自動控制原理的仿真實驗教學設計

隋修武++黃杰++孟建軍++申衛(wèi)國

DOI：10.16660/j.cnki.1672-3791.2016.19.119

摘 要：自動控制原理是測控技術與儀器專業(yè)的重要主干課，該門課程的實驗教學是提高基礎理論教學效果，增強學生對控制系統(tǒng)深入認識的重要手段。由于各高校的實際校情不同，實驗條件相差很大，很多學校無法進行有成效的在實驗臺上的實驗，而進行控制系統(tǒng)的仿真是解決這一問題的有效途徑。針對上述問題，建立了自動控制原理的計算機仿真實驗體系，只需借助于MATLAB/SIMULINK軟件，即可完成各種控制系統(tǒng)的分析、研究和實驗。

關鍵詞：測控技術與儀器 自動控制原理 MATLAB/SIMULINK 計算機仿真

中圖分類號：G420 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2016）07（a）-0119-02

1 自動控制原理的實驗教學

自動控制原理這門課理論性強，比較抽象，學生學習有一定的難度，因此實驗環(huán)節(jié)教學效果的好壞對學生牢固掌握課堂理論知識、提高教學效果起著非常重要的作用。在目前普遍課時壓縮，教學要求提高的前提下，實驗教學要解決以下幾個方面的問題：如何加深學生對課程中基本概念基本理論的理解；如何提高學生理論聯(lián)系實際的能力；如何培養(yǎng)學生實踐動手能力、分析解決控制過程中實際問題的能力；如何在實驗教學中融入新的科技發(fā)展成果，培養(yǎng)利用現(xiàn)代化的實驗和仿真手段快速檢驗和實現(xiàn)新的控制理論和算法的能力。

2 自動控制原理的計算機仿真實驗體系

采用MATLAB/SIMULINK軟件進行仿真，可以避免對專用實驗場地的依賴，可以進行各種控制試驗，完成實驗效果，達到實驗目的。自動控制原理的教學內容比較豐富，包括經典控制理論、現(xiàn)代控制理論，既涉及線性時不變系統(tǒng)，又涉及非線性系統(tǒng)，既涉及連續(xù)系統(tǒng)，又涉及離散系統(tǒng)。仿真實驗采用兩種模式，一種是運用MATLAB語言進行編程，完成相應的控制系統(tǒng)的構建和性能分析，一種是采用MATLAB中集成的仿真環(huán)境SIMULINK進行模塊化設計。該文僅以少學時的自動控制原理中講到的經典控制理論中的線性時不變連續(xù)系統(tǒng)為例加以說明。仿真實驗內容主要包括：控制系統(tǒng)建模；各類模型之間的轉化；復雜控制系統(tǒng)的化簡；典型輸入信號分析；典型環(huán)節(jié)的響應分析；二階系統(tǒng)的性能指標分析；采用多種方法進行系統(tǒng)穩(wěn)定性分析；線性系統(tǒng)的根軌跡分析；控制系統(tǒng)的頻域特性及頻域性能指標分析；系統(tǒng)校正效果分析等。

下面以典型二階系統(tǒng)的階躍響應為例，介紹一下MATLAB腳本語言編程與SIMULINK模塊仿真。該實驗的目的是通過改變系統(tǒng)動態(tài)模型的參數(shù)，研究二階系統(tǒng)的重要參數(shù)阻尼比對系統(tǒng)動態(tài)響應的影響。二階系統(tǒng)的傳遞函數(shù)為：，比較當=10，=0，0.25，0.5，0.7，1.2時系統(tǒng)的響應特性。

采用MATLAB語言編寫的腳本文件：

Wn=10；

Kosi=[0，0.25，0.5，0.7，1.2]；

Num=Wn^2；

figure（1）

hold on

for i=1：5

Den=[1，2*Kosi（i）*Wn，Wn^2]；

t=[0：0.01：4]；

Step（Num，Den，t）

end

hold off

title（Step Response）

響應曲線如下：

從圖中可以清楚地看到二階系統(tǒng)的響應規(guī)律，當一定時，隨著的增加，振蕩減弱，超調減少，調節(jié)時間減小。

同樣，可以采用SIMULINK建立二階系統(tǒng)的控制模型，通過雙擊示波器Scope，可以看到SIMULINK的仿真曲線。

通過仿真實驗可以體會到，二者均可以有效地進行控制系統(tǒng)的仿真，可以有效地達到實驗目的。采用SIMULINK構建系統(tǒng)模型更加方便快捷，而采用MATLAB腳本語言則更能鍛煉同學的邏輯思維能力。

3 結語

通過仿真實驗，不僅能幫助同學們深入熟悉和掌握自動控制原理的基本知識，而且能鍛煉同學們的邏輯思維和編程能力，為其以后在測控系統(tǒng)設計和計算機控制算法的實現(xiàn)方面打下堅實基礎，對自動控制原理的教學起到畫龍點睛的作用。

參考文獻

[1] 隋修武，李大鵬，張宏杰，等.基于“課程群建設”及“浸潤式實踐”的測控專業(yè)人才培養(yǎng)模式[J].教育教學論壇，2013（49）：140-141.

[2] 鄭勇，徐繼寧，胡敦利，等，自動控制原理實驗教程[M].北京：國防工業(yè)出版社，2010.