雷 萌 代云飞 邹 亮 常俊林

(中国矿业大学 信息与控制工程学院, 徐州 221116)

控制理论基础实验课程群，以“自动控制原理”“计算机控制技术”“过程控制”等课程理论为指导，主要开展基础理论验证的实验教学活动[1-4]。为适应新兴工业发展、建设一流本科课程，根据教育部《关于一流本科课程建设的实施意见》、《新工科研究与实践项目指南》等文件精神，中国矿业大学在验证实验的基础上，独立开设提高型实验教学类(综合性实验、设计性实验)的“控制系统综合设计与实验”课程[5-7]。

课程要求学生对实际控制系统的结构、系统中各环节的关系、控制器的应用及控制系统的整定等建立起完整的概念，能独立地进行常规控制系统的工程实验，以培养学生利用所学理论知识分析、解决实际问题的能力。目前，我国各高校在该类课程的实验教学活动中，存在实验设备传统陈旧、虚拟平台的模拟环境脱离实际工程环境等问题[8-10]。因而，在实际的教学环节中，实验内容不连续，实验活动的开展受时空限制较强，学生盲目按指导书籍进行，实验缺乏自主创新性，对实验参数意义的理解模糊[11-12]。鉴于此，围绕控制理论基础实验课程群建设，设计一种新颖的、实物与虚拟并进的控制理论基础类课程教学实验平台是十分有必要的。

通过模拟农舍家禽饲养过程，将基础控制理论课程中涉及的转速、温度及液位等控制系统实物化，利用农舍内部多系统类型、多控制变量、多控制方式的特点，在同一个实物模型中有效地展示出不同性质的控制系统。依托该平台，可完成控制系统的认知、建模与辨识、时域分析及校正设计分析等实验教学内容。其中“校正设计分析”主要用于探究经典PID、最小拍及Smith预估等控制器对系统性能影响，可开展综合设计性的实验教学活动。此外，模型还预留有太阳能供电、机器视觉监控及废弃物自动回收等功能，用于学生创新与工程能力的培养。

1 研发背景

新研发的仿农舍模型基础控制理论教学实验平台，以STM32为核心控制器，利用Keil uVision5集成环境与Labview虚拟仪器完成代码编写，实现了硬件系统与可视化操作界面的对接。该平台实物模型大小为70×60×60(cm)，主要包括水位滞环控制、恒温孵化、定时供料、卷帘门电机调速、排风扇以及照明控制等模块，如图1所示。

图1 仿农舍3D模型

图2 农舍自动控制系统总体框图

2 平台设计

2.1 系统总体结构

基于仿农舍模型的基础控制理论实验教学平台，采用12 V供电电压，引入多传感器融合控制技术，辅以图形化操作界面，实现包括照明、通风、滞环供水、定时供料、恒温孵化和卷帘门调速等6大系统的有效运行，其功能结构的总体框图如图2所示。该实验平台分为上位机监控模块与下位机执行模块两大部分。打开设备电源开关，交流电源经变压器转化为直流电为平台供电，上位机监控界面可以实时检测下位机各被控变量状态。上位机界面中的各种功能按键可以通过串口通信，控制下位机各被控对象状态，下位机在上位机给出使能信号或者给定信号值时，也可以通过Keil软件选择合适的控制算法，使仿农舍模型中的被控对象具有良好的动态与稳态性能。

2.2 硬件设计

仿农舍模型硬件部分，以STM32为微处理器，与其外围电路所构成的下位机主控板，可实现照明、通风、滞环供水、定时供料、恒温孵化和卷帘门调速等子功能模块的控制，如图3所示。各子功能模块的具体设计如下：

图3 下位机主控板实物图

照明和通风系统均为简单的开环控制。照明灯选用2835LED灯珠板，通风系统选用14 cm风扇(小2P接口)。

供料系统属于程序控制，需在固定时刻供给饲料。在上位机的喂食界面中设定投喂时间，每当上位机的固有时间与所设定的投喂时间相同时，发出命令打开饲料桶的阀门进行投喂。

供水系统属于滞环控制，需保持实际水位在高低限位之间。在水槽壁上安装2个水位传感器，以模拟设定的高低限位。当实际水位大于高限位则关闭供限位门，小于低限位则打开阀门。

孵化箱可设定为开环、闭环两种控制方式。加热器选用DC(直流)12 V、140 ℃PTC恒温发热片，驱动模块选用BTS7960；温度测量选用DS18B20型温度传感器，实时地将数据传输到上位机监控界面。当系统在在闭环控制方式下工作时，用户可在控制器编程区，通过设计PID控制器的参数，实现温度的最优控制；也可通过编写Smith预估、最小拍等其它控制算法，研究不同控制算法策略与控制器参数设计对系统性能的影响。

卷帘门为控制方式可选(开环、闭环)的直流电机调速系统。选用GM12N20直流减速电机带动卷帘门的升降，其自带码盘磁性霍尔编码器可以检测转速，驱动模块选用L298N。当系统在闭环控制方式下，可完成的实验操作内容与孵化箱类似。

