2013国际自动控制联合会第10届IFAC研讨会：低成本、便携式控制系统教学平台的发展

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。英国谢菲尔德低成本、便携式控制与系统理论教学B.泰勒·泰勒。伊斯特伍德Ll.琼斯谢菲尔德大学自动控制与系统工程系，Mappin Street，Sheffield，S13JD。联合王国（电子邮件：b. p. taylor@ sheffield.ac.uk）。翻译后摘要：本文介绍了一个硬件平台的开发，旨在支持教学的各种系统工程的概念，学生在各个阶段的课程。硬件是足够低的成本，便携式和鲁棒的，以提供个人与“带回家的实验室”，从而使学生能够受益于基于经验的学习，在一个更灵活的方式比传统的实验室课程，否则提供。硬件包括一个微型三自由度直升机，通过NationalInstruments myDAQ数据采集单元连接到PC，并安装在一个小型工具箱中用于运输。最初的学生反馈，提出的基础上，在2013年春季学期运行的一个新的理学硕士模块的硬件的就职使用。关键词：教育辅助工具，控制教育，控制系统分析，控制系统设计，多变量控制，数据采集，快速控制原型，硬件在环设计1. 介绍IEEE控制系统学会最近的一项调查强调，与工业界雇主的观点相比，大学“在满足行业需求方面对研究生的质量评价过高”（Cook和Samad，2009年）。该报告强调了一个强烈的愿望，看到大学改善他们的动手实践教学，以更好地准备他们的控制系统毕业生的职业生涯在工业。该报告进一步强调了业界的观点，即物理系统的数学建模，用于硬件在环验证和控制系统设计和评估，是一项宝贵的技能，需要在大学教学中予以强调。这是一个大学应该认真对待的信息，特别是在英国，工程学院开始坚持要提供这样的实用内容，以获得课程认证。不仅工业界重视学生接触基于硬件的教学活动，学生 自 己 也 是 如 此 。 曼 彻 斯 特 大 学 （ NationalInstruments，2012年）最近的一项案例研究显示，在一年内将更多的实践课程引入他们的课程，电气和电子工程学院的学生满意度从67%上升到98%，如2010年全国学生调查报告所示。由于英国各工程系竞相吸引最优秀的学生，这样的统计数据很难被忽视。在大学环境中，学生与硬件的接触传统上是在实验室中遇到的。由于大多数商用硬件对于控制系统教育来说，有些庞大和/或昂贵，硬件与学生的比率通常相当低。当与及时保持高学生吞吐量的问题相结合时，解决方案往往需要学生分组解决可以在规定时间内完成的规定问题。然而，从教育的角度来看，由于一些原因，这种情况远非理想。首先，由于对硬件的访问有限而产生的时间限制使学生没有时间熟悉硬件。如果设备不熟悉且复杂，则课程的学习目标因此，成功完成实验练习通常依赖于提供一个非常明确的指令列表，以实现会议目标。这可能会导致令人难忘的实验课，学生们除了自己完成实验课其次，这样的实验课很少给学生提供时间来探索自己的解决方案和解决问题的技能第三，除非管理得当，否则学生分组工作的必要性往往会导致一些学生无法充分参与实验室活动，而让小组的其他成员来完成活动。本文报告的工作的目的是开发一个灵活的教学平台，能够提供基于硬件的课程工作的好处，没有传统的实验室会议中遇到的所采用的方法是为每个学生提供他们自己的实验控制硬件。这些设备在课程期间通过将硬件设计成便携式，学生们不受工作的© IFAC 208 10.3182/20130828-3-UK-2039.00009第十届IFAC ACE2013年8月28日至30日。英国谢菲209在教学实验室/教室的范围内使用设备，但鼓励他们在自己的时间将硬件带走在家工作。希望这将使学生能够更好地控制他们的学习，以更适合他们个人学习风格的方式。本文的其余部分组织如下。第2节介绍了硬件及其开发，第3节介绍了其在课程中的使用，第4节介绍了其首次作为数据采集和快速控制原型设计硕士课程的一部分使用的反思性论述2. 硬件的设计和描述这项工作的主要目的是开发一个教学实验室，以加强系统和控制整个课程提供的内容。