自動(dòng)控制原理的仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)

隋修武++黃杰++孟建軍++申衛(wèi)國(guó)

DOI：10.16660/j.cnki.1672-3791.2016.19.119

摘 要：自動(dòng)控制原理是測(cè)控技術(shù)與儀器專業(yè)的重要主干課，該門課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)是提高基礎(chǔ)理論教學(xué)效果，增強(qiáng)學(xué)生對(duì)控制系統(tǒng)深入認(rèn)識(shí)的重要手段。由于各高校的實(shí)際校情不同，實(shí)驗(yàn)條件相差很大，很多學(xué)校無(wú)法進(jìn)行有成效的在實(shí)驗(yàn)臺(tái)上的實(shí)驗(yàn)，而進(jìn)行控制系統(tǒng)的仿真是解決這一問(wèn)題的有效途徑。針對(duì)上述問(wèn)題，建立了自動(dòng)控制原理的計(jì)算機(jī)仿真實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)。

關(guān)鍵詞：測(cè)控技術(shù)與儀器 自動(dòng)控制原理 MATLAB/SIMULINK 計(jì)算機(jī)仿真

中圖分類號(hào)：G420 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2016）07（a）-0119-02

1 自動(dòng)控制原理的實(shí)驗(yàn)教學(xué)

自動(dòng)控制原理這門課理論性強(qiáng)，比較抽象，學(xué)生學(xué)習(xí)有一定的難度，因此實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)教學(xué)效果的好壞對(duì)學(xué)生牢固掌握課堂理論知識(shí)、提高教學(xué)效果起著非常重要的作用。在目前普遍課時(shí)壓縮，教學(xué)要求提高的前提下，實(shí)驗(yàn)教學(xué)要解決以下幾個(gè)方面的問(wèn)題：如何加深學(xué)生對(duì)課程中基本概念基本理論的理解；如何提高學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)際的能力；如何培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐動(dòng)手能力、分析解決控制過(guò)程中實(shí)際問(wèn)題的能力；如何在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中融入新的科技發(fā)展成果，培養(yǎng)利用現(xiàn)代化的實(shí)驗(yàn)和仿真手段快速檢驗(yàn)和實(shí)現(xiàn)新的控制理論和算法的能力。

2 自動(dòng)控制原理的計(jì)算機(jī)仿真實(shí)驗(yàn)體系

采用MATLAB/SIMULINK軟件進(jìn)行仿真，可以避免對(duì)專用實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地的依賴，可以進(jìn)行各種控制試驗(yàn)，完成實(shí)驗(yàn)效果，達(dá)到實(shí)驗(yàn)?zāi)康?。自?dòng)控制原理的教學(xué)內(nèi)容比較豐富，包括經(jīng)典控制理論、現(xiàn)代控制理論，既涉及線性時(shí)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(shí)驗(yàn)采用兩種模式，一種是運(yùn)用MATLAB語(yǔ)言進(jìn)行編程，完成相應(yīng)的控制系統(tǒng)的構(gòu)建和性能分析，一種是采用MATLAB中集成的仿真環(huán)境SIMULINK進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)。該文僅以少學(xué)時(shí)的自動(dòng)控制原理中講到的經(jīng)典控制理論中的線性時(shí)不變連續(xù)系統(tǒng)為例加以說(shuō)明。仿真實(shí)驗(yàn)內(nèi)容主要包括：控制系統(tǒng)建模；各類模型之間的轉(zhuǎn)化；復(fù)雜控制系統(tǒng)的化簡(jiǎn)；典型輸入信號(hào)分析；典型環(huán)節(jié)的響應(yīng)分析；二階系統(tǒng)的性能指標(biāo)分析；采用多種方法進(jìn)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(biāo)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(yīng)為例，介紹一下MATLAB腳本語(yǔ)言編程與SIMULINK模塊仿真。該實(shí)驗(yàn)的目的是通過(guò)改變系統(tǒng)動(dòng)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(duì)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)的影響。二階系統(tǒng)的傳遞函數(shù)為：，比較當(dāng)=10，=0，0.25，0.5，0.7，1.2時(shí)系統(tǒng)的響應(yīng)特性。

采用MATLAB語(yǔ)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(yīng)曲線如下：

從圖中可以清楚地看到二階系統(tǒng)的響應(yīng)規(guī)律，當(dāng)一定時(shí)，隨著的增加，振蕩減弱，超調(diào)減少，調(diào)節(jié)時(shí)間減小。

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

通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)可以體會(huì)到，二者均可以有效地進(jìn)行控制系統(tǒng)的仿真，可以有效地達(dá)到實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹２捎肧IMULINK構(gòu)建系統(tǒng)模型更加方便快捷，而采用MATLAB腳本語(yǔ)言則更能鍛煉同學(xué)的邏輯思維能力。

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)，不僅能幫助同學(xué)們深入熟悉和掌握自動(dòng)控制原理的基本知識(shí)，而且能鍛煉同學(xué)們的邏輯思維和編程能力，為其以后在測(cè)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)和計(jì)算機(jī)控制算法的實(shí)現(xiàn)方面打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)，對(duì)自動(dòng)控制原理的教學(xué)起到畫龍點(diǎn)睛的作用。

參考文獻(xiàn)

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

[2] 鄭勇，徐繼寧，胡敦利，等，自動(dòng)控制原理實(shí)驗(yàn)教程[M].北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2010.