《控制工程基礎(chǔ)》雙語課程虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

朱　甦，陳新新，代乾龍

南京理工大學(xué)紫金學(xué)院

《控制工程基礎(chǔ)》雙語課程虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

朱甦，陳新新，代乾龍

南京理工大學(xué)紫金學(xué)院

針對《控制工程基礎(chǔ)》雙語教學(xué)具體實(shí)踐中學(xué)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(fā)設(shè)計(jì)了用戶界面友好的《控制工程基礎(chǔ)》雙語課程虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)平臺。該平臺用仿真實(shí)驗(yàn)手段取代傳統(tǒng)的模擬實(shí)驗(yàn)，能夠讓學(xué)習(xí)者可以直接了解實(shí)驗(yàn)過程中參數(shù)如何選擇并直觀的看出參數(shù)變化對系統(tǒng)的影響。

控制工程基礎(chǔ)；雙語教學(xué)；虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)；MATLAB

1　引言

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

目前國內(nèi)外已經(jīng)有很多科研機(jī)構(gòu)和組織開展了一系列虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的研究和建設(shè)工作。尤其是國外的一些頂尖學(xué)府，如麻省理工學(xué)院的“在線實(shí)驗(yàn)室iLab”已經(jīng)成為該校在校學(xué)生實(shí)驗(yàn)教學(xué)和遠(yuǎn)程教學(xué)的不可或缺的教學(xué)軟件。還有德國Ruhr大學(xué)網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)室，該實(shí)驗(yàn)室是一個關(guān)于控制工程的學(xué)習(xí)系統(tǒng)，通過直觀的三維實(shí)驗(yàn)場景視覺效果，依賴各個虛擬實(shí)驗(yàn)設(shè)備的仿真特性實(shí)現(xiàn)對虛擬實(shí)驗(yàn)的交互式操作。與發(fā)達(dá)國家相比，國內(nèi)開展的工作較少，存在的差距也較大。

目前很多高?！犊刂乒こ袒A(chǔ)》課程教學(xué)中還處于傳統(tǒng)課堂講授加模擬實(shí)驗(yàn)階段，即利用電子模擬實(shí)驗(yàn)臺和示波器，在實(shí)驗(yàn)臺上連接典型環(huán)節(jié)或系統(tǒng)，再施加典型信號，通過示波器觀察響應(yīng)曲線和各項(xiàng)性能指標(biāo)。這種方法可以一定程度上鍛煉學(xué)生的動手能力，但有一定的局限性，學(xué)生在實(shí)驗(yàn)室中只能盲目的接線和調(diào)節(jié)元件參數(shù)值，對于所調(diào)節(jié)的參數(shù)與系統(tǒng)性能的關(guān)系難以理解，且觀察效果不理想，實(shí)驗(yàn)缺乏趣味性，不利于激發(fā)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)主動性和創(chuàng)新意識。

我校于2015年3月對《控制工程基礎(chǔ)》課程開展了雙語教學(xué)工作，體現(xiàn)了高等教育的國際化趨勢和要求，但是雙語教學(xué)的實(shí)施對師生都提出了更高的要求。筆者采用當(dāng)前國際上自動控制領(lǐng)域的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)首選軟件MATLAB進(jìn)行編寫，利用其用戶界面GUI模塊設(shè)計(jì)出一個用戶界面友好的《控制工程基礎(chǔ)》虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)平臺。該平臺用仿真實(shí)驗(yàn)手段取代傳統(tǒng)的模擬實(shí)驗(yàn)，能夠讓學(xué)習(xí)者可以直接了解實(shí)驗(yàn)過程中參數(shù)如何選擇并直觀的看出參數(shù)變化對系統(tǒng)的影響。最大特點(diǎn)就是學(xué)習(xí)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(xué)的效果。

2　虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的組成

該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)是在MATLAB R2012a版本的語言平臺上開發(fā)的，采用總分的設(shè)計(jì)思路，首先確定好整個系統(tǒng)的總體框架，即主界面的設(shè)計(jì)。其次選取五個控制系統(tǒng)中的基本模塊外加一個返回模塊作為總體框架的子系統(tǒng)。在代碼的實(shí)現(xiàn)上采用M文本進(jìn)行編寫。代碼完成后再對每個模塊進(jìn)行調(diào)試，最后再對界面進(jìn)行優(yōu)化。全程采用英文界面演示。

