仿真在自动控制系统中应用

高云霞，张梅风

（青岛工学院，山东 青岛 266300）

仿真在自动控制系统中应用

Simulation in automatic control system

高云霞，张梅风

（青岛工学院，山东 青岛 266300）

仿真技术是虚拟实验的重要组成部分，它能解决传统实验资源缺乏或性能不足的缺点，使真实系统的控制过程再现，从而节约了成本，且收到良好效果。通过将自动控制理论与仿真有效结合的实践教学，提高了学生的学习效率和动手能力，也给为教师的教学提供了更为广阔的发展空间。

MATLAB仿真；自动控制；教学实践

控制系统仿真是我院自动化专业大四第一学期的专业技能课程，将自动控制原理、现代控制、过程控制和系统仿真有效结合起来，许多真实系统或控制器的性能都无法在实验设备上来实验，而仿真实验能解决这一问题，它弥补了现实实验设备和条件不足的缺点，用虚拟模型模拟真实系统进行实验。因此，研究仿真在自动化专业的应用意义重大。

1 将知识点模块化

打破按照课本上的章节顺序排列的方式来授课，改成按知识点分层次的方式授课，每个知识点后面跟一定习题练习，做到由浅入深、重点难点突出，层层深入，使学生当堂掌握和巩固。总共分为八大模块：

（1）矩阵基本应用；

（2）MATLAB二维和三维绘图；

（3）MATLAB建模与应用；

（4）系统时域分析、根轨迹分析和频域分析；

（5）系统PID控制器应用；

（6）MATLAB在现代控制理论中应用；

（7）MATLAB工具箱的应用；

（8）MATLAB在串级、前馈、大滞后和特殊工艺要求的过程控制的实例应用。

其中，每个知识点做最简练的讲述，然后让学生时间上机做巩固练习，将重要的知识点和典型案例的应用结合起来，便于学生充分掌握和理解，并能熟练应用、举一反三。

例如：在矩阵基本运算中把矩阵运算和求解微分方程、系统特征方程根以及系统的秩结合起来，能判断稳定性和能控能关性；在绘图中，把二维图形绘制和曲线拟合和插值运算结合起来；在PID控制器设计中，与自控原理中的校正结合起来，有助于学生融会贯通；在实例应用中，将过程控制与仿真结合，进行设计控制方案和控制器，并验证系统鲁棒性，这样能将所学知识理解和充分应用。

这样设计教学内容，既能在短学时内让学生掌握基本内容，又能做知识体系相互联系，提高学生动手能力和应用能力，为分析实际问题和做毕业设计课题打好基础。

2 设计典型案例教学

传统的教学内容是，上完课做课后练习，这些练习往往只是练习了简单的个别知识点，缺少提高性的题目，因此通过课程改革，课后习题仅作为基础题目，增加总综合设计的习题，既能让学生系统掌握所学重点内容，又提高应用能力，为学生创新实践打好基础。例如：

（1）主蒸汽温度控制系统的PID控制器设计，包括系统工艺分析，串级方案设计，PID控制器设计，阶跃仿真实验和抗干扰实验；

（2）单级倒立摆系统控制器设计与仿真，这个课题应用比较多，可以设计状态反馈控制器、状态观测器、最优控制器等，加上实验室配有固高科技公司的倒立摆实验平台，很容易进行实时监测和抗扰实验分析；

（3）直流电机调速系统设计，分别研究单闭环系统和双闭环V-M调速系统的建模，调节器的设计和仿真实验。

3 课堂授课方式改革

改变传统单纯的教师讲授，学生听这一教学模式，教师只讲述基本重点和难点，其余时间交给学生，并增加教师启发引导和师生互动环节，比如设置仿真时间的大小，可以让学生自己设置时间，观察仿真结果，如果看不见仿真曲线或者仿真曲线很密很多，那么这就是仿真时间设置过小而看不见完整曲线，或者仿真时间设置过大而曲线太密，看不清楚整个过程，这个教学过程，教师可以引导学生通过设置时间观察结果进而掌握时间常数的重要意义，达到学生掌握牢固又能灵活应用的目的。

再比如如何在系统中加入干扰，程序设计和Simulink下分别如何加干扰，引导学生自行设计与分析。

4 考核方式调整

为充分考查学生的实际掌握情况，考虑公平公正的原则，取消纸质试卷的考试方式，期末改为大作业形式的考查，教师至少出10个题目，要求学生自选5个题目完成在规定时间内完成，作业内容需要按照要求写，学生自行组织好语言，写出系统设计的具体步骤和成果，如果写大作业期间遇到不懂的可以请教老师和同学，目的是让学生掌握重要的知识点，大作业占期末成绩的50%，另外50%由平时作业和出勤各占25%构成，这样既能保证大四学生出勤率，又能体现学生的实际能力。

经过青岛工学院自动化专业学生两年的实践教学，提高了学生的学习能力，为学生毕业设计和毕业实习奠定了一定基础，得到了广大师生的一致好评。

［1］ 胡寿松. 自动控制原理第四版［M］. 北京：科学出版社2001.

［2］ 薛定宇，陈阳泉. 基于MATLAB/Simulink的系统仿真技术与应用［M］. 北京：清华大学出版社，2002.

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

［4］ 张晓华，控制系统数字仿真与CAD［M］. 北京：机械工业出版社，2010. 2.

［5］ 朱开立，周春晖. MATLAB基础及其应用教程［M］. 北京大学出版社，2009.

TP13；TP319

1009-797X （2015） 18-0094-02

A

10.13520/j.cnki.rpte.2015.18.035

高云霞（1978-），女，毕业于青岛工学院，硕士学历，讲师职称，研究方向为工业过程先进控制。

2015-08-12