2013年8月国际自动控制联合会IFAC第10届研讨会：基础过程控制教学修订意见及实践案例

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。英国谢菲尔德过程控制芬恩·豪根 * 和谢尔·埃里克·沃尔登 ***Telemark University College，Kjolnes ring 56，N-3914，Norway（电话：+47 97019215;电子邮件：finn. hit.no）。**Telemark University College，Kjolnes ring 56，N-3914，Norway（电话：+47 35575173;电子邮件：kjell.e.hit.no）。翻译后摘要：本科和硕士生的基础过程控制教学的修订意见。实践主题的强调是以牺牲一些传统的理论主题。以交互式模拟器、教学视频和一些相同的便携式实验室设备的形式出现的新教材提高了教学质量。主要结果是增加了课程的实用性和更多的内容的学生和教师。关键词：控制;教学;课程;实验室;仿真;实践;理论。1. 介绍过程控制基础课程的教学是一项具有挑战性的任务。有很多实际和理论的主题，包括或排除。本科课程应该包括哪些主题？我们，作者，在线性系统和频率响应理论方面长大。在我们自己的教学中主要再现这些知识是很容易的，我们做了很多年。然而，通过评估我们和其他人的经验，从解决实际控制问题和听取意见，从关键的学生，使我们逐渐改变了我们的教学基本过程控制的看法。在本文中，我们提出了我们改变教学实践，我们取得的经验。我们在这里讨论的控制课程是在我们大学学院的学士和硕士研究生课程。学生们在开始控制课程之前已经完成了微积分，物理和化学的基础课程。2. 我们的控制课程曾经是我们过去讲授的控制基础课程的结构和内容如下：课程以理论为导向。该理论包括数学现象学（“第一原理”）建模、状态空间模型、非线性模型的线性化、拉普拉斯变换、传递函数、动态响应的分析计算、频率响应、基于特征值、极点和频率响应的稳定性分析、使用传递函数模型的前馈控制设计。课程的第一部分涵盖了系统理论，为随后的主要基于理论的控制主题提供必要的背景。学生创建模拟器或使用教师在SIMULINK中提供的预制模拟器。这些模拟器没有提供完整的“实时”或动态体验，因为模拟运行仅在几分钟内完成。实验室分配是基于频率响应分析和设计的实验。实验站很少，所以每组学生人数相对较多（4 - 6人）。3. 有什么问题？每年的课程由学生进行评估，以下是学生的主要意见：这门课程由于涉及理论（数学）而要求相对较高。控制的基本原则很难掌握，因为它们被理论分散和模糊。具有工业背景的学生声称某些理论主题没有用，因为它们实际上没有应用于实际实施。从导师的角度来看，也有一些问题：由于进行实验室练习的可能性非常有限，每组的学生人数多达4 - 6人，而我们假设最佳的小组规模是2名学生。课程中几乎没有时间或几乎没有时间用于涵盖传感器和执行器技术。因此，学生和教师都对课程提出了问题。根据反馈控制原则，我们认为必须实施© IFAC 108 10.3182/20130828-3-UK-2039.00069第十届IFAC ACE2013年8月28日至30日。英国谢菲109基于这些“偏移”。4. 我们如何改变课程4.1 一种新的整体结构：更多的实践和控制系统结构-少理论修改课程当然必须考虑到课程的目标。简单地说，过程控制基础课程的主要目的是使学生能够解决实际的，真正的控制问题，对于许多学生来说，这是他们唯一的控制课程。谁打算准备更高的，控制理论研究的学生，将采取其他课程，为这些研究做好准备。几年来，我们已经逐步实施了本科层次的基本控制课程的许多变化，以增加该课程的实用性。这些变更在以下各小节中描述。本课程为5 ECTS。事实证明，在这些变化实施后，学生没有传达像第3节中提到的批评意见。以前，我们的课程通常有以下按时间顺序排列的整体结构，大致基于“理论先于实践”：1.课程概述和动机2.基于现象学数学模型、拉普拉斯变换、传递函数和频率响应的3.反馈控制4.PID控制器5.基于传递函数和频率响应的6.PID控制器在时域和频域的整定。7.控制结构，例如串级控制和全厂控制我们现在把这个顺序颠倒成了“实践先于理论”。最普遍的变化是控制结构在课程的早期教授，许多理论主题被遗漏。新结构如下。1.课程概述和动机2.反馈控制原理，包括。学生可以使用预制的模拟器模拟几个实际案例。3.控制结构，例如串级控制和全厂控制。4.基于唯象数学模型和一阶线性微分方程的5.PID控制器6.