2.3 监控软件设计

基于Labview虚拟平台开发实验平台的上位机监控软件，主要分为监测与控制两部分进行。设计思路为：首先，通电并打开上位机使能开关，通过RS232串口将数据读取到缓冲区；然后，将这些数据(字符串)转化为数组函数，通过索引数组函数将其发送到对应的各子系统中，并展现在子系统功能的监控界面上；最后，在监控界面设置控制参数或使能开关，根据各输入控件状态的比较运算，将控制指令发送到下位机各端口，以完成下位机运行的控制操作。

监控界面由简单控制、运动控制和温度控制等3个模块构成，具有通信设定、设定值输入、开关控制、转速/温度实验显示、控制器参数设定、数据保存等功能。“简单控制”界面主要包括通信、照明、通风、供料及供水等模块，如图4所示；“运动控制”界面为卷帘门-电机测速控制模块，如图5所示；“温度控制”界面为孵化箱-温度控制，如图6所示。

通过虚拟平台和实物模型上下位机的结合，不仅令学生对“自动控制原理”“计算机控制技术”等理论性课程知识产生直观认识，还可以作为“控制系统综合设计”等研究性实验课程的教学平台。面对实际可操作的实物系统，有利于帮助学生构建自己的思维导图，加深对理论知识的理解，同时还能锻炼其动手操作能力。与传统的实验仪器相比，仿农舍模型实验平台集中了多种被控量，方便学生学习，利用多种软件形成更加复杂的控制算法，同时人性化的上位机界面更为直观地将实时数据反馈给实验人员。

图4 “简单控制”界面

图5 “运动控制”界面

图6 “温度控制”界面

3 基于仿农舍模型的教学开展

3.1 实验教学开展

基于仿农舍模型的基础控制理论教学实验平台，包括水位滞环控制供水、恒温孵化箱、定时供料、卷帘门电机调速、排风扇以及照明等模块，预留有太阳能供电、机器视觉监控等模块待开发。在同一模型中，展现开环控制、闭环控制、过程控制和顺序控制等多种控制方式，通过各种控制方式的结合与对比，让学生和用户形象直观地分析不同控制方式的优缺点。此外，在闭环控制的基础上，还可探究PID、最小拍、大林算法和Smith预估等控制器的设计对控制效果的影响。预期可辅助完成开闭环控制系统的分析实验、数字PID控制实验、温度控制实验、电机控制实验等实验教程，研究校正控制器参数设计对系统性能的影响。

围绕“仿农舍模型”教学实验平台，编写了相应的教学实验指导书，包括实验守则、上位机开发环境、硬件设计及实验教学内容安排等。目前，基于该平台开展的实验教学如表1所示。

表1 基于仿农舍模型的实验教学内容

以卷帘门-调速系统模型辨识实验为例。通过实时测得电机转速的响应曲线，反推出调速系统的传递函数参数，得出实物系统的数学模型[13]。由于电机的电枢供电电压来自于直流调压模块，阶跃响应的输入值由上位机设定转速占空比表示，故可将直流调压板块与小型直流电机共同看作无延时一阶惯性环节，其传递函数如式(1)所示：

(1)

根据输入变量与阶跃响应曲线，推算出未知参数K和T1的值。

以孵化箱-温控系统PID控制器设计为例。在Keil uVision5集成环境中编写差分方程，图9为孵化箱-温控系统PID控制器的各项系数分别为Kp=20，Ki=0.2，Kd=0.02的温度控制效果。

图7 孵化箱-温控系统PID控制器设计实验结果

3.2 教学活动总结

在初期建设阶段，分别选择中国矿业大学电气工程及其自动化专业15级(开课时间2017-2018年第一学期)、16级(开课时间2018-2019年第一学期)的2个教学班(授课)作为试点，面向“自动控制原理”“计算机控制技术”及“控制系统综合设计与实验”等课程，以仿农舍模型的基础控制理论教学实验平台为研究对象，开展仿农舍模型控制系统认知(2学时)、卷帘门-调速系统模型辨识实验(2学时)、孵化箱-温控系统模型辨识(4学时)的课堂与实验教学活动。

经过对这两届学生教学效果的总结，课题组对平台装置及其实验手册不断地进行优化完善，于2019年8月参加了第2届全国高校自动化类专业青年教师实验设备设计“创客大赛”。鉴于本平台具有较强的工程系、趣味性与创新性，得到专家评委的一致好评，荣获银奖1项，如图8所示。

a) 参赛现场

b) 获奖证书图8 平台参赛情况

4 结语

仿农舍的实物控制模型作为一种比较直观的教学实验工具，涉及多门自动化类专业课程，结构简洁美观、成本低、控制对象与控制方式多、趣味性强、操作性高、拓展性好、可设计的实验教学环节丰富。设备将多种控制对象与控制方式，通过虚拟平台与实物模型的结合，在一个实物化的平台中展现出来，不仅令学生对“自动控制原理”“计算机控制技术”等控制理论知识产生直观的认识，还可作为“控制系统综合设计与实验”等综合设计性、创新性实验课程的研究平台。面向实际可操作的仿农舍模型实物系统，通过一系列训练加深学生对复杂工程系统的理解，便于对本领域相关专业的学生开展控制技能培养，提高其分析解决控制领域复杂工程问题的能力，为国家社会输出高素质的自动化工程技术人才。