刘文秀，郭　伟

（1.韶关学院物理与机电工程学院,广东韶关512005；2.广东松山职业技术学院,广东韶关521005）

典型案例仿真技术在《控制工程基础》教学中的应用

刘文秀1，郭伟2

（1.韶关学院物理与机电工程学院,广东韶关512005；2.广东松山职业技术学院,广东韶关521005）

摘要：针对高等教育教学改革的要求,在《控制工程基础》教学过程中,依据课程的特点,引入系统仿真技术.通过典型案例仿真教学的方式,利用MATLAB软件实现对案例的建模、时域分析、频域分析及控制器的设计.实践证明,利用这种丰富的教学手段把学生从复杂的数学推导、数学计算中解脱出来,通过形象的图形化用户界面,激发了学生的学习兴趣,调动了学生的学习积极性,使控制理论更加容易被学生接受、消化.

关键词：控制工程；MATLAB；飞思卡尔；典型案例

机电工业是我国最重要的支柱产业之一.《控制工程基础》理论在机械工程领域中有举足轻重的作用,该课程也是机械制造及自动化、机械电子工程、交通工程等专业的必修课,它能够把机和电的知识有效的结合,形成有效的控制策略及控制方法.因此这门课程对将来从事机械相关专业工作是十分有益的［1］.

《控制工程基础》这门课程内容偏抽象,工程实践性较强,涉及数学知识广泛,因此课程的学习需要学生具有扎实的高等数学、复变函数等数学基础知识.但是由于学生的这部分基础知识掌握的不够扎实牢固,特别是对学科交叉的内容理解与应用不强,最终导致本门课程的学习困难较大.传统的教学方法中,任课教师感觉学生难教,学生感觉课程理论偏强,偏重于理论推导,理解困难,最终产生对课程学习的畏惧感.通过本门课程的教学改革,引入计算机仿真技术,使教学的实验环节与理论知识紧密的结合起来,调动学生学习本门课程的学习兴趣,这样更有利于教育和培养学生,加强理论知识的理解.

针对教学改革目标,按照高等教育课程改革的基本要求,遵循学生学习能力培养的基本规律,按照教学内容,从简单到繁琐,从容易到困难,循序渐进的给定学生典型项目和学习的任务,利用计算机仿真技术的优势,达到较高水平的学习效果.全国大学生“飞思卡尔”杯智能汽车竞赛是以单片机为核心的大学生课外科技竞赛.智能小车的设计内容涵盖了控制、模式识别、传感技术、汽车电子、计算机、机械、能源等多个学科的知识［2］.课程教学过程中采用智能小车这种综合工程案例让学生了解课程的重要性［3］,并提供以往学生获奖的比赛视频,激发学生的学习兴趣,了解控制本质,为课程的教学开个好头.

1　智能小车控制系统的建模

在小车控制系统中,要实现对小车速度进行实时检测及控制,尽可能使小车按照道路条件所允许的最高速度进行行驶.如图1是一个简化了的智能小车速度控制系统的方框图.

图1　智能小车速度控制系统方框图

2　智能小车系统时域响应分析

依据具体小车的模型,参照飞思卡尔官方数据,直流电动机的数学模型可以用二阶系统的传递函数表示.根据驱动电机学和动力学公式,直流电机转速的数学模型引用王虎的论文《基于模糊自适应PI控制的智能车的设计与研究》中的数学模型为［4］∶

时域响应分析是分析系统特性的重要方法之一,它是时间域研究中,在一定的输入信号的作用下系统输出随时间的变化情况.这种分析方法对学生来说直观、简便,易于理解.但是在传统的分析过程中,通常采用部分分式展开法把复杂的传递函数展开成典型环节的串并联形式,然后再利用拉普拉斯反变换,得出时域响应,这种方法计算量大、繁琐,对于数学基础比较差的学生,无疑增大了学习负担.

