仿真在自動(dòng)控制系統(tǒng)中應(yīng)用

高云霞，張梅風(fēng)

（青島工學(xué)院，山東 青島 266300）

仿真在自動(dòng)控制系統(tǒng)中應(yīng)用

Simulation in automatic control system

高云霞，張梅風(fēng)

（青島工學(xué)院，山東 青島 266300）

仿真技術(shù)是虛擬實(shí)驗(yàn)的重要組成部分，它能解決傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)資源缺乏或性能不足的缺點(diǎn)，使真實(shí)系統(tǒng)的控制過程再現(xiàn)，從而節(jié)約了成本，且收到良好效果。通過將自動(dòng)控制理論與仿真有效結(jié)合的實(shí)踐教學(xué)，提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)效率和動(dòng)手能力，也給為教師的教學(xué)提供了更為廣闊的發(fā)展空間。

MATLAB仿真；自動(dòng)控制；教學(xué)實(shí)踐

控制系統(tǒng)仿真是我院自動(dòng)化專業(yè)大四第一學(xué)期的專業(yè)技能課程，將自動(dòng)控制原理、現(xiàn)代控制、過程控制和系統(tǒng)仿真有效結(jié)合起來，許多真實(shí)系統(tǒng)或控制器的性能都無法在實(shí)驗(yàn)設(shè)備上來實(shí)驗(yàn)，而仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)芙鉀Q這一問題，它彌補(bǔ)了現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)設(shè)備和條件不足的缺點(diǎn)，用虛擬模型模擬真實(shí)系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。因此，研究仿真在自動(dòng)化專業(yè)的應(yīng)用意義重大。

1 將知識(shí)點(diǎn)模塊化

打破按照課本上的章節(jié)順序排列的方式來授課，改成按知識(shí)點(diǎn)分層次的方式授課，每個(gè)知識(shí)點(diǎn)后面跟一定習(xí)題練習(xí)，做到由淺入深、重點(diǎn)難點(diǎn)突出，層層深入，使學(xué)生當(dāng)堂掌握和鞏固。總共分為八大模塊：

（1）矩陣基本應(yīng)用；

（2）MATLAB二維和三維繪圖；

（3）MATLAB建模與應(yīng)用；

（4）系統(tǒng)時(shí)域分析、根軌跡分析和頻域分析；

（5）系統(tǒng)PID控制器應(yīng)用；

（6）MATLAB在現(xiàn)代控制理論中應(yīng)用；

（7）MATLAB工具箱的應(yīng)用；

（8）MATLAB在串級(jí)、前饋、大滯后和特殊工藝要求的過程控制的實(shí)例應(yīng)用。

其中，每個(gè)知識(shí)點(diǎn)做最簡(jiǎn)練的講述，然后讓學(xué)生時(shí)間上機(jī)做鞏固練習(xí)，將重要的知識(shí)點(diǎn)和典型案例的應(yīng)用結(jié)合起來，便于學(xué)生充分掌握和理解，并能熟練應(yīng)用、舉一反三。

例如：在矩陣基本運(yùn)算中把矩陣運(yùn)算和求解微分方程、系統(tǒng)特征方程根以及系統(tǒng)的秩結(jié)合起來，能判斷穩(wěn)定性和能控能關(guān)性；在繪圖中，把二維圖形繪制和曲線擬合和插值運(yùn)算結(jié)合起來；在PID控制器設(shè)計(jì)中，與自控原理中的校正結(jié)合起來，有助于學(xué)生融會(huì)貫通；在實(shí)例應(yīng)用中，將過程控制與仿真結(jié)合，進(jìn)行設(shè)計(jì)控制方案和控制器，并驗(yàn)證系統(tǒng)魯棒性，這樣能將所學(xué)知識(shí)理解和充分應(yīng)用。

這樣設(shè)計(jì)教學(xué)內(nèi)容，既能在短學(xué)時(shí)內(nèi)讓學(xué)生掌握基本內(nèi)容，又能做知識(shí)體系相互聯(lián)系，提高學(xué)生動(dòng)手能力和應(yīng)用能力，為分析實(shí)際問題和做畢業(yè)設(shè)計(jì)課題打好基礎(chǔ)。

2 設(shè)計(jì)典型案例教學(xué)

傳統(tǒng)的教學(xué)內(nèi)容是，上完課做課后練習(xí)，這些練習(xí)往往只是練習(xí)了簡(jiǎn)單的個(gè)別知識(shí)點(diǎn)，缺少提高性的題目，因此通過課程改革，課后習(xí)題僅作為基礎(chǔ)題目，增加總綜合設(shè)計(jì)的習(xí)題，既能讓學(xué)生系統(tǒng)掌握所學(xué)重點(diǎn)內(nèi)容，又提高應(yīng)用能力，為學(xué)生創(chuàng)新實(shí)踐打好基礎(chǔ)。例如：

