Matlab／MPC工具箱在《预测控制》课程教学中的应用

２０１４年２月　教育教学论坛　Ｆｅｂ．２０１　４　第９期　ＥＤＵＣＡＴＩＯＮ　ＴＥＡＣＨＩＮＧ　ＦＯＲＵＭ　ＮＯ．９　【教法研究】　Ｍａｔｌａｂ／ＭＰＣ］￣具箱在《预测控制》课程教学中的应用　赵敏，江艳霞　（上海理工大学光电信息与计算机学院控制科学与工程系，上海２０００３９）　摘要：《预测控制》是大多控制理论与控制工程专业硕士的专业基础课。本文利用Ｍａｔｌａｂ／ＭＰｃ工具箱图形用户界面　（ＧＵＩ）的控制器设计与分析功能，通过对《预测控制》课程中位置伺服对象进行控制器设计与分析，将抽象的理论与仿真　实验相结合，使学生更好地掌握理论知识，培养学生解决实际问题的能力，说明了使用Ｍａｔｌ如辅助《预测控制》课程教学的　有效性。　关键词：预测控制；Ｍａｔｌａｂ；ＧＵＩ；仿真；ｇｏ学研究　中图分类号：Ｇ６４２．０　文献标志码：Ａ　文章编号：１６７４—９３２４（２０１４）０９—００４９—０３　一、引言　设计和分析的函数。利用这些函数可以方便的设计控制器，　预测控制是上世纪７０年代后期产生的一类新型计算机　通过仿真获得系统直观的控制效果，有助于学生对算法的　控制算法，是继ＰＩＤ控制之后在过程控制应用中最广泛、有　理解和学习。这些函数包括：系统模型辨识函数，通过多变　效的控制算法。它直接产生于工业过程控制的实际应用，并　量线性回归方法计算脉冲响应模型和阶跃响应模型；模型　在与工业应用的紧密结合中不断完善和成熟，具有良好的　建立和转换函数，建立ＭＰＣ￣Ｅ具箱使用的ＭＰＣ状态空间模　鲁棒性和控制效果。在石油、化工、冶金、机械等行业的过程　型，并完成各模型之间的相互转换；模型预测控制器设计和　控制系统中得到了成功的应用，已成为处理复杂约束多变　仿真工具，分别面向阶跃响应模型和状态空间模型完成控　量控制问题的公认标准ｌｌｌ。《预测控制》是双控专业硕士重要　制器设计和仿真；系统分析工具，计算系统频率响应、极点　的专业课程之一，该课程是以实际＿［业生产过程为背景，以　和奇异值等。除此之外，Ｍａｔｌａｂ／ＭＰＣ工具箱还有一个基于人　控制理论为基础发展起来的，主要向学生介绍预测控制的　机交互界面的预测控制器设计工具，设计者可以根据菜单　基本算法理论，从而使学生理解过程控制的基本原理和概　提示一步一步的完成控制器设计，之后利用Ｓｉｍｕｌｉｎｋ库中的　念，对培养学生解决实际应用问题的能力有着重要的作用。　预测控制模块进行调用，对复杂的预测控制系统进行仿真。　预测控制属于先进过程控制领域，先进过程控制（ＡＰＣ）是　在Ｍａｔｌａｂ命令窗口中，直接键人ｍｐｃｔｏｏｌ用于启动ＭＰＣ　对那些不同于常规单回路控制，并具有比常规ＰＩＤ控制更　设计工具，在图形界面的左侧会出现被控对象（Ｐｌａｎ　ｍｏｄ—　好的控制效果的控制策略的统称，主要应用于包含大量复　ｅｌｓ）、ＭＰＣ控制器（Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒｓ）和仿真器（Ｓｃｅｎａｒｉｏｓ）三个栏　杂多变量的控制问题回。因此《预测控制》课程具有理论性　目。随后打开被控对象的模型输入窗口，选择存于Ｍａｔｌａｂ．