面向工科人才培养创新的自适应控制教学实验平台及实验教学模式研究

In the field of automation education, there exists an inclination that the engineering major becomes more and more scientific. In this study, the development of engineering education innovation-oriented automation teaching experiment platform and the research on experimental teaching pattern are expected, with the course of adaptive control as a pry point. Based on the discussion about the industrial implementation mechanism, and safety and reliability issues of adaptive control, a teaching experimental platform, which reflects the characteristics of adaptive control, will be built in industrial environment. The plant to be controlled has the synthetic characteristics, including open loop unstable, non-minimum phase, operating condition variation, multiple disturbances, multiple-input and multi-output, nonlinear and so on, which correspond to those key knowledge points of adaptive control theory. The control system will designed in EIC integration according to industrial standard. The industrial environment-oriented experiment platform software for adaptive control will also be developed, in which the core algorithms are open to students and researchers. Then, combined with the key knowledge points of adaptive control theory, teaching experiment design of adaptive control, which meets the multi-level experimental requirement of confirmatory experiments, open experiments and research experiments, will be presented. Thus an experimental teaching pattern of adaptive control for engineering students will be provided, and a valuable attempt for engineering education innovation in university will be made.

针对当前自动化教学存在工科专业理科化的问题，本项研究期望以自适应控制课程为撬点，开展面向工科人才培养创新的自动化教学实验平台及实验教学模式的研究。密切结合工业自动化需求，在探讨自适应控制的工业实现机制及安全性可靠性的基础上，搭建面向工业环境的能够体现自适应控制特点的教学实验平台，其中被控过程对象具有与自适应控制理论知识点相对应的开环不稳定、非最小相位、工况变化、受多种干扰作用、多输入多输出、非线性等复杂特性，按照工业标准配置的仪表电气DCS三电一体化集成设计的控制系统，并且研发工业环境下对核心算法开放的自适应控制实验平台软件。基于上述实验平台，结合自适应控制理论体系中的关键知识点开展自适应控制的教学实验设计，探索建立一套适合工科学生的自适应控制实验教学模式，以满足多层次（验证型实验、开放型实验和研究型实验）的教学实验需求，为高等教育工科人才培养创新做出有益的尝试。

长期以来，自动化教学存在着工科专业理科化的问题，以自适应控制课程为例，教学过程中单纯依赖仿真实验、缺乏物理实验，算法理论与工业应用脱节，影响教学效果。本项目针对自适应课程的实验教学开展探索研究，研发了工业环境下面向物理实验的自适应控制教学实验平台，其中被控对象平台可以灵活配置出具有非最小相位、开环不稳定、工况变化、受多种干扰作用、可改变时滞等复杂特性的多个被控对象，控制系统平台按照工业标准配置了具有硬线、现场总线等多种通讯模式的DCS/PLC控制系统和柔性切换智能通道系统。针对自适应控制实验教学需求，研发了工业环境下对核心算法开放的由基础功能模块、平台功能模块、算法功能模块组成的协同运行于DCS/PLC控制系统的过程控制站、监控计算机以及模型计算机之上的自适应控制教学实验平台软件。结合自适应控制课程教学的理论体系和关键知识点，建立了包含常规递推最小二乘和增广递推最小二乘等辨识算法以及包含最小方差调节器、最小方差控制器、广义最小方差控制器、极点配置控制器、最小方差自校正调节器、最小方差自校正控制器、广义最小方差自校正控制器、极点配置自校正控制器等控制算法的实验案例库。在此基础上，提出了面向课堂教学的验证型实验、面向课程设计的开放型实验和面向自由探索的研究型实验三个层次的自适应控制课程的实验教学模式，对自适应控制课程的实验教学实践进行了初步的尝试。该项工作可以推广借鉴到过程控制、系统辨识、智能控制技术、先进控制技术等多门自动化学科课程中，将对自动化教学改革起到一定的推动，为工科创新人才培养做出贡献。