（1）主蒸汽溫度控制系統(tǒng)的PID控制器設(shè)計(jì)，包括系統(tǒng)工藝分析，串級(jí)方案設(shè)計(jì)，PID控制器設(shè)計(jì)，階躍仿真實(shí)驗(yàn)和抗干擾實(shí)驗(yàn)；

（2）單級(jí)倒立擺系統(tǒng)控制器設(shè)計(jì)與仿真，這個(gè)課題應(yīng)用比較多，可以設(shè)計(jì)狀態(tài)反饋控制器、狀態(tài)觀測(cè)器、最優(yōu)控制器等，加上實(shí)驗(yàn)室配有固高科技公司的倒立擺實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，很容易進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和抗擾實(shí)驗(yàn)分析；

（3）直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)，分別研究單閉環(huán)系統(tǒng)和雙閉環(huán)V-M調(diào)速系統(tǒng)的建模，調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)和仿真實(shí)驗(yàn)。

3 課堂授課方式改革

改變傳統(tǒng)單純的教師講授，學(xué)生聽這一教學(xué)模式，教師只講述基本重點(diǎn)和難點(diǎn)，其余時(shí)間交給學(xué)生，并增加教師啟發(fā)引導(dǎo)和師生互動(dòng)環(huán)節(jié)，比如設(shè)置仿真時(shí)間的大小，可以讓學(xué)生自己設(shè)置時(shí)間，觀察仿真結(jié)果，如果看不見仿真曲線或者仿真曲線很密很多，那么這就是仿真時(shí)間設(shè)置過小而看不見完整曲線，或者仿真時(shí)間設(shè)置過大而曲線太密，看不清楚整個(gè)過程，這個(gè)教學(xué)過程，教師可以引導(dǎo)學(xué)生通過設(shè)置時(shí)間觀察結(jié)果進(jìn)而掌握時(shí)間常數(shù)的重要意義，達(dá)到學(xué)生掌握牢固又能靈活應(yīng)用的目的。

再比如如何在系統(tǒng)中加入干擾，程序設(shè)計(jì)和Simulink下分別如何加干擾，引導(dǎo)學(xué)生自行設(shè)計(jì)與分析。

4 考核方式調(diào)整

為充分考查學(xué)生的實(shí)際掌握情況，考慮公平公正的原則，取消紙質(zhì)試卷的考試方式，期末改為大作業(yè)形式的考查，教師至少出10個(gè)題目，要求學(xué)生自選5個(gè)題目完成在規(guī)定時(shí)間內(nèi)完成，作業(yè)內(nèi)容需要按照要求寫，學(xué)生自行組織好語言，寫出系統(tǒng)設(shè)計(jì)的具體步驟和成果，如果寫大作業(yè)期間遇到不懂的可以請(qǐng)教老師和同學(xué)，目的是讓學(xué)生掌握重要的知識(shí)點(diǎn)，大作業(yè)占期末成績(jī)的50%，另外50%由平時(shí)作業(yè)和出勤各占25%構(gòu)成，這樣既能保證大四學(xué)生出勤率，又能體現(xiàn)學(xué)生的實(shí)際能力。

經(jīng)過青島工學(xué)院自動(dòng)化專業(yè)學(xué)生兩年的實(shí)踐教學(xué)，提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)能力，為學(xué)生畢業(yè)設(shè)計(jì)和畢業(yè)實(shí)習(xí)奠定了一定基礎(chǔ)，得到了廣大師生的一致好評(píng)。

［1］ 胡壽松. 自動(dòng)控制原理第四版［M］. 北京：科學(xué)出版社2001.

［2］ 薛定宇，陳陽泉. 基于MATLAB/Simulink的系統(tǒng)仿真技術(shù)與應(yīng)用［M］. 北京：清華大學(xué)出版社，2002.

［3］ 孫洪程，李大宇. 過程控制工程［M］. 北京：高等教育出版社2006. 2.

［4］ 張曉華，控制系統(tǒng)數(shù)字仿真與CAD［M］. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2010. 2.

［5］ 朱開立，周春暉. MATLAB基礎(chǔ)及其應(yīng)用教程［M］. 北京大學(xué)出版社，2009.

TP13；TP319

1009-797X （2015） 18-0094-02

A

10.13520/j.cnki.rpte.2015.18.035

高云霞（1978-），女，畢業(yè)于青島工學(xué)院，碩士學(xué)歷，講師職稱，研究方向?yàn)楣I(yè)過程先進(jìn)控制。

2015-08-12