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        仿真在自動控制系統(tǒng)中應(yīng)用

        2015-02-24 04:23:24高云霞張梅風(fēng)
        橡塑技術(shù)與裝備 2015年18期
        關(guān)鍵詞:青島控制器知識點

        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

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