从一开始，就决定每个学生都应该被允许在自己的设备上工作，不仅作为课堂教学的一部分，而且能够把设备带走，在工作时间之外工作设计标准如下：便携式：在摄像机和家庭之间运输设备意味着硬件需要重量轻，结构紧凑，易于携带。坚固耐用：任何委托给学生的设备都需要设计成能够承受无情的操作。在实践中，这意味着暴露的布线应保持在绝对最低限度，机械部件应承受粗糙的处理，任何精密仪器应被屏蔽。安全：设备的设计应确保在无人监督的环境中安全运行。低成本：由于班级规模高达100名学生，每件设备的成本绝对最低。每个学生包的组成部分预算为200英镑。参与：从项目一开始就决定，硬件的主要目标是它应该构成一个具有挑战性的控制系统。因此，决定无论系统的设计应具有多个输入和输出，开环不稳定，并包含非线性动力学。最重要的是，控制的挑战将需要奖励的意义上，它将是显而易见的，以获得改进的学生通过细化控制器的设计。在研究了现有的商用教育控制硬件后，得出的结论是，不存在满足所有设计标准的设备。现有的硬件大致可分为两类。一方面，企业如作为Quanser Inc.和Goolgol Technology Ltd.提供了广泛的参与控制问题，但没有发现这些是特别便携的，并且从装备个别学生的角度来看是非常昂贵的，通常花费比200英镑的目标预算高出一到两个数量级 。 另 一 方 面 ， 美 国 国 家 仪 器 公 司 （ NationalInstruments，简称NI）已经重新...cently专门为教育市场开发了一系列低成本和便携式的“min-iSystems”。这些系统通常安装在印刷电路板上，连接到NI的入门级数据采集模块NI myDAQ，后者本身是一个低成本的便携式模块，通过USB接口连接到PC。目前的小型系统的例子包括一个自由度的直升机，振动结构和一个微型电网与太阳能电池板和传输线完成。这样的miniSystems成本约为100英镑，附带的myDAQ成本也差不多。由于其最近的发展，miniSystems尚未进入主流教学课程，然而，myDAQ的情况并非如此，它已经建立了在教育部门的立足点，主要是电气和电子工程的教学。Chesnutt和Baker（2011）、Walters（2011）和Meng-jun（2011）描述了其用于此目的的示例，曼彻斯特大学然而，在系统和控制课程方面，以及为了教授多变量控制和硬件在环（HIL）设计等子课程，我们认为目前NI miniSystems系列的动态复杂性不足以给学生（尤其是最后一年的学生）带来挑战性和吸引力。最终的硬件将需要足够的复杂性，难以通过ad-hoc/开环方法控制，因此需要基于模型的方法，其中系统模型包含一系列有趣的动态。因此，我们决定构建一个新的硬件来满足这些要求，利用NI最终的设计是基于三自由度（3-DOF）直升机，类似于Quanser公司和Goolgol技术有限公司生产的直升机。3-DOF直升机的原型如图1所示。直升机机身由两个独立控制的风扇组成，风扇通过一个短臂连接在一起。短臂可以绕着一个中点自由俯仰，该中点在第二个杆的末端枢转，称为升降臂。由于风扇不能产生足够的推力来克服它们自身的重量，机械辅助由位于升降臂相对端的可调节配重提供。该臂可绕水平面自由旋转，并且安装在竖直轴的顶上，该竖直轴在圆柱形壳体内自由旋转。坐标系如图2所示。通过这种方式，直升机可以仰角用模拟伺服电位计测量风扇控制信号和仰角测量信号通过直升机圆柱形底座内的微型滑环组件连接到滑环是必不可少的，允许无阻碍的旋转的直升机周围的旅行轴。为了降低成本和机械复杂性，桨距角不直接测量。·····第十届IFAC ACE2013年8月28日至30日。英国谢菲210××Fig. 1.系统设置，显示（1）三自由度直升机，(2)信号调理和电力电子，（3）NI myDAQ接口，（4）控制PC。图二.三自由度直升机的坐标系。仰角、俯仰角和行进角E（t）、θ（t）、Θ（t）分别以其正向示出。图中还分别显示了来自前风扇和后风扇的风扇推力矢量Fa（t）和Fb（t）。使用National Instruments myDAQ读取行程和仰角，并生成风扇控制信号。