劉文秀，郭　偉

（1.韶關(guān)學(xué)院物理與機(jī)電工程學(xué)院,廣東韶關(guān)512005；2.廣東松山職業(yè)技術(shù)學(xué)院,廣東韶關(guān)521005）

典型案例仿真技術(shù)在《控制工程基礎(chǔ)》教學(xué)中的應(yīng)用

劉文秀1，郭偉2

（1.韶關(guān)學(xué)院物理與機(jī)電工程學(xué)院,廣東韶關(guān)512005；2.廣東松山職業(yè)技術(shù)學(xué)院,廣東韶關(guān)521005）

摘要：針對(duì)高等教育教學(xué)改革的要求,在《控制工程基礎(chǔ)》教學(xué)過(guò)程中,依據(jù)課程的特點(diǎn),引入系統(tǒng)仿真技術(shù).通過(guò)典型案例仿真教學(xué)的方式,利用MATLAB軟件實(shí)現(xiàn)對(duì)案例的建模、時(shí)域分析、頻域分析及控制器的設(shè)計(jì).實(shí)踐證明,利用這種豐富的教學(xué)手段把學(xué)生從復(fù)雜的數(shù)學(xué)推導(dǎo)、數(shù)學(xué)計(jì)算中解脫出來(lái),通過(guò)形象的圖形化用戶界面,激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣,調(diào)動(dòng)了學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性,使控制理論更加容易被學(xué)生接受、消化.

關(guān)鍵詞：控制工程；MATLAB；飛思卡爾；典型案例

機(jī)電工業(yè)是我國(guó)最重要的支柱產(chǎn)業(yè)之一.《控制工程基礎(chǔ)》理論在機(jī)械工程領(lǐng)域中有舉足輕重的作用,該課程也是機(jī)械制造及自動(dòng)化、機(jī)械電子工程、交通工程等專業(yè)的必修課,它能夠把機(jī)和電的知識(shí)有效的結(jié)合,形成有效的控制策略及控制方法.因此這門(mén)課程對(duì)將來(lái)從事機(jī)械相關(guān)專業(yè)工作是十分有益的［1］.

《控制工程基礎(chǔ)》這門(mén)課程內(nèi)容偏抽象,工程實(shí)踐性較強(qiáng),涉及數(shù)學(xué)知識(shí)廣泛,因此課程的學(xué)習(xí)需要學(xué)生具有扎實(shí)的高等數(shù)學(xué)、復(fù)變函數(shù)等數(shù)學(xué)基礎(chǔ)知識(shí).但是由于學(xué)生的這部分基礎(chǔ)知識(shí)掌握的不夠扎實(shí)牢固,特別是對(duì)學(xué)科交叉的內(nèi)容理解與應(yīng)用不強(qiáng),最終導(dǎo)致本門(mén)課程的學(xué)習(xí)困難較大.傳統(tǒng)的教學(xué)方法中,任課教師感覺(jué)學(xué)生難教,學(xué)生感覺(jué)課程理論偏強(qiáng),偏重于理論推導(dǎo),理解困難,最終產(chǎn)生對(duì)課程學(xué)習(xí)的畏懼感.通過(guò)本門(mén)課程的教學(xué)改革,引入計(jì)算機(jī)仿真技術(shù),使教學(xué)的實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)與理論知識(shí)緊密的結(jié)合起來(lái),調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)本門(mén)課程的學(xué)習(xí)興趣,這樣更有利于教育和培養(yǎng)學(xué)生,加強(qiáng)理論知識(shí)的理解.