Ｔ．　强、与实际联系紧密，以及涉及面广的特点，对学生理论基　作空间或磁盘中的被控对象模型文件，同时设置被控对象　础和设计能力要求较高，这造成该课程较为抽象难学，采用　输入输出信号的属性，如输入信号类型为控制变量（Ｍａｎｉｐ—　常规的课堂Ｐ　授课方法难以激起学生的学习兴趣，不能　ｕｌａｔｅｄ），可测干扰信号（Ｍｅａｓ．ｄｉｓｔｕｒｂ．）或不可测干扰信号　适应专业技术课程的发展要求。为了改善这一现状，多媒体　（Ｕｎｍｅａｓ．ｄｉｓｔｕｒｂ．）；输出信号类型为可为测干扰信号（Ｍｅａ—　技术已经被广泛的应用于控制学科课程的课堂教学。采用　ｓｕｒｄ）或不可测信号（Ｕｎｍｅａｓｕｒｅｄ）。将输入输出信号属性设　多媒体课件结合板书的教学方法，可以将枯燥的理论知识　置完毕后，再对控制器属性进行设置，如采样间隔时间　更加形象化、具体化，在一定程度上能够改善教学效果　。　（Ｃｏｎｔｒｏｌ　ｉｎｔｅｒｖａ１）、预测时域（Ｐｒｅｄｉｃｔｉｏｎ　ｈｏｒｉｚｏｎ）、控制时域　随着计算机科学的不断发展，各种仿真软件的日益广　（Ｃｏｎｔｒｏｌ　ｈｏｒｉｚｏｎ），以及约束和权重值设置（Ｍａｎｉｐｕｌａｔｅｄ　泛应用给专业课教学提供了现代化的教学手段。其中Ｍａｔ—　ｖａｒｉａｂｌｅｓ／Ｏｕｔｐｕｔ　ｖａｒｉａｂｌｅｓ）。对被控对象和控制器模型描述　ｌａｂ语言自上世纪８０年代问世以来，以其高性能的数值计算　完毕后，在仿真器中设置仿真参数，如仿真时间（Ｄｕｒａｔｉｏｎ）、　和可视化的图形功能以及简单易学的编程方式，已被广泛　设定点（Ｓｅｔｐｏｉｎｔｓ）以及它们的信号类型（ｒｒｖｐｅ）、幅值（Ｓｉｚｅ）　应用于教学和科研当中。本文结合《预测控制》课程中被控　和作用起始时间（Ｔｉｍｅ）、周期（Ｐｅｒｉｏｄ）等。所有参数完成设　对象的特点，以系统的控制器设计为例，将Ｍａｔｌａｂ／ＭＰＣ工具　置后，通过Ｓｉｍｕｌａｔｅ对系统进行仿真，并将结果通过Ｅｘｐｏ￣命　箱ＧＵＩ的分析与综合的功能应用于《预测控制》教学中，通　令保存到Ｍａｔ１ａｈ工作空间或磁盘文件中。对于已设计完成　过简单快速的仿真实验，使学生对控制器设计的过程和控　的控制器，可以通过Ｓｉｍｕｌｉｎｋ进行调用。　制效果有更加深刻的认识和理解，从而激发学生的学习兴　综上所述，可见Ｍａｔｌａｂ的ＭＰＣ工具箱具有强大的设计　趣，提高教学质量。　和分析功能，能够对预测控制课程中所涉及到的多种基本　二、预测控制和ＭＰＣ工具箱简介吲　算法进行仿真验证，而其中基于模型预测控制设计工具的　目前《预测控制》课程所涉及的控制算法主要有基于非　图形界面更是能够避免编写代码过程，使得控制器的设计　参数模型的模型算法控制（ＭＡＣ）、动态矩阵控制（ＤＭＣ），　更加方便直观，非常适于《预测控制》课程的教学。本文在接　以及基于参数模型的广义预测控制（ＧＰＣ）和广义极点配置　下来的部分中将通过位置伺服控制对象，基于ＧＵＩ设计预　控制（ＧＰＰ）等。其中模型算法控制采用脉冲响应模型，动态　测控制仿真实验，以帮助学生对理论知识的形象理解。　矩阵控制采用阶跃响应模型，这两种模型都具有易于获得　三、仿真实例　的优点。