由于myDAQ本身无法直接为风扇供电，因此使用信号调节电子设备连接角度测量并为风扇提供足够的电路板的电源选择为15 V电源适配器，因为与基于电池的解决方案相比，额外电缆的不便和对电源插座的需求较小，其中更换/充电电池的麻烦将是相当大的。电子板还配备了连接，供学生连接基本的抗混叠滤波器电路，以抑制从外部源注入的传感器测量噪声。在产生机械坚固的设计方面，俯仰臂和升降臂由中空铝合金棒制成，从而使得风扇线能够穿过内部，从而受到金属部分的保护以类似的方式，直升机的圆柱形底座为风扇和传感器布线提供了保护，此外，到滑动和微妙的编码器轮。接口板和myDAQ通过螺栓连接在一起，通过15路D型连接器实现了接口板和直升机之间的连接。这使得直升机和接口板可以很容易地分离，以帮助便携性，直升机，接口板，myDAQ和电源配件的整个设置都在一个尺寸为380 220 200 mm的小型衬垫携带箱中。系统（包括携带箱）的总质量约为2 kg。在安全性方面，通过使用风扇防护装置（参见图1）实现了对旋转风扇的保护，并且接口板上的所有电子设备均为低压（≤15 V）。作为一个整体，该系统是动态丰富的，包含连续和离散时间动态的混合。该系统也是非线性的，由于三角项涉及的引力矢量（见第3节）和摩擦力的每个旋转轴。此外，该系统显示出显著的动态耦合。例如，为了改变其行进角度，直升机机体必须远离水平面俯仰，但这样做会由于推力矢量的变化而冒着损害仰角的因此，保持精确的俯仰轴控制是因此，作为一个整体，该系统为学生提供了一个具有挑战性的控制问题，需要掌握的技术，如建模，状态估计和多变量控制，以及重要的，但往往被忽视的问题，如抗混叠滤波器设计和采样率选择的理解。3. 课程设计和交付该硬件平台具有足够的灵活性，可以支持整个课程中的各种教学活动，但在第一个实例中，它被用作数据采集和快速控制器原型设计课程的一部分，在一周半的时间内向大约70名学习控制系统硕士的学生提供在课程中，学生们使用行业标准软件的组合来建模，设计和仿真多变量控制器，用于直升机的实时控制。该课程的目的是指导学生完成这些常见的工业任务，通过实际的动手学习，使用在工业中经常使用的软件和硬件工具。主要学习成果如下：配置数据采集硬件，将真实系统连接到PC。使用高级设计软件（本例中为LabView）操作真实系统。描述，设计和评估方法，以确定建模真实世界系统所需的参数。描述和评价之间的差异，首先，一个真实世界的系统和该系统的仿真模型，其次，仿真模型和用于控制系统设计的模型。描述，设计和评估控制真实世界系统的方法。·····第十届IFAC ACE2013年8月28日至30日。英国谢菲211课程预培训是状态空间控制方法和预先暴露于MATLAB和SIMULINK。假设事先不了解LabView。3.1 数据采集与虚拟仪器设计最初，学生们的任务是通过LabView配置myDAQ，以便在单独的PC卡上与一系列基本外围设备（如LED和电位计）连接。然后，学生们的任务是配置myDAQ，以实现对直升机的实时控制实际上，这相当于将风扇电压写入DAC端口，从ADC的仰角电位计读取角度，并从行程轴上的数字编码器获取角度。实现这一目标后，学生们能够从图形用户界面（或LabView术语中的“虚拟仪器”）手动控制直升机3.2 建模手动控制直升机的困难激发了对基于模型的控制的需求。首先，向学生们介绍了控制直升机绕仰角、俯仰和飞行轴运动的刚体方程分别是：JEE¨ （ t ） =−JEΘstec2 （ t ） sinE （ t ） cosE （ t ）+。 . .+g（m2l3− 2 m1l1）cos E（t）+. . .+l1（Fa（t）+Fb（t））cos（t），通过测量和实验设计和评估获得模型参数的方法。批判性地评估仿真模型与实际物理系统之间的差异。通过这样做，目的是让学生了解这样一个事实，即没有一个物理系统的模型是完美的，并且不断质疑用于构建模型的假设和方法是良好3.3 控制设计在完成直升机动力学模型后，学生们的任务是设计一个参考跟踪控制器，以命令直升机达到指定的仰角和行驶角，并遵守性能标准，如超调、稳定时间、稳态误差和控制信号饱和度。