針對(duì)教學(xué)改革目標(biāo),按照高等教育課程改革的基本要求,遵循學(xué)生學(xué)習(xí)能力培養(yǎng)的基本規(guī)律,按照教學(xué)內(nèi)容,從簡(jiǎn)單到繁瑣,從容易到困難,循序漸進(jìn)的給定學(xué)生典型項(xiàng)目和學(xué)習(xí)的任務(wù),利用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)的優(yōu)勢(shì),達(dá)到較高水平的學(xué)習(xí)效果.全國(guó)大學(xué)生“飛思卡爾”杯智能汽車(chē)競(jìng)賽是以單片機(jī)為核心的大學(xué)生課外科技競(jìng)賽.智能小車(chē)的設(shè)計(jì)內(nèi)容涵蓋了控制、模式識(shí)別、傳感技術(shù)、汽車(chē)電子、計(jì)算機(jī)、機(jī)械、能源等多個(gè)學(xué)科的知識(shí)［2］.課程教學(xué)過(guò)程中采用智能小車(chē)這種綜合工程案例讓學(xué)生了解課程的重要性［3］,并提供以往學(xué)生獲獎(jiǎng)的比賽視頻,激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣,了解控制本質(zhì),為課程的教學(xué)開(kāi)個(gè)好頭.

1　智能小車(chē)控制系統(tǒng)的建模

在小車(chē)控制系統(tǒng)中,要實(shí)現(xiàn)對(duì)小車(chē)速度進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)及控制,盡可能使小車(chē)按照道路條件所允許的最高速度進(jìn)行行駛.如圖1是一個(gè)簡(jiǎn)化了的智能小車(chē)速度控制系統(tǒng)的方框圖.

圖1　智能小車(chē)速度控制系統(tǒng)方框圖

2　智能小車(chē)系統(tǒng)時(shí)域響應(yīng)分析

依據(jù)具體小車(chē)的模型,參照飛思卡爾官方數(shù)據(jù),直流電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型可以用二階系統(tǒng)的傳遞函數(shù)表示.根據(jù)驅(qū)動(dòng)電機(jī)學(xué)和動(dòng)力學(xué)公式,直流電機(jī)轉(zhuǎn)速的數(shù)學(xué)模型引用王虎的論文《基于模糊自適應(yīng)PI控制的智能車(chē)的設(shè)計(jì)與研究》中的數(shù)學(xué)模型為［4］∶

時(shí)域響應(yīng)分析是分析系統(tǒng)特性的重要方法之一,它是時(shí)間域研究中,在一定的輸入信號(hào)的作用下系統(tǒng)輸出隨時(shí)間的變化情況.這種分析方法對(duì)學(xué)生來(lái)說(shuō)直觀、簡(jiǎn)便,易于理解.但是在傳統(tǒng)的分析過(guò)程中,通常采用部分分式展開(kāi)法把復(fù)雜的傳遞函數(shù)展開(kāi)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(shí)域響應(yīng),這種方法計(jì)算量大、繁瑣,對(duì)于數(shù)學(xué)基礎(chǔ)比較差的學(xué)生,無(wú)疑增大了學(xué)習(xí)負(fù)擔(dān).

采用MATLAB軟件的控制系統(tǒng)分析工具箱可以很方便的實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的時(shí)域分析［5］.具體操作為∶在MATLAB環(huán)境下,啟動(dòng)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(diǎn)擊too1s菜單→Contro1Design→Linear Ana1ysis…,在彈出的窗口中點(diǎn)擊1inearize mode1,就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的時(shí)域分析,在生成的曲線圖上可以讀出上升時(shí)間、調(diào)整時(shí)間、穩(wěn)態(tài)值等重要的時(shí)域響應(yīng)性能指標(biāo).系統(tǒng)響應(yīng)曲線如圖3所示.由響應(yīng)曲線可以看出系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)過(guò)渡時(shí)間長(zhǎng),需要設(shè)計(jì)合理的控制器提高小車(chē)的速度.

圖2　simulink下搭建系統(tǒng)模型圖

圖3　系統(tǒng)響應(yīng)曲線圖

3　智能小車(chē)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(fù)數(shù)域引到具有明確物理概念的頻域來(lái)分析系統(tǒng)的特性是極為有效的.它是一種對(duì)控制系統(tǒng)圖解的分析方法,具有形象、直觀、簡(jiǎn)便和計(jì)算量少的特點(diǎn).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(diǎn),系統(tǒng)穩(wěn)定.