本系統(tǒng)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(jìn)行操作的原則設(shè)計(jì)的。主界面如圖1所示。在進(jìn)入主界面后，可以看到由六個模塊組成：根軌跡圖，穩(wěn)定性分析，控制模型輸入，時域響應(yīng)，頻域響應(yīng)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(diǎn)擊相應(yīng)的模塊就可以進(jìn)入相應(yīng)的此界面也就是子窗口進(jìn)行自己所需要的仿真設(shè)計(jì)。還有一個模塊是退出系統(tǒng)，在用戶結(jié)束使用時退出MATLAB或者退出實(shí)驗(yàn)窗口所設(shè)計(jì)的。

圖1　主界面設(shè)計(jì)

圖2　根軌跡設(shè)計(jì)

3　子系統(tǒng)設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

該系統(tǒng)包含了5個子系統(tǒng)，以下就典型模塊的實(shí)現(xiàn)進(jìn)行闡述。

3.1根軌跡圖設(shè)計(jì)

3.2系統(tǒng)時域響應(yīng)分析

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

圖3　時域分析

3.3頻域響應(yīng)分析

在自動控制系統(tǒng)中，頻域分析法（又稱頻域響應(yīng)法）是分析和設(shè)計(jì)自動控制系統(tǒng)的一種有效地經(jīng)典的方法。是奈奎斯特在1932年提出來的。由于傳遞函數(shù)只是對系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)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(shè)計(jì)引入狀態(tài)空間方程進(jìn)行編寫，開發(fā)了波特圖（又稱對數(shù)頻率特性曲線圖），開環(huán)奈奎斯特圖和閉環(huán)奈奎斯特圖。如圖4所示。選擇示例進(jìn)行分析，已知系統(tǒng)的狀態(tài)空間表達(dá)式為：

圖4　頻域分析

3.4穩(wěn)定性分析

穩(wěn)定是控制系統(tǒng)的重要性能之一，所謂穩(wěn)定性，就是指系統(tǒng)在受到的擾動消失后恢復(fù)到原平衡狀態(tài)的能力。判斷系統(tǒng)穩(wěn)定的方法有很多，例如有勞斯穩(wěn)定性判據(jù)，赫爾維茨穩(wěn)定性判據(jù)，奈奎斯特穩(wěn)定性判據(jù)等。

本設(shè)計(jì)依據(jù)空間狀態(tài)方程進(jìn)行編寫代碼的。首先求出狀態(tài)方程的零極點(diǎn)圖，然后在進(jìn)行穩(wěn)定性的分析。如圖5所示。選擇示例進(jìn)行調(diào)試，已知系統(tǒng)的狀態(tài)空間表達(dá)式為：

圖5　穩(wěn)定性分析

4　結(jié)論

《控制工程基礎(chǔ)》雙語教學(xué)的虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)平臺的設(shè)計(jì)與開發(fā)是根據(jù)教學(xué)內(nèi)容的需要來選取的，能夠輔助學(xué)習(xí)者在完成控制系統(tǒng)中分析與設(shè)計(jì)過程中所涉及的多種傳遞函數(shù)的計(jì)算和繪圖，為學(xué)習(xí)者提供一個簡單方便的系統(tǒng)分析和綜合的軟件操作平臺。本設(shè)計(jì)中系統(tǒng)輸入形式的多樣化，可以輸入函數(shù)的零極點(diǎn)形式，學(xué)習(xí)者通過不同的分子，分母來改變函數(shù)的響應(yīng)曲線；具有精確地繪制出系統(tǒng)傳遞函數(shù)的Bode圖、Nyquist圖、根軌跡圖、沖擊響應(yīng)曲線圖等繪圖功能；能夠根據(jù)學(xué)習(xí)者所給出的參數(shù)分析系統(tǒng)的穩(wěn)定性；能夠?qū)崿F(xiàn)傳遞函數(shù)與狀態(tài)空間方程兩種模式的轉(zhuǎn)換而且界面美觀，操作簡單，易于應(yīng)用，滿足了雙語學(xué)習(xí)的需求，達(dá)到了良好的教學(xué)效果。

［1］陸綺榮.基于虛擬儀器技術(shù)個人實(shí)驗(yàn)室的構(gòu)建［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2006：11-13.

［2］鄒湘軍，孫健，何漢武.虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的演變發(fā)展與展望［J］.系統(tǒng)仿真報(bào)，2004，（9）：9-11.

［3］潘豐，徐穎秦.自動控制原理［M］.北京：機(jī)械工業(yè)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(xué)紫金學(xué)院2013年度教育教學(xué)改革與研究課題“《控制工程基礎(chǔ)》課程雙語教學(xué)的探索和實(shí)踐”（項(xiàng)目編號為20130102004）。

朱甦（1982-），女，漢族，江蘇南京人，南京理工大學(xué)紫金學(xué)院講師，研究方向?yàn)榭刂评碚摵涂刂乒こ獭?/p>