仅 用 实 验 方 法 进 行 PID 控 制 器 整 定 ， 包 括Skogestad的基于模型的方法（2003）用作开环阶跃响应方法。4.2 交互式实时模拟器我们在课程中包含了相对简单、专注的模拟器。模拟器在SimView库（Haugen，2012 a）中，该库目前包括47个免费 提供 的 信号 ，动 态 系统 和 控制 模 拟器 。模 拟 器在LabVIEW（National Instruments）中实现，但可以在安装了免费LabVIEW运行时引擎的Windows PC上运行。模拟器实时运行，或按比例实时运行。它们是交互式的，因为输入和参数的调整立即生效。SimView模拟器在讲座和练习中被广泛使用。模拟器的示例包括：时间常数带阀门和泵出口的木片罐液位控制系统，见图。3.液罐速度伺服分离器列PID控制器的反向/正向作用，见图。四、防缠绕串级控制前馈控制图三.纸浆厂木片槽液位控制系统模拟器的前面板。(The噪声控制信号（在左边）是由于添加到纯电平测量信号的随机测量噪声。第十届IFAC ACE2013年8月28日至30日。英国谢菲110见图4。模拟器的前面板演示控制器的反向和正向动作补充讲座的教学视频此外，还为学生提供教学录像作为辅助学习材料，以方便那些希望“在家”学习的学生进行“翻转课堂”教学。这些视频被收集在一个名为TechVids（Haugen，2011）的库中，该库目前包含19个免费提供的教学流视频，涵盖动力学和控 制 主 题 。 该 库 还 包 括 MATLAB ， SIMULINK 和LabVIEW等计算机工具的教学视频。大多数视频都是讲师在展示Powerpoint幻灯片时口头解释主题的录音，然后是讲师运行模拟器。同样的模拟器可供学生在播放视频时运行。视频标题示例：反馈控制前馈控制控制系统如何变得不稳定PID控制器中的反向或直接作用？PI（D）控制器Ziegler-Nichols法增益调度串级控制带缓冲罐的时间常数和积分器动态平行实验室钻机基本控制课程应包括一个涵盖基本控制主题的实际实验室练习。此外，为了优化学习效果，学生应分组，每组两名学生。为此，我们在内部建造了11个平行（相同）的空气加热器形式的便携式实验装置，见图5。出风口温度采用PI控制器控制。(We也有六个相同的便携式水箱供我们使用，用于类似的演习。）图五.空气加热器+ I/O设备+ PC机用于实验室练习基本PID控制该控制器是在一个预制的LabVIEW程序中实现的，学生可以从互联网上下载，见图6。计算机程序通过基于USB的I/O设备（NI USB-6008）与空气加热器通信。练习内容包括控制器整定、闭环控制与开环控制（“盲控制”）的比较、稳定性、反向和直接控制器动作、测量噪声过滤和数据记录。演习持续5个小时。要求学生在预定的练习时间结束时写一份简短的报告。不需要LabVIEW编程技能。见图6。前面板的LabVIEW程序用于实验室关于温度控制的练习.使用符合ISA 5.1标准的在修订课程的开始，学生熟悉ISA（国际自动化学会）5.1管道仪表图（P ID）的标准，可在ISA主页上找到，例如McAvinew等人（2004年）提出。在课程的后面，一个关于绘制一个描绘一个温度传感器2脉宽调制器（PWM）AC/DC转换器电加热器PWM指示器空气管Pt100/毫安传感器温度传感器1风空带LabVIEW电源电缆（220/110开/关开关USB电缆3 x电压AI（温度1，温度2，风扇指示）1 x电压AO（加热）风扇转速调节NI USB-6008用于模拟I/O第十届IFAC ACE2013年8月28日至30日。英国谢菲111不K控制系统使用微软公司的绘图工具。图中包含P ID的符号。在离散时间域而不是连续时间域在课程中，我们介绍了连续时间PID控制器，实验PID整定方法以前我们教学生如何在频域中调整PID控制器。然而，我们必须承认，我们不知道许多实际的过程控制回路中的PID控制器是在频域中调谐因此有在我们的基本生活中，乌特鲁山 KtKctdK T德雷什特（一）课程我们决定专注于简单的，实验性的马恩奇 0我Cddt方法 像 齐格勒-尼科尔斯极限 增益方法然而，我们已经发现，在离散时间域中比在连续时间域中更容易解释PID控制器功能的行为。此外，离散时间PID控制器比连续时间控制器更符合实际。因此，我们向学生展示如何通过对积分和导数项应用简单的数值近似来离散（1）。