这一练习的目的是让学生将在学位课程中获得的理论付诸实践，并在短时间内这样做，以便将他们置于他们未来职业生涯中可能面临的压力之下。学生们可以自己决定控制他们的直升机以满足符号要求，但他们被建议使用一个线性多变量控制方法已经熟悉他们，如LQG控制。在问答环节中，鼓励学生从系统的非线性模型出发，解释设计此类控制器的过程。总结了一个典型的程序J（t）=−ks（t）−kd（t）+l12（Fa（t）−Fb（t）），如下所示• 线性化。雅可比线性化被用来链接-JΘΘ（ t）=cosE （t）（Fa（t）+Fb（t））sin θ（t），cosE（t）0，其中，JE、JE和JΘ是绕各个旋转轴线的惯性矩，l1、l2和l3分别是从俯仰臂枢轴到行进轴线、从配重到行进轴线以及从风扇中心到俯仰臂枢轴的距离风扇和配重的质量分别为m1和m2，而ks和kd分别为俯仰臂的弹簧和阻尼系数风扇响应由形式为Fa ，b（t）=αkaUa ，b（t）+β的仿射函数近似，其中Ua，b（t）是提供给驱动电子器件的控制电压，其在风扇操作电压范围内提供线性增益ka通过辨识实验得到了风扇的电压-推力系数α和β学生们提供了一个部分完成的直升机SIMULINK因此，学生们需要实现俯仰轴动力学，并使用相关参数（如部件质量、惯性等）填充他们的模型。然后，学生们能够从各种初始条件模拟直升机，以查看模拟的行为是否与直升机的行为相匹配。对学生来说，练习的目的有三个：掌 握 更 多 使 用 行 业 标 准 软 件 （ 如 MATLAB 和SIMULINK）解决系统工程问题的实践。在定常悬停点（E，θ，Θ）=（0，0，0）附近计算直升机动力学，从而得到一个线性的、时不变的状态空间模型（见Ap-附录A）。再次鼓励学生批判性地评估这个控制模型和模拟模型之间的差异。在定义了状态空间模型后，要求学生进行基本的稳定性分析，并验证系统离散化。由于控制器是以离散时间方式实现的，学生需要从上一步离散状态空间模型，并通过考虑直升机的动态特性和myDAQ的限制来确定合适的采样率。观察者设计。有效的控制取决于对未测俯仰角的良好估计因此，鼓励学生设计一个状态观测器，以获得合理的状态估计。为了帮助他们设计卡尔曼滤波器，学生们使用Rajamani和Rawl-ings（2009）的方法从数据中识别出一个噪声模型。状态反馈控制在线性二次调节器的设计中，学生们试验了不同的状态和控制惩罚，以实现所需的响应。通过用命令和实际仰角和行程角之差的积分来增加它们的状态向量，······第十届IFAC ACE2013年8月28日至30日。英国谢菲212图三.系统框图。学生能够设计具有积分动作的参考跟踪控制器。典型的系统框图如图3所示。在设计练习的各个阶段，鼓励学生在将控制器应用于实际硬件之前使用他们的其目的是让学生欣赏这样的模型在调试代码和合理化系统动力学的价值。在MATLAB中进行了观测器和状态反馈控制器的设计，在SIMULINK中进行了测试，并将整个控制器移植到LabView中进行了实时控制。为了在英国进行学位课程认证，该模块满足工程委员会的专业工程能力标准工程委员会（2013）规定的以下标准能够通过使用分析方法和建模技术来识别，分类和描述系统和组件的性能，能够应用与其工程学科相关的定量方法和计算机软件，以解决工程问题理解并能够运用系统方法解决工程问题。3.4 评估这门课的评估是总结性的。在课程的数据获取和建模阶段，学生通过向助教演示完成任务获得分数。控制设计阶段的评估是双重的。首先，学生们被要求写一份简短的实验报告，测试他们在建模和控制方面的知识。这样做的目的是为学生提供一个机会，以提高他们的报告写作技巧，并提供模块的领导人与检查任何抄袭的情况下的手段。其次，学生们通过简短的口头（15分钟）进行单独评估。在viva期间，每个学生都被要求演示他们的控制器，并回答评估员提出的一系列问题viva的目的是给学生施加压力，让他们提供一个可行的解决方案，同时让模块负责人检查任何损坏的硬件。4. 