基于數字孿生模擬的飽和非線性實驗教學方法研究

王立國，鄭雪梅，劉 麗

（哈爾濱工業大學a.電氣工程及自動化學院；b.化工與化學學院，哈爾濱 150001）

0 引言

自動控制理論實驗教學中，非線性問題以其抽象晦澀、求解過程紛繁冗雜增加了教學的難度，加之與之相匹配的實驗很難體現非線性變化的機理，因此亟待就此進行改進。教學中，由于非線性本質問題不能應用經典線性理論去處理，因此面對諸如波形畸變、參數跳變及自持振蕩等非線性獨具的特色問題，如何形象直觀地演示非線性發生機理、梳理其所涉及的學習要點，一直是自動控制理論實驗教學中一個值得深入探究的難點［1-2］。

數字孿生（Digital Twin）方法的提出可為自動控制理論非線性實驗教學問題提供求解思路。有別于傳統模型，數字孿生強調虛實對象交互，能實時更新與動態演化，實現對物理對象的動態真實映射，實質在于運行歷史等數據，集成多學科、多物理量、多尺度的仿真過程，在虛擬空間中完成實際物理對象的模擬［3-6］。難點在于推導合理的模型維度、數據維度、連接維度、服務／功能維度及物理維度［7-10］。因此數字孿生方法可以使非線性教學從“現實”發展到“虛擬”［11-15］，使抽象的概念變得具體，促進非線性教學過程的智能化與數字化進程。

本文以自動控制理論教學中的飽和非線性為出發點，以哈爾濱工業大學-伊頓工程實踐教育中心3HP直流電動機電樞電流振蕩為背景，開發飽和非線性數字孿生課堂模擬與演示體系。涵蓋飽和非線性描述函數分析、電樞電流傳函推導及其Nyquist穩定性分析等相關環節?！?br>