结果是下面的（这里假设是众所周知的）PID算法，其（几乎）准备好在计算机中实现：（1942），结合我们与工业自动调谐器相关的Restrøm-Hägglund的继电器调谐器，用于PI调谐的良好增益方法（Haugen，2012 b），该方法处理了Ziegler-Nichols方法中 的 几 个 问 题 ， 以 及 Skogestad 的 基 于 模 型 的 方 法（2003）用作实验开环阶跃响应方法。我们所利用的Skogestad方法的一个强有力的方面是PID参数被表示为过程参数的函数，从而提供有用的规则，乌达克拉吉乌人 uP 克雷蒂克拉克鲁岛克雷蒂克阿维尼翁Dt（二更）如果所述传感器、所述致动器或所述过程中的参数改变，则调整所述控制器参数。哪里uPkKcet（三）非线性模型我们不再教导基于前馈的传递函数uI tk 拉克鲁岛tkKcTset我不是（四）控制 相反 我们 展示如何 利用非线性动力学现象学模型直接在前馈控制器。模拟应用是动态定位的uD tkTdett Ts（五）船舶和加热罐的温度控制。我们还教实验前馈设计的基础上查表。该表包含多个干扰测量值其中Ts是采样时间。我们发现，用（4）比用（1）更容易解释积分项迫使稳态控制误差为零的能力，用（5）比用（1）更容易解释微分项加速和抑制（稳定）控制的能力。此外，使用（5）比使用（1）更容易解释测量噪声的放大和导数反冲。测量噪声及其处理方法测量噪声在大多数实际控制回路中普遍存在。PID控制器的导数项可能导致控制信号变得非常嘈杂。我们让学生在模拟器和真实实验中体验有问题的测量噪声，并让他们观察使用低通测量滤波器和/或停用导数项以应对问题的重要性。测量滤波器通常以时间常数滤波器或移动平均滤波器的形式在工业控制器中可用。滤波器以离散时间算法（差分方程）的形式给出。对于时间常数滤波器，我们从定义滤波器的微分方程开始，然后展示如何离散滤波器。对于PID控制器，我们认为离散时间滤波器比连续时间滤波器更容易解释。我们提出了随机噪声标准差的滤波衰减作为滤波器时间常数和采样时间的函数。比较了时间常数滤波器和滑动平均滤波器。并且将前馈控制信号的相应值作为稳定状态下的PID控制信号。一个模拟的应用是热交换器的温度控制。省略拉普拉斯变换和传递函数在我们短短的5 ECTS基本过程控制课程中，我们采取了戏剧性的一步，从课程中省略了拉普拉斯变换和传递函数。根据我们的经验，这些理论工具在实际控制设计和实施中并不起重要作用。保留这些工具的一个理由是它们用于计算时间响应。然而，我们仅限于一阶动力学，对于这样的系统，微分方程足以计算时间响应。传递函数对于频率响应和稳定性分析非常有用。虽然这是真的，我们甚至忽略了频率响应和理论稳定性分析，见下文。省去了使用频率响应传统上，频率响应的波特图被用来描述控制系统的时域特性。虽然频率响应提供了对动态系统和控制系统的动态行为的一些了解，但现实世界的信号很少是正弦的，因此频率响应对于传递时间的有用性是有限的。第十届IFAC ACE2013年8月28日至30日。英国谢菲112实际控制系统的域行为是有问题的。我们更相信通过模拟和实验来深入了解动态和稳态（静态）行为，这些模拟和实验具有更真实的信号形式，如阶跃，常数和随机噪声。省略频率响应与Edgar等人的报告中工业界人士对该主题的低优先级是一致的。（2006）和Haugen（2009）。省略了理论稳定性分析，但保留了稳定性在我们的基本过程控制课程中，我们省略了理论稳定性分析。这是由于理论稳定性分析（无论是基于极点/特征值还是频率响应）对给定的实际控制系统缺乏直接适用性。然而，稳定性对于实际的控制系统来说是一个非常重要的概念，因此，我们在课程中也包括了这一点。我们通过假设PI（D）控制回路可能由于以下回路参数中的至少一个的增加而产生稳定性问题，以直观的实验方式引入稳定性：环路增益环路时延回路时间常数我们强调，这些增加可能出现在控制回路中的任何块中，例如，在执行器中，在过程（工厂）中，在传感器中，在测量滤波器中，或在控制器中。我们经常使用图3所示的液位控制系统的模拟器来演示这些效果。我们还应用Skogestad的PID控制器的方法，看看如何可以调整控制器，以保持控制回路的稳定性，如果控制回路参数的情况下发生变化。例如，假设由于某种原因，图3所示的木片罐系统中的传送带的运输延迟增加了三倍。这将使控制系统不稳定。如何调整PI控制器参数以保持稳定性？使用Skogestad的方法，您可以发现控制器增益应减少三倍，积分时间应增加三倍。如果您在课程中省略了频率响应的稳定性分析，您就失去了一个定义稳定裕度（如增益裕度和相位裕度）的传统工具。然而，增益裕度仍然可以使用实际或模拟控制回路的实验行为来定义。