典型案例仿真技術在《控制工程基礎》教學中的應用

劉文秀，郭　偉

（1.韶關學院物理與機電工程學院,廣東韶關512005；2.廣東松山職業(yè)技術學院,廣東韶關521005）

典型案例仿真技術在《控制工程基礎》教學中的應用

劉文秀1，郭偉2

（1.韶關學院物理與機電工程學院,廣東韶關512005；2.廣東松山職業(yè)技術學院,廣東韶關521005）

摘要：針對高等教育教學改革的要求,在《控制工程基礎》教學過程中,依據(jù)課程的特點,引入系統(tǒng)仿真技術.通過典型案例仿真教學的方式,利用MATLAB軟件實現(xiàn)對案例的建模、時域分析、頻域分析及控制器的設計.實踐證明,利用這種豐富的教學手段把學生從復雜的數(shù)學推導、數(shù)學計算中解脫出來,通過形象的圖形化用戶界面,激發(fā)了學生的學習興趣,調(diào)動了學生的學習積極性,使控制理論更加容易被學生接受、消化.

關鍵詞：控制工程；MATLAB；飛思卡爾；典型案例

機電工業(yè)是我國最重要的支柱產(chǎn)業(yè)之一.《控制工程基礎》理論在機械工程領域中有舉足輕重的作用,該課程也是機械制造及自動化、機械電子工程、交通工程等專業(yè)的必修課,它能夠把機和電的知識有效的結合,形成有效的控制策略及控制方法.因此這門課程對將來從事機械相關專業(yè)工作是十分有益的［1］.

《控制工程基礎》這門課程內(nèi)容偏抽象,工程實踐性較強,涉及數(shù)學知識廣泛,因此課程的學習需要學生具有扎實的高等數(shù)學、復變函數(shù)等數(shù)學基礎知識.但是由于學生的這部分基礎知識掌握的不夠扎實牢固,特別是對學科交叉的內(nèi)容理解與應用不強,最終導致本門課程的學習困難較大.傳統(tǒng)的教學方法中,任課教師感覺學生難教,學生感覺課程理論偏強,偏重于理論推導,理解困難,最終產(chǎn)生對課程學習的畏懼感.通過本門課程的教學改革,引入計算機仿真技術,使教學的實驗環(huán)節(jié)與理論知識緊密的結合起來,調(diào)動學生學習本門課程的學習興趣,這樣更有利于教育和培養(yǎng)學生,加強理論知識的理解.

針對教學改革目標,按照高等教育課程改革的基本要求,遵循學生學習能力培養(yǎng)的基本規(guī)律,按照教學內(nèi)容,從簡單到繁瑣,從容易到困難,循序漸進的給定學生典型項目和學習的任務,利用計算機仿真技術的優(yōu)勢,達到較高水平的學習效果.全國大學生“飛思卡爾”杯智能汽車競賽是以單片機為核心的大學生課外科技競賽.智能小車的設計內(nèi)容涵蓋了控制、模式識別、傳感技術、汽車電子、計算機、機械、能源等多個學科的知識［2］.課程教學過程中采用智能小車這種綜合工程案例讓學生了解課程的重要性［3］,并提供以往學生獲獎的比賽視頻,激發(fā)學生的學習興趣,了解控制本質(zhì),為課程的教學開個好頭.

1　智能小車控制系統(tǒng)的建模

在小車控制系統(tǒng)中,要實現(xiàn)對小車速度進行實時檢測及控制,盡可能使小車按照道路條件所允許的最高速度進行行駛.如圖1是一個簡化了的智能小車速度控制系統(tǒng)的方框圖.

圖1　智能小車速度控制系統(tǒng)方框圖

2　智能小車系統(tǒng)時域響應分析

依據(jù)具體小車的模型,參照飛思卡爾官方數(shù)據(jù),直流電動機的數(shù)學模型可以用二階系統(tǒng)的傳遞函數(shù)表示.根據(jù)驅(qū)動電機學和動力學公式,直流電機轉(zhuǎn)速的數(shù)學模型引用王虎的論文《基于模糊自適應PI控制的智能車的設計與研究》中的數(shù)學模型為［4］∶

時域響應分析是分析系統(tǒng)特性的重要方法之一,它是時間域研究中,在一定的輸入信號的作用下系統(tǒng)輸出隨時間的變化情況.這種分析方法對學生來說直觀、簡便,易于理解.但是在傳統(tǒng)的分析過程中,通常采用部分分式展開法把復雜的傳遞函數(shù)展開成典型環(huán)節(jié)的串并聯(lián)形式,然后再利用拉普拉斯反變換,得出時域響應,這種方法計算量大、繁瑣,對于數(shù)學基礎比較差的學生,無疑增大了學習負擔.

采用MATLAB軟件的控制系統(tǒng)分析工具箱可以很方便的實現(xiàn)對系統(tǒng)的時域分析［5］.具體操作為∶在MATLAB環(huán)境下,啟動simu1ink,在新建的空白模型窗口中,搭建如圖2所示的模型.然后依次點擊too1s菜單→Contro1Design→Linear Ana1ysis…,在彈出的窗口中點擊1inearize mode1,就可以實現(xiàn)對系統(tǒng)的時域分析,在生成的曲線圖上可以讀出上升時間、調(diào)整時間、穩(wěn)態(tài)值等重要的時域響應性能指標.系統(tǒng)響應曲線如圖3所示.由響應曲線可以看出系統(tǒng)的動態(tài)過渡時間長,需要設計合理的控制器提高小車的速度.

