高云霞，張梅風(fēng)

（青島工學(xué)院，山東 青島 266300）

仿真在自動控制系統(tǒng)中應(yīng)用

Simulation in automatic control system

高云霞，張梅風(fēng)

（青島工學(xué)院，山東 青島 266300）

仿真技術(shù)是虛擬實驗的重要組成部分，它能解決傳統(tǒng)實驗資源缺乏或性能不足的缺點，使真實系統(tǒng)的控制過程再現(xiàn)，從而節(jié)約了成本，且收到良好效果。通過將自動控制理論與仿真有效結(jié)合的實踐教學(xué)，提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)效率和動手能力，也給為教師的教學(xué)提供了更為廣闊的發(fā)展空間。

MATLAB仿真；自動控制；教學(xué)實踐

控制系統(tǒng)仿真是我院自動化專業(yè)大四第一學(xué)期的專業(yè)技能課程，將自動控制原理、現(xiàn)代控制、過程控制和系統(tǒng)仿真有效結(jié)合起來，許多真實系統(tǒng)或控制器的性能都無法在實驗設(shè)備上來實驗，而仿真實驗?zāi)芙鉀Q這一問題，它彌補了現(xiàn)實實驗設(shè)備和條件不足的缺點，用虛擬模型模擬真實系統(tǒng)進行實驗。因此，研究仿真在自動化專業(yè)的應(yīng)用意義重大。

1 將知識點模塊化

打破按照課本上的章節(jié)順序排列的方式來授課，改成按知識點分層次的方式授課，每個知識點后面跟一定習(xí)題練習(xí)，做到由淺入深、重點難點突出，層層深入，使學(xué)生當(dāng)堂掌握和鞏固?？偣卜譃榘舜竽K：

（1）矩陣基本應(yīng)用；

（2）MATLAB二維和三維繪圖；

（3）MATLAB建模與應(yīng)用；

（4）系統(tǒng)時域分析、根軌跡分析和頻域分析；

（5）系統(tǒng)PID控制器應(yīng)用；

（6）MATLAB在現(xiàn)代控制理論中應(yīng)用；

（7）MATLAB工具箱的應(yīng)用；

（8）MATLAB在串級、前饋、大滯后和特殊工藝要求的過程控制的實例應(yīng)用。

其中，每個知識點做最簡練的講述，然后讓學(xué)生時間上機做鞏固練習(xí)，將重要的知識點和典型案例的應(yīng)用結(jié)合起來，便于學(xué)生充分掌握和理解，并能熟練應(yīng)用、舉一反三。

例如：在矩陣基本運算中把矩陣運算和求解微分方程、系統(tǒng)特征方程根以及系統(tǒng)的秩結(jié)合起來，能判斷穩(wěn)定性和能控能關(guān)性；在繪圖中，把二維圖形繪制和曲線擬合和插值運算結(jié)合起來；在PID控制器設(shè)計中，與自控原理中的校正結(jié)合起來，有助于學(xué)生融會貫通；在實例應(yīng)用中，將過程控制與仿真結(jié)合，進行設(shè)計控制方案和控制器，并驗證系統(tǒng)魯棒性，這樣能將所學(xué)知識理解和充分應(yīng)用。

這樣設(shè)計教學(xué)內(nèi)容，既能在短學(xué)時內(nèi)讓學(xué)生掌握基本內(nèi)容，又能做知識體系相互聯(lián)系，提高學(xué)生動手能力和應(yīng)用能力，為分析實際問題和做畢業(yè)設(shè)計課題打好基礎(chǔ)。

2 設(shè)計典型案例教學(xué)

傳統(tǒng)的教學(xué)內(nèi)容是，上完課做課后練習(xí)，這些練習(xí)往往只是練習(xí)了簡單的個別知識點，缺少提高性的題目，因此通過課程改革，課后習(xí)題僅作為基礎(chǔ)題目，增加總綜合設(shè)計的習(xí)題，既能讓學(xué)生系統(tǒng)掌握所學(xué)重點內(nèi)容，又提高應(yīng)用能力，為學(xué)生創(chuàng)新實踐打好基礎(chǔ)。例如：

