等）。和风（在方向和/或功率和速度方面罗盘实时测量船的方向和磁北的方向之间的差异可编程逻辑控制器分析船的方向和船长指示的方向之间的在对信息进行数字信号处理之后，PID型控制器给出第十届IFAC ACE2013年8月28日至30日。英国谢菲284见图7。帆船自动驾驶系统。旋转方向舵的液压缸中的供油所需值。与真实工业系统的唯一小差异是没有船，即使在模拟中也是如此：然而，存在许多可能性来考虑船的反应性（具有诸如其速度，大小等参数）。此外，可以通过在活塞杆的末端添加一些质量来模拟海洋的影响同样，学生们必须研究一个真实而复杂的工业系统，而不是学习闭环的一些简单规范，以捕捉整个系统。5. 基于项目的学习第四节中介绍的实验室工作使学生能够面对现实生活中的问题。在这些研究中，基本上都是从分析的角度进行的。面对他们可以测量的数据和对系统架构的观察，他们被要求证明在实际系统上所做的实现选择是正确的。设计部分主要依赖于控制律的定义、满足工业问题的规范的选择以及控制器的整定。在预备班的培训中，还向学生提出了基于项目的活动3。在这个活动中，学生扮演真正的系统设计师。他们所要做一个人的工作，在与研究人员和工程师的位置合作。学生必须培养的能力是：• 识别、理解和制定工程问题;• 对现有的解决方案和应用相关信息进行文献综述（来自互联网、图书馆、专业数据库、与研究人员和工程师的联系等），分析并综合;• 实现个人实验并利用实验结果;• 模拟问题;• 准备一个沟通来介绍工作。这个项目完成了整整一年。一个一般性的主题是选择一个新的层次（“移动“，”更新“，3法语是“T r a v a u x d ' Initi a t i v e P er s o nn ell e En c a d r'es“。“S U S T A I A B L E D E L O P M E N T“. ），并根据这个题目及与教师讨论后，自行决定课程的内容。这些是这种基于项目的学习的例子，展示了可能遇到的应用领域的广泛多样性：• 绳索攀爬• 某轿车动力传动系• GPS天线• 船用螺旋桨空泡现象的模拟• 温室效率的研究6. 国际承认这一特定的法国预科课程系统与工程高中相关联，变得越来越可读，并在世界各地闻名。事实上，根据当今工程师在世界范围内的流动性，越来越多的法国工程师在世界范围内的既定行业中担任重要职务，使教育制度的隐性宣传。因此，传播这种类型的培训及其教学方法的培训（实验室工作，工业系统的全球方法，在实际复杂系统上教授的控制科学，使用数值模拟工具，.）正在增加。例如，马格里布和中国就是这种情况在这些国家，一些法国预科班和工程高中已经创建，并在控制科学的具体工程教育已被使用。据相应学校的行政管理人员说，这种教学方式是革命性的，而且效率很高。据学生们说，在实际系统和工程问题上学习控制科学显然比在没有工程目标的小型应用物理设备上学习更有趣。据作者认为，这种培训在世界范围内的发展正处于一个充满希望的起步阶段，因为许多其他国家的许多其他大学已经开始与他们联系，以进行更大的发展。7. 结论本文致力于介绍法国预科班和工程高中的控制科学教学方法。它是基于一个为期五年的教育系统，其中实验室工作很快就被引入，并在真正的工业复杂系统上完成这种教授工程能力的新方法是在15年前引入的，它的成功体现在选择它的学生人数不断增加，以及雇用这些学生的工业合作伙伴给予的满意评价。该教育系统的未来发展是基于引入控制科学的最新知识，以及如何在数字世界中有效地教授这些知识致谢作 者 要 感 谢 UPSTI （ Union des Escherseurs deSciences et Techniques Industrielles，www.upsti.fr）组织的财政支持及其成员的建设性交流。第十届IFAC ACE2013年8月28日至30日。英国谢菲285引用V. 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