圖2　simulink下搭建系統(tǒng)模型圖

圖3　系統(tǒng)響應曲線圖

3　智能小車系統(tǒng)頻域分析

頻率特性分析是經(jīng)典控制理論中研究和分析系統(tǒng)特性的主要方法.利用此方法,將傳遞函數(shù)從復數(shù)域引到具有明確物理概念的頻域來分析系統(tǒng)的特性是極為有效的.它是一種對控制系統(tǒng)圖解的分析方法,具有形象、直觀、簡便和計算量少的特點.利用MATLAB的M文件可以很方便的繪制出系統(tǒng)的頻率特性圖.具體的程序代碼如下∶

num＝71218；den＝［1 475 32］；

subP1ot（121）；bode（num,den）；

subP1ot（122）；nyquist（num,den）；

生成的系統(tǒng)頻率特性圖如圖4所示.系統(tǒng)的轉(zhuǎn)

折頻率為0.019 rad/sec,由nyquist曲線可以看出曲

線不包圍（-1,j0）點,系統(tǒng)穩(wěn)定.

4　智能小車控制器的設計

控制器的設計主要是以PID控制器為基礎,在simu1ink環(huán)境下構建系統(tǒng)的模型,按照PID參數(shù)整定的方法可以方便的實現(xiàn)PID控制器參數(shù)的設計.這里采用4∶1衰減曲線法整定調(diào)節(jié)器參數(shù).首先采用純比例度作用下的自動調(diào)節(jié)系統(tǒng),在比例度逐漸減小時,出現(xiàn)4∶1衰減振蕩過程,此時比例度為4∶1衰減比例度δs,兩個相鄰同向波峰之間的距離為4∶1衰減操作周期TS.通過實驗得出智能小車系統(tǒng)中當比例系數(shù)為14時,響應曲線出現(xiàn)4∶1衰減,如圖5、圖6所示.

由圖6曲線可以讀出TS＝0.006 43,此時比例度δS＝14.針對智能小車控制系統(tǒng)對其速度控制通過實驗證明采用PI控制器即可實現(xiàn)小車的速度的快速調(diào)節(jié).依據(jù)表1,得出PI參數(shù)為KP＝0.2×δS＝2.8,Ti＝0.5× TS＝0.003 22.此時小車的響應曲線圖如圖7所示.比較圖1和圖7,可以讓學生清晰的明白控制器的加入對系統(tǒng)控制的重要性.

圖4　系統(tǒng)頻率特性圖

圖5　純比例度作用下的自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)

圖6　純比例度作用下的自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)4:1衰減響應曲線

表1　4:1衰減曲線法PID參數(shù)整定經(jīng)驗公式

圖7　加入PI控制器后的小車系統(tǒng)速度響應曲線圖

5　結語

將系統(tǒng)仿真技術融入到《控制工程基礎》的理論與實踐教學中,利用最合適的教學典型工程案例實現(xiàn)仿真,即豐富了課堂的教學內(nèi)容,改善了教學效果,又易于學生理解和領會控制理論中的抽象內(nèi)容,激發(fā)了學生的學習興趣,調(diào)動了學生的學習積極性,節(jié)約教學硬件設備的同時培養(yǎng)了學生的創(chuàng)新能力,對提高學生分析問題、解決問題的能力培養(yǎng)也起到了及其重要的作用.

參考文獻:

［1］王偉,申愛明,林順英,等.MATLAB在《控制工程基礎》課程中的應用［J］.安徽師范大學學報∶自然科學版,2011,34（2）：142-144.

［2］蔡述庭.智能汽車競賽設計與實踐［M］.北京∶北京航空航天大學出版社,2012.

［3］袁明新,王琪,洪磊,等.機械控制工程中案例化教學的改革及實踐［J］.當代教育理論與實踐,2012,4（5）：137-139.

［4］王虎,郎朗,余雪瑋,等.基于模糊自適應PI控制的智能車的設計與研究［J］.安徽工程大學學報,2013,28（1）：44-47.

［5］楊秀萍,郭悅虹,王收軍.Mat1ab仿真在《控制工程基礎》教學中的應用［J］.制造業(yè)自動化,2011,33（4）∶58-59.

（責任編輯∶李婉）

中圖分類號：TP13

文獻標識碼：A

文章編號：1007-5348（2015）10-0100-04

［收稿日期］2015-07-09

［基金項目］韶關學院2014年高等教育教學改革與研究項目（70312-000015）.

［作者簡介］劉文秀（1980-）,女,蒙族,內(nèi)蒙古通遼人,韶關學院物理與機電工程學院講師,碩士；研究方向∶自動控制.

APPllcatlon of TyPlcal Case Slm ulatlon Technology ln the Teachlng of Control Engineering Base

LIUWen-xiu1,GUOWei2
（1.Institute of Physics and Mechanica1&E1ectrica1Engineering,Shaoguan University,Shaoguan 512005；2.Songshan Po1ytechnic Co11ege,Shaoguan 521005,Guangdong,China）

Abstract:Because of the requirementof higher education reform in university,in the teaching Process of contro1engineering base,according to the characteristics of the course,the system simu1ation techno1ogy is introduced.In the case of the teachingmethod,the MATLAB software is used to rea1ize themode1ing,time domain ana1ysis,frequency domain ana1ysis and contro11er design of a tyPica1 case.In Practice,it is Proved that using rich teachingmethod can free students from the comP1icated derivation,and mathematica1ca1cu1ation.Through the graPhica1user interface of image it can stimu1ate the students＇interest in 1earning,and mobi1ize students＇1earning initiative.Itmakes the contro1 theorymore easi1y accePted and digested by the students.

Key words:contro1engineering；MATLAB；Freesca1e；tyPica1case