（1）主蒸汽溫度控制系統(tǒng)的PID控制器設(shè)計，包括系統(tǒng)工藝分析，串級方案設(shè)計，PID控制器設(shè)計，階躍仿真實驗和抗干擾實驗；

（2）單級倒立擺系統(tǒng)控制器設(shè)計與仿真，這個課題應(yīng)用比較多，可以設(shè)計狀態(tài)反饋控制器、狀態(tài)觀測器、最優(yōu)控制器等，加上實驗室配有固高科技公司的倒立擺實驗平臺，很容易進行實時監(jiān)測和抗擾實驗分析；

（3）直流電機調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計，分別研究單閉環(huán)系統(tǒng)和雙閉環(huán)V-M調(diào)速系統(tǒng)的建模，調(diào)節(jié)器的設(shè)計和仿真實驗。

3 課堂授課方式改革

改變傳統(tǒng)單純的教師講授，學(xué)生聽這一教學(xué)模式，教師只講述基本重點和難點，其余時間交給學(xué)生，并增加教師啟發(fā)引導(dǎo)和師生互動環(huán)節(jié)，比如設(shè)置仿真時間的大小，可以讓學(xué)生自己設(shè)置時間，觀察仿真結(jié)果，如果看不見仿真曲線或者仿真曲線很密很多，那么這就是仿真時間設(shè)置過小而看不見完整曲線，或者仿真時間設(shè)置過大而曲線太密，看不清楚整個過程，這個教學(xué)過程，教師可以引導(dǎo)學(xué)生通過設(shè)置時間觀察結(jié)果進而掌握時間常數(shù)的重要意義，達到學(xué)生掌握牢固又能靈活應(yīng)用的目的。

再比如如何在系統(tǒng)中加入干擾，程序設(shè)計和Simulink下分別如何加干擾，引導(dǎo)學(xué)生自行設(shè)計與分析。

4 考核方式調(diào)整

為充分考查學(xué)生的實際掌握情況，考慮公平公正的原則，取消紙質(zhì)試卷的考試方式，期末改為大作業(yè)形式的考查，教師至少出10個題目，要求學(xué)生自選5個題目完成在規(guī)定時間內(nèi)完成，作業(yè)內(nèi)容需要按照要求寫，學(xué)生自行組織好語言，寫出系統(tǒng)設(shè)計的具體步驟和成果，如果寫大作業(yè)期間遇到不懂的可以請教老師和同學(xué)，目的是讓學(xué)生掌握重要的知識點，大作業(yè)占期末成績的50%，另外50%由平時作業(yè)和出勤各占25%構(gòu)成，這樣既能保證大四學(xué)生出勤率，又能體現(xiàn)學(xué)生的實際能力。

經(jīng)過青島工學(xué)院自動化專業(yè)學(xué)生兩年的實踐教學(xué)，提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)能力，為學(xué)生畢業(yè)設(shè)計和畢業(yè)實習(xí)奠定了一定基礎(chǔ)，得到了廣大師生的一致好評。

［1］ 胡壽松. 自動控制原理第四版［M］. 北京：科學(xué)出版社2001.

［2］ 薛定宇，陳陽泉. 基于MATLAB/Simulink的系統(tǒng)仿真技術(shù)與應(yīng)用［M］. 北京：清華大學(xué)出版社，2002.

［3］ 孫洪程，李大宇. 過程控制工程［M］. 北京：高等教育出版社2006. 2.

［4］ 張曉華，控制系統(tǒng)數(shù)字仿真與CAD［M］. 北京：機械工業(yè)出版社，2010. 2.

［5］ 朱開立，周春暉. MATLAB基礎(chǔ)及其應(yīng)用教程［M］. 北京大學(xué)出版社，2009.

TP13；TP319

1009-797X （2015） 18-0094-02

A

10.13520/j.cnki.rpte.2015.18.035

高云霞（1978-），女，畢業(yè)于青島工學(xué)院，碩士學(xué)歷，講師職稱，研究方向為工業(yè)過程先進控制。

2015-08-12