使用反思参加该课程的学生的反馈非常积极，绝大多数学生学生们很喜欢这门课程，他们的评论是“总的来说这门课程很优秀”和“（这个模块）是硕士课程中最有趣的模块之一”。所有的学生都认为他们在这个过程中学到了一些有用的东西，大约四分之三的学生认为他们为系统工程的职业生涯做了更好的准备。 大约三分之二的学生认为这门课程结构很好，绝大多数人会积极推荐给未来的学生。三分之二的学生在校园的其他地方使用这些设备，而不是在课堂上，超过四分之三的学生在家里使用这些硬件。对于那些在家里没有使用硬件的学生，当被问及为什么会这样时，典型的回答是他们已经在课堂上完成了练习，或者已经在校园其他地方完成了任务。本练习的最终分配时间表课堂时间学生们的压倒性意见是，这是太浓缩，没有足够的时间来获得在工厂或控制设计过程的直观理解。此外，有人认为，这一短暂的时间不允许他们充分消化课程学习或建立信心，充分欣赏的经验。然而，反馈意见表明，学生们认为这是一个非常有用和有趣的课程，提供了一个愉快的应用以前获得的知识。最后，有损坏/故障/丢失硬件的情况非常多，这表明实验室工具包足够坚固，学生们对它们保持了适当的照顾。5. 结论和未来发展为了给学生提供系统与控制课程中更多的实践经验，本文介绍了一个硬件平台的开发，该平台旨在支持在课程的不同阶段向学生讲授各种系统工程概念。硬件包括一个微型三自由度直升机，其设计成本低，便携和坚固，为个人提供“带回家的 实 验 室 ” 。 数 据 采 集 和 控 制 由 连 接 到 运 行LabView的PC的National Instruments myDAQ单元提供。在MATLAB和SIMULINK中进行建模、仿真和控制设计，并将控制器移植到LabView中，实现对硬件的实时控制反思硬件至于未来，硬件将提供给最后一年的本科生作为一个学期的课程的一部分，本课程的额外时间将使进一步的系统工程概念进行探讨。一个可能的增 加 将 看 到 单 个 直 升 机 组 件 ， 如 风 扇 ， 通 过myDAQ连接到运行直升机仿真模型的PC。这将使硬件在环概念的教学，越来越多地被用于···第十届IFAC ACE2013年8月28日至30日。英国谢菲213ΣΣ000ΣΣ2l1（αkau<$+β）JΘ−k航空航天和汽车工业。此外，正在考虑采用实验室套件来支持整个硕士课程附录A. 线性直升机模型以下状态空间模型近似关于稳定水平悬停点的直升机动力学（E（t），θ（t），θ（t））=（0，0， 0）：xs t e c（t）=Ax（t）+Bu（t），y（t）=Cx（t），其中xT（t）：= （t）和θ分别是扰动仰角、俯仰角和行程角。扰动控制输入向量被定义为uT（t）：= [ua（t）ub（t）]。系统矩阵定义为：00A：=0−−ksJ01、0 0天J0 0 0000 0l1αkal1αka 0BT：=JE0 0 0l1αkaJEJ−l1αkaJ但是，0C：=10 0 0 0 0，0 0 1 0 0 0其中u'是为了实现悬停而需要从myDAQ施加的平衡电压。引用切斯纳特角 和Baker，M.C. （2011年）。 在电路中加入NI myDAQ练习。在2011年ASEE海湾-西南年度会议上。美国工程教育学会。库克，J.A.和Samad，T.（2009年）。控制课程调查。CSS外展工作组报告，IEEE控制系统协会。工程委员会（2013年）。英国专业工程能力标准在线发布，246高霍尔本，伦敦，WC1V 7EX。孟君湖（2011年）。NI myDAQ在电子线路工程实践教学中 河北北方学院学报（自然科学版）。National Instruments（2012）. 教育影响案例研究;曼彻斯特大学。NI新闻学术版。Rajamani，M.R.和Rawlings，J.B.（2009年）。用半定 规 划 和 最 优 加 权 估 计 数 据 的 扰 动 结 构 。Automatica，45，142Walters，M.（2011年）。正在进行的工作-工具和技术，以实现学生的个人实验室。在教育会议前沿，F1G-1-F1G-2。00 10000 01000 00000 000