甚至相位裕度也可以使用实际或模拟回路的实验行为来定义（Haugen，2012 b），因为相位裕度PM可以计算为360*T延迟/Pu，其中T延迟是导致持续振荡的边际稳定性的时延增加，Pu是这些振荡的周期。然而，到目前为止，我们还没有在我们的课程中引入实验相位裕度的概念，但我们计划在2013年秋季引入。虽然我们省略了许多理论分析（和设计），但我们向学生强调这种分析（和设计）在控制应用（如运动控制）和研究中的重要性。自动化专业的学生确实学习了这些理论，但在“无理论”的介绍之后。传感器和执行器技术省略了几个理论主题释放时间涵盖传感器和执行器技术，这使得课程从实践的角度来看显得更加完整。模拟器的实现动态仿真器对于控制系统的测试和培训非常有用。如果底层模型足够精确，模拟器甚至可以用于控制器整定。在一个关于基本过程控制的短期课程中，几乎没有时间来介绍控制系统的动态仿真器的实现。在允许模拟器实现的课程中，我们推荐基于框图的工具，如SIMULINK和LabVIEW，因为图形模型表示。我们的经验，从课程涵盖模拟器建设是，粗略地说，它足以教学生如何代表一个标量非线性微分方程的框图。我们已经发现几乎不需要传递函数块;时间常数测量滤波器可以直接从其微分方程实现，使得容易实现滤波器输出的适当初始值（通常初始值是非零值，等于要滤波的相关过程变量的初始值）。应使用PID控制器、时间延迟等的内置模块，除非目的是从头开始构建这些模块。实现标量非线性微分方程的一种有效方法是只使用两个块，即积分时间导数的积分器块和一个“文本代码块”，在其中写入非线性微分方程的右侧。该文本代码块的输出是连接到积分器块的输入的时间导数。根据微分方程，可能存在从积分器输出到模块的反馈。图7示出了这种方法。该图示出了用于图3中描绘的木片罐的液位控制系统的SIMULINK 框 图 。 名 为 MATLAB 函 数 的 块 包 含 以 下MATLAB代码，其包括槽中芯片的质量平衡的右侧：函数dh_dt = func_dh_dt（w_out，w_in，params）rho=params（1）;A=params（2）;dh_dt=（1/（rho*A））*（w_in/60-w_out/60）;MATLAB函数是SIMULINK中的一个多功能块，因为几乎任何MATLAB代码都可以在该块中编写，并且在编辑函数头时自动创建该块的输入和输出端子。在此液位控制系统的LabVIEW实现中，公式节点可以与MATLAB第十届IFAC ACE2013年8月28日至30日。英国谢菲113SIMULINK中的函数块。在公式节点中，可以编写C代码。见图7。图1是木片储罐液位控制系统的SIMULINK框图。3.5. 经验我们在基础控制教学中从理论教学向实践教学转变的经验是积极的。这主要是因为我们现在发现，我们教的主题更适用于实际控制问题比我们过去教的许多主题。此外，学生对课程的评价总体上比以前更加积极。我们认为这是由于课程的理论内容减少，但也选择的主题的适用性。引用Edgar，Th.F. Ogunnaike，文学士，唐斯，J.J.，Muske，K.R. Bequettee，B.W.（2006年）。改革本科过程控制课程。计算机化学工程，30，1749Haugen ， F. （ 2009 年 ） 。 Industrifolks syn pestrianautomatiseringsutdanningen ， 挪 威 语 。 （ 英 文 名 ：Industrial Perspective on Control Education）AMNytt，2 ， 2009. 这 篇 文 章 可 在 www.example.com 上 查 阅http://techteach.no/publications/amnytt/web。Haugen，F.（2011年）。技术视频http://techteach.no/techvids的网站。Haugen，F.（2012年a）。SimView。 http://techteach.no/simview。Haugen，F.（2012年b）。PI控制器简单实验整定的良好增益方法，建模，识别和控制，33，4：141-152。doi：10.4173/mic.2012.4.3。McAvinew，Th.，和Mulley，R.（2004年）。控制系统文件。国际自动化学会（ISA）。斯科格斯塔德湾（2003年）的报告。模型简化和PID控制器整定的简单分析规则，J. Process Control，13，pp.291-309.Ziegler，J.G.，Nichols，N.B.（1942年）。《自动控制器的最佳设置》，美国机械工程师学会会刊，第64卷，页。759-768.