《控制工程基礎》雙語課程虛擬實驗系統設計

朱　甦，陳新新，代乾龍

南京理工大學紫金學院

《控制工程基礎》雙語課程虛擬實驗系統設計

朱甦，陳新新，代乾龍

南京理工大學紫金學院

針對《控制工程基礎》雙語教學具體實踐中學生對抽象理論和概念難以理解的問題，本文利用MATLAB仿真軟件的用戶界面GUI模塊開發設計了用戶界面友好的《控制工程基礎》雙語課程虛擬實驗系統平臺。該平臺用仿真實驗手段取代傳統的模擬實驗，能夠讓學習者可以直接了解實驗過程中參數如何選擇并直觀的看出參數變化對系統的影響。

控制工程基礎；雙語教學；虛擬實驗系統；MATLAB

1　引言

《控制工程基礎》是高等院校自動化及電氣信息類的核心專業課程。但是該課程理論性強，知識覆蓋的范圍寬廣，學生很難理解與掌握抽象的理論和概念，尤其是其中一些復雜的計算和繪圖，手工計算和繪制工作量大，不夠精準，甚至有些是手工無法完成的。隨著時代的發展，虛擬化和智能化已經成為了未來高校課程及實驗室的一個重要發展方向。

目前國內外已經有很多科研機構和組織開展了一系列虛擬實驗系統的研究和建設工作。尤其是國外的一些頂尖學府，如麻省理工學院的“在線實驗室iLab”已經成為該校在校學生實驗教學和遠程教學的不可或缺的教學軟件。還有德國Ruhr大學網絡虛擬實驗室，該實驗室是一個關于控制工程的學習系統，通過直觀的三維實驗場景視覺效果，依賴各個虛擬實驗設備的仿真特性實現對虛擬實驗的交互式操作。與發達國家相比，國內開展的工作較少，存在的差距也較大。

目前很多高校《控制工程基礎》課程教學中還處于傳統課堂講授加模擬實驗階段，即利用電子模擬實驗臺和示波器，在實驗臺上連接典型環節或系統，再施加典型信號，通過示波器觀察響應曲線和各項性能指標。這種方法可以一定程度上鍛煉學生的動手能力，但有一定的局限性，學生在實驗室中只能盲目的接線和調節元件參數值，對于所調節的參數與系統性能的關系難以理解，且觀察效果不理想，實驗缺乏趣味性，不利于激發學生的實驗主動性和創新意識。

我校于2015年3月對《控制工程基礎》課程開展了雙語教學工作，體現了高等教育的國際化趨勢和要求，但是雙語教學的實施對師生都提出了更高的要求。筆者采用當前國際上自動控制領域的計算機輔助設計首選軟件MATLAB進行編寫，利用其用戶界面GUI模塊設計出一個用戶界面友好的《控制工程基礎》虛擬實驗系統平臺。該平臺用仿真實驗手段取代傳統的模擬實驗，能夠讓學習者可以直接了解實驗過程中參數如何選擇并直觀的看出參數變化對系統的影響。最大特點就是學習者本身不需要具備太多的MATLAB編程知識就能夠很方便的操作和使用，并且有效的提高雙語教學的效果。

2　虛擬實驗系統的組成

該實驗系統是在MATLAB R2012a版本的語言平臺上開發的，采用總分的設計思路，首先確定好整個系統的總體框架，即主界面的設計。其次選取五個控制系統中的基本模塊外加一個返回模塊作為總體框架的子系統。在代碼的實現上采用M文本進行編寫。代碼完成后再對每個模塊進行調試，最后再對界面進行優化。全程采用英文界面演示。

本系統的主界面是本著用戶可以很快了解該軟件的功能并且可以簡單地通過圖形用戶界面來進行操作的原則設計的。主界面如圖1所示。在進入主界面后，可以看到由六個模塊組成：根軌跡圖，穩定性分析，控制模型輸入，時域響應，頻域響應等五個模塊。這是該程序的主體，包含了各個模塊界面的鏈接，用戶通過點擊相應的模塊就可以進入相應的此界面也就是子窗口進行自己所需要的仿真設計。還有一個模塊是退出系統，在用戶結束使用時退出MATLAB或者退出實驗窗口所設計的。

圖1　主界面設計

圖2　根軌跡設計

3　子系統設計及實現

該系統包含了5個子系統，以下就典型模塊的實現進行闡述。

3.1根軌跡圖設計

3.2系統時域響應分析

在經典控制理論中，時域響應分析就是指在時域內，研究在各種形式的輸入信號的作用下，系統輸出相應的時間特征，就是對系統施加一定形式的輸入信號，然后在研究系統相應的輸出量隨著時間的變化而變化的規律。特別適用于一階和二階系統性能的分析和計算。

圖3　時域分析

3.3頻域響應分析

在自動控制系統中，頻域分析法（又稱頻域響應法）是分析和設計自動控制系統的一種有效地經典的方法。是奈奎斯特在1932年提出來的。由于傳遞函數只是對系統內部結構的一種不完全描述，只能表征其中直接或間接地由輸入可控制和從輸出中可觀測到的那一部分。故本設計引入狀態空間方程進行編寫，開發了波特圖（又稱對數頻率特性曲線圖），開環奈奎斯特圖和閉環奈奎斯特圖。如圖4所示。選擇示例進行分析，已知系統的狀態空間表達式為：

圖4　頻域分析

3.4穩定性分析

穩定是控制系統的重要性能之一，所謂穩定性，就是指系統在受到的擾動消失后恢復到原平衡狀態的能力。判斷系統穩定的方法有很多，例如有勞斯穩定性判據，赫爾維茨穩定性判據，奈奎斯特穩定性判據等。

本設計依據空間狀態方程進行編寫代碼的。首先求出狀態方程的零極點圖，然后在進行穩定性的分析。如圖5所示。選擇示例進行調試，已知系統的狀態空間表達式為：

圖5　穩定性分析

4　結論

《控制工程基礎》雙語教學的虛擬實驗系統平臺的設計與開發是根據教學內容的需要來選取的，能夠輔助學習者在完成控制系統中分析與設計過程中所涉及的多種傳遞函數的計算和繪圖，為學習者提供一個簡單方便的系統分析和綜合的軟件操作平臺。本設計中系統輸入形式的多樣化，可以輸入函數的零極點形式，學習者通過不同的分子，分母來改變函數的響應曲線；具有精確地繪制出系統傳遞函數的Bode圖、Nyquist圖、根軌跡圖、沖擊響應曲線圖等繪圖功能；能夠根據學習者所給出的參數分析系統的穩定性；能夠實現傳遞函數與狀態空間方程兩種模式的轉換而且界面美觀，操作簡單，易于應用，滿足了雙語學習的需求，達到了良好的教學效果。

［1］陸綺榮.基于虛擬儀器技術個人實驗室的構建［M］.北京：電子工業出版社，2006：11-13.

［2］鄒湘軍，孫健，何漢武.虛擬現實技術的演變發展與展望［J］.系統仿真報，2004，（9）：9-11.

［3］潘豐，徐穎秦.自動控制原理［M］.北京：機械工業出版社，2010.

［4］Richmond P.，Chen D.，A model predictive control package for undergraduate education.Education for Chemical Engineers，2012，e43-e50.

南京理工大學紫金學院2013年度教育教學改革與研究課題“《控制工程基礎》課程雙語教學的探索和實踐”（項目編號為20130102004）。

朱甦（1982-），女，漢族，江蘇南京人，南京理工大學紫金學院講師，研究方向為控制理論和控制工程。