广义预测控制和广义极点配置控制是将预测控制　假设位置伺服系统由直流电机、变速箱、弹性轴承和负　思想与自适应控制的结合，有助于提高控制系统闭环的稳　载组成，其数学模型描述如下：　定性和鲁棒性。　１　　／ｎ　＼　ｎ　『ｌ＿一　Ｍａｔｌａｂ的ＭＰＣ３￣具箱提供了一系列用于模型预测控制　ＪＬ＼ｆ　０　Ｉ＿　Ｐ／１　一　ＪＬ　（１）　４９——　２０１４年２月　第９期　教育教学论坛　ＥＤＵＣＡＴＩＯＮ　ＴＥＡＣＨＩＮＧ　ＦＯＲＵＨ　Ｆｅｂ．２０１　４　Ｎ０．９　ＴＲＩＺ］￣Ｉ！论导向的《复合材料学》教学方法探索与创新平台构建　胥焕岩，汤（哈尔滨理工大学卉，王凤春，亓淑艳，翁凌　材料科学与工程学院，黑龙江哈尔滨　１５００４０）　摘要：以ＴＲＩｚ理论为导向，对《复合材料学》课程的教学方法探索和创新平台构建进行了有意义的讨论和实践尝试。　采用立体化的教学手段、互动式的教学方式、多层次的教学模式、科学性的教学评价，对本课程的教学体系进行改革，实　现理论教学与实践教学有机对接，培养学生研究型学习能力。构建以课程设计为先导、以生产实习为纽带、以创新实验为　提升的创新平台，提高学生创新能力。　关键词：ＴＲＩＺ；复合材料学；教学方法；创新平台　中图分类号：Ｇ６４２．０　文献标志码：Ａ　文章编号：１６７４—９３２４（２０１４）０９—００５１—０３　《复合材料学》是无机非金属材料工程专业本科生的专　业平台课程，课程内容侧重于复合材料基础知识的讲授，涉　及理论性、设计性与实践性等内容。本门课程侧重复合材料　的基本概念、结构设计原理、增强体材料的性能及制造工　艺、界面结构及特征、金属基复合材料、高分子聚合物基复　合材料、无机非金属复合材料的设计原理与制造技术、工艺　等教学，课程内容相对抽象，理论枯燥难懂，而且，教学中多　以教师讲解为主，学生只是被动接受，限制了学生创新意　识，制约了学生能力的提高。因此，必须从教学创新人手，探　索教学方法，构建创新平台，以ＴＲＩＺ理论为导向，培养学生　的实践和创新能力，向社会输送优秀的无机非金属材料工　程技术人才。　关于ＴＲＩＺ理论　一统思维的条框和约束。运用ＴＲＩＺ理论，探索教学方法，构建　创新平台，实现无机非金属材料工程专业本科生的“研究型　学习”。　二、教学方法探索　、１９４６年，前苏联学者里奇邛可奇舒勒（Ｇ．Ｓ．Ａｌｔｓｈｕｌｌｅｒ）在　综合研究世界近２５０万份高水平发明专利基础上，分析了各　种技术发展进化遵循的规律模式、各种解决技术矛盾和物　理矛盾的创新原理和法则，构建了ＴＲＩＺ理论体系＿１］。ＴＲＩＺ理　论认为发明创造大多遵循共同的规律或法则，并将这些规　律和法则归纳为实现创新的４０条创新原理、４个基本分离原　理和物场模型，针对具体的问题，可用相应的解题模型得到　最佳的解决方案口Ｉ。ＴＲＩＺ理论具有三个主要的特点：（１）广　泛的适用性；（２）通用、统一的求解参数；（３）规范、科学的创　新步骤Ｉ　。ＴＲＩＺ理论强调创新能力的培养，创新的关键在于　非逻辑思维，即逆向思维Ｉ　Ｉ。ＴＲＩＺ理论认为创新是有规律可　循的，并不是灵感的闪现和随机的探索。这些规律可以指导　人们按照什么样的方法和过程进行创新，并且创新结果具　有一定的预测性和可控性。如果掌握了这些规律，就能够主　动地进行创新并对创新加以预测　。