4　智能小車(chē)控制器的設(shè)計(jì)

控制器的設(shè)計(jì)主要是以PID控制器為基礎(chǔ),在simu1ink環(huán)境下構(gòu)建系統(tǒng)的模型,按照PID參數(shù)整定的方法可以方便的實(shí)現(xiàn)PID控制器參數(shù)的設(shè)計(jì).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(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng),在比例度逐漸減小時(shí),出現(xiàn)4∶1衰減振蕩過(guò)程,此時(shí)比例度為4∶1衰減比例度δs,兩個(gè)相鄰?fù)虿ǚ逯g的距離為4∶1衰減操作周期TS.通過(guò)實(shí)驗(yàn)得出智能小車(chē)系統(tǒng)中當(dāng)比例系數(shù)為14時(shí),響應(yīng)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(shí)比例度δS＝14.針對(duì)智能小車(chē)控制系統(tǒng)對(duì)其速度控制通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明采用PI控制器即可實(shí)現(xiàn)小車(chē)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(shí)小車(chē)的響應(yīng)曲線圖如圖7所示.比較圖1和圖7,可以讓學(xué)生清晰的明白控制器的加入對(duì)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(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)

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

表1　4:1衰減曲線法PID參數(shù)整定經(jīng)驗(yàn)公式

圖7　加入PI控制器后的小車(chē)系統(tǒng)速度響應(yīng)曲線圖

5　結(jié)語(yǔ)

將系統(tǒng)仿真技術(shù)融入到《控制工程基礎(chǔ)》的理論與實(shí)踐教學(xué)中,利用最合適的教學(xué)典型工程案例實(shí)現(xiàn)仿真,即豐富了課堂的教學(xué)內(nèi)容,改善了教學(xué)效果,又易于學(xué)生理解和領(lǐng)會(huì)控制理論中的抽象內(nèi)容,激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣,調(diào)動(dòng)了學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性,節(jié)約教學(xué)硬件設(shè)備的同時(shí)培養(yǎng)了學(xué)生的創(chuàng)新能力,對(duì)提高學(xué)生分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力培養(yǎng)也起到了及其重要的作用.

參考文獻(xiàn):

［1］王偉,申愛(ài)明,林順英,等.MATLAB在《控制工程基礎(chǔ)》課程中的應(yīng)用［J］.安徽師范大學(xué)學(xué)報(bào)∶自然科學(xué)版,2011,34（2）：142-144.

［2］蔡述庭.智能汽車(chē)競(jìng)賽設(shè)計(jì)與實(shí)踐［M］.北京∶北京航空航天大學(xué)出版社,2012.

［3］袁明新,王琪,洪磊,等.機(jī)械控制工程中案例化教學(xué)的改革及實(shí)踐［J］.當(dāng)代教育理論與實(shí)踐,2012,4（5）：137-139.

［4］王虎,郎朗,余雪瑋,等.基于模糊自適應(yīng)PI控制的智能車(chē)的設(shè)計(jì)與研究［J］.安徽工程大學(xué)學(xué)報(bào),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(chǔ)》教學(xué)中的應(yīng)用［J］.制造業(yè)自動(dòng)化,2011,33（4）∶58-59.

（責(zé)任編輯∶李婉）

中圖分類號(hào)：TP13

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1007-5348（2015）10-0100-04

［收稿日期］2015-07-09

［基金項(xiàng)目］韶關(guān)學(xué)院2014年高等教育教學(xué)改革與研究項(xiàng)目（70312-000015）.

［作者簡(jiǎn)介］劉文秀（1980-）,女,蒙族,內(nèi)蒙古通遼人,韶關(guān)學(xué)院物理與機(jī)電工程學(xué)院講師,碩士；研究方向∶自動(dòng)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