采用MATLAB软件的控制系统分析工具箱可以很方便的实现对系统的时域分析［5］.具体操作为∶在MATLAB环境下,启动simu1ink,在新建的空白模型窗口中,搭建如图2所示的模型.然后依次点击too1s菜单→Contro1Design→Linear Ana1ysis…,在弹出的窗口中点击1inearize mode1,就可以实现对系统的时域分析,在生成的曲线图上可以读出上升时间、调整时间、稳态值等重要的时域响应性能指标.系统响应曲线如图3所示.由响应曲线可以看出系统的动态过渡时间长,需要设计合理的控制器提高小车的速度.

图2　simulink下搭建系统模型图

图3　系统响应曲线图

3　智能小车系统频域分析

频率特性分析是经典控制理论中研究和分析系统特性的主要方法.利用此方法,将传递函数从复数域引到具有明确物理概念的频域来分析系统的特性是极为有效的.它是一种对控制系统图解的分析方法,具有形象、直观、简便和计算量少的特点.利用MATLAB的M文件可以很方便的绘制出系统的频率特性图.具体的程序代码如下∶

num＝71218；den＝［1 475 32］；

subP1ot（121）；bode（num,den）；

subP1ot（122）；nyquist（num,den）；

生成的系统频率特性图如图4所示.系统的转

折频率为0.019 rad/sec,由nyquist曲线可以看出曲

线不包围（-1,j0）点,系统稳定.

4　智能小车控制器的设计

控制器的设计主要是以PID控制器为基础,在simu1ink环境下构建系统的模型,按照PID参数整定的方法可以方便的实现PID控制器参数的设计.这里采用4∶1衰减曲线法整定调节器参数.首先采用纯比例度作用下的自动调节系统,在比例度逐渐减小时,出现4∶1衰减振荡过程,此时比例度为4∶1衰减比例度δs,两个相邻同向波峰之间的距离为4∶1衰减操作周期TS.通过实验得出智能小车系统中当比例系数为14时,响应曲线出现4∶1衰减,如图5、图6所示.

由图6曲线可以读出TS＝0.006 43,此时比例度δS＝14.针对智能小车控制系统对其速度控制通过实验证明采用PI控制器即可实现小车的速度的快速调节.依据表1,得出PI参数为KP＝0.2×δS＝2.8,Ti＝0.5× TS＝0.003 22.此时小车的响应曲线图如图7所示.比较图1和图7,可以让学生清晰的明白控制器的加入对系统控制的重要性.

图4　系统频率特性图

图5　纯比例度作用下的自动调节系统

图6　纯比例度作用下的自动调节系统4:1衰减响应曲线

表1　4:1衰减曲线法PID参数整定经验公式

图7　加入PI控制器后的小车系统速度响应曲线图

5　结语

将系统仿真技术融入到《控制工程基础》的理论与实践教学中,利用最合适的教学典型工程案例实现仿真,即丰富了课堂的教学内容,改善了教学效果,又易于学生理解和领会控制理论中的抽象内容,激发了学生的学习兴趣,调动了学生的学习积极性,节约教学硬件设备的同时培养了学生的创新能力,对提高学生分析问题、解决问题的能力培养也起到了及其重要的作用.

参考文献:

［1］王伟,申爱明,林顺英,等.MATLAB在《控制工程基础》课程中的应用［J］.安徽师范大学学报∶自然科学版,2011,34（2）：142-144.

［2］蔡述庭.智能汽车竞赛设计与实践［M］.北京∶北京航空航天大学出版社,2012.

［3］袁明新,王琪,洪磊,等.机械控制工程中案例化教学的改革及实践［J］.当代教育理论与实践,2012,4（5）：137-139.

［4］王虎,郎朗,余雪玮,等.基于模糊自适应PI控制的智能车的设计与研究［J］.安徽工程大学学报,2013,28（1）：44-47.

［5］杨秀萍,郭悦虹,王收军.Mat1ab仿真在《控制工程基础》教学中的应用［J］.制造业自动化,2011,33（4）∶58-59.

（责任编辑∶李婉）

中图分类号：TP13

文献标识码：A

文章编号：1007-5348（2015）10-0100-04

［收稿日期］2015-07-09

［基金项目］韶关学院2014年高等教育教学改革与研究项目（70312-000015）.

［作者简介］刘文秀（1980-）,女,蒙族,内蒙古通辽人,韶关学院物理与机电工程学院讲师,硕士；研究方向∶自动控制.

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