创新思维能冲破传统的　条框，大胆地质疑，敢于发表与众不同的意见和建议。创新　思维，是在普通思维方式方法的基础上发展并建立起来的，　后天培养和锻炼可以使人们形成创新思维，ＴＲＩＺ理论则可　以加速这一培养过程，尽快地养成创新思维的习惯嗣。　将ＴＲＩＺ理论应用到《复合材料学》教学中，创新性教学　得以开展，学生的创新思维得以激发，让学生更系统地分析　问题情境，更快速地发现问题本质（矛盾），更准确地确定问　题解决方法，帮助他们突破传统的思维模式和定式，打破传　１．立体化的教学手段。《复合材料学》课程承载的知识　量较大、课程的理解性和直观性较强，传统的教学手段只会　使学生得到一些感知性的知识内容，直接的体验则无法感　受，这样会加大对本门课程学习和理解的难度网。虽然ＴＲＩＺ　理论能够提供一种有效的创新工具，但是，创新的前提仍然　建立在坚实的专业基础和厚实的知识积累基础之上。为了　解决创新能力的培养，必须强调本科生对本学科基础理论、　专业知识和先进技术的系统深入的掌握，形成宽广的知识　面阁。因此，课题教学仍然不容忽视。对于《复合材料学》的课　堂教学，可以采用多媒体、ＣＡＩ课件等现代教学方法和手段，　在有限的课堂教学时间内向学生提供最多的知识量，实现　理论教学与实践教学“无缝对接”，培养学生的研究型学习　能力。　２．互动式的教学方式。传统教学多数遵循“以教师为主　体、以课堂为中心”的规则，这种教学方法严重束缚了学生　的学习思维和创新，更忽视了创新能力的培养，同时，课堂　气氛呆板沉闷，难以激发学生的学习兴趣［７１。在《复合材料　学》课堂教学中积极尝试师生互动式的新型教学方式，培养　学生独立学习能力，学生为主，教师为辅，引导学生自主学　习、独立思考。利用现代教学手段，让老师走下讲台，和学生　近距离互动，调动学生参与课堂教学的积极性和主动性，感　受参与的快乐和思考的愉悦。另一方面，也让学生大胆地走　上讲台，讲出自己的想法和创新，培养科学的思维方式。教　学中注意发现并积极开发学生的创新潜能，善于捕捉学生　创新思维的亮点，多层面、多维度地培养和开发学生的创新　能力与创新个性。同时，在《复合材料学》课堂教学中积极倡　导并推行“研究教学”、“项目教学”、“案例教学”的实施，在　课堂教学中多提出一些与工程实践密切相关的创新问题，　进一步强化基础理论与工程实际问题的结合。　３．多层次的教学模式。根据创新培养的普遍需求，紧密　跟踪复合材料国际研究前沿，用最新的科研成果充实教学　内容，使之与不同创新型人才的培养有机地结合起来，构建　２【｝０５．　２０１２．　【４】唐红．Ｍａｔｌａｂ在《自动控制原理》课程教学中的应用研究Ｕ１．教育　教学论坛，２０１３，（６）：６１．　ｆ５１罗健旭，顾幸生，刘漫丹，俞金寿，孙京浩．过程控制工程课程　教学的创新与改革ｔｌ１．化工高等教育，２０１２，（２）：１９—２２．　【６】周建兴．ＭＡＴＬＡＢｋＫ￣．门到精通【Ｍ】．北京：人民邮电出版社，　基金项目：上海市重点学科建设资助项目（￥３０５０１　ｏ　作者简介：赵敏，上海理工大学讲师，研究方向预测控　制，电力电子技术应用等；江艳霞，上海理工大学讲师，研究　方向模式识别与智能系统。　５１