杜欣慧,王 瑛,宋建成,胡慧敏

(太原理工大學(xué)電氣與動力工程學(xué)院,山西太原030024)

0 引言

自動控制理論是研究有關(guān)自動控制技術(shù)基礎(chǔ)理論的一門課程,是電氣工程及其自動化專業(yè)的專業(yè)基礎(chǔ)課,是學(xué)生接觸的第一門控制類課程,又是電氣系學(xué)生后續(xù)專業(yè)課的前緒課程,因此學(xué)生對控制理論的掌握程度,直接影響到其它課程的學(xué)習(xí)。自動控制理論實驗課程同時又是一門實踐性很強(qiáng)的課程,通過實驗可增進(jìn)學(xué)生的理解,減輕或消除學(xué)習(xí)困難,也是培養(yǎng)學(xué)生分析能力、動手能力、創(chuàng)新能力、自主學(xué)習(xí)能力的重要環(huán)節(jié)。因此,自動控制理論課程實驗是自動控制理論課程教學(xué)中必不可少的重要環(huán)節(jié)。然而,目前自動控制理論課程學(xué)時減少,實驗學(xué)時更少,那么如何在較少的實驗學(xué)時內(nèi)使學(xué)生掌握更多的實驗技能,本文作者給出了自己的一些經(jīng)驗。

1 傳統(tǒng)的自動控制理論課程實驗教學(xué)

自動控制理論課程實驗受限于實驗設(shè)備與器材條件,因此各高校自動控制理論課程的實驗教學(xué)也不盡相同。大多數(shù)學(xué)校使用模擬仿真器,我校使用的自動控制理論實驗箱是浙江求是科教設(shè)備有限公司生產(chǎn)的ACT-1型實驗箱。自動控制理論實驗箱在使用中最大的不足就是其靈活性與擴(kuò)充性受到極大的限制。由于實驗內(nèi)容有限,每個實驗中實驗電路基本是固定的,電路中可變化的實驗參數(shù)又是有限的。學(xué)生做實驗,只要熟悉實驗指導(dǎo)書內(nèi)容、按實驗指導(dǎo)書接線,按步驟操作,即可在計算機(jī)屏幕上出現(xiàn)實驗曲線,學(xué)生記錄實驗數(shù)據(jù)及曲線,實驗即宣告完成。一般情況下,實驗指導(dǎo)教師還會在實驗前進(jìn)行詳細(xì)的講解和說明。這樣,學(xué)生很快就會把實驗結(jié)果做出來。在這種實驗?zāi)Ｊ较?綜合性、設(shè)計性實驗較少,學(xué)生沒有熱情,依賴性強(qiáng),獨立分析問題和解決問題的能力較低,更沒有創(chuàng)新性。

2 MATLAB在自動控制理論課程實驗中的應(yīng)用

MAT LAB是目前國際上最流行的控制系統(tǒng)計算機(jī)輔助設(shè)計的軟件工具,MATLAB環(huán)境下的動態(tài)仿真集成環(huán)境Simulink是一個對動態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行建模、仿真和分析的軟件包。在利用MATLAB結(jié)合Simulink進(jìn)行仿真時,可以充分運(yùn)用其方便的人機(jī)交互方式,設(shè)計出界面生動、形象、直觀的自動控制系統(tǒng)。并且在仿真過程中,可以任意修改模型的各個參數(shù),從而繪制出不同的仿真曲線,分析結(jié)果進(jìn)行實時直觀的圖形化顯示。

MAT LAB及其軟件工具包的開發(fā),使得它在自動控制方面的應(yīng)用愈來愈普遍。自動控制軟件包主要擔(dān)任自動控制領(lǐng)域里的大量繁瑣的計算與繪制仿真曲線的任務(wù)。軟件包運(yùn)行環(huán)境MATLAB6.5及以上版本,在這個環(huán)境下,我校電氣工程及其自動化專業(yè)所開設(shè)的實驗有:連續(xù)系統(tǒng)的“典型一階系統(tǒng)階躍響應(yīng)”,“一般系統(tǒng)階躍響應(yīng)”,“單位脈沖響應(yīng)”,“控制系統(tǒng)的零極點分布圖”,“控制系統(tǒng)的根軌跡圖”,“控制系統(tǒng)的 Bode圖”,“控制系統(tǒng)的Nichols圖”,“控制系統(tǒng)的Nyquist圖”,“典型非線性環(huán)節(jié)對系統(tǒng)的影響”等實驗。離散系統(tǒng)的“離散系統(tǒng)階躍響應(yīng)”,“離散系統(tǒng)脈沖響應(yīng)”,“離散系統(tǒng)根軌跡圖”,“離散系統(tǒng)Bode圖”,“離散系統(tǒng)的 Nichols圖”,“離散系統(tǒng)的Nyquist圖”等實驗。

圖1、圖2和圖3所示分別為利用MAT LAB仿真軟件所做的控制系統(tǒng)的Nichols圖,控制系統(tǒng)的Nyquist圖和繪制的根軌跡圖。

圖1 控制系統(tǒng)的Nichols圖

圖2 控制系統(tǒng)的 Nyquist圖

圖3 根軌跡圖

3 自動控制理論課程綜合設(shè)計實驗研究

基于MAT LAB結(jié)合Simulink的實驗?zāi)Ｊ绞且环N借助于純數(shù)學(xué)模型進(jìn)行實驗的模式,其便于操作,擴(kuò)展性好?；赟imulink仿真軟件設(shè)計的自動控制系統(tǒng)調(diào)試時,可以利用軟件中元器件庫提供的虛擬的電子元器件、信號源、控制器件及電子儀器,可以像實際電路接線一樣,組成典型的控制環(huán)節(jié)和系統(tǒng),十分簡單方便。

線性系統(tǒng)的校正是控制理論的一個重要內(nèi)容,且工程實踐性很強(qiáng)。對于這種設(shè)計性實驗,我們對學(xué)生的基本要求是提交設(shè)計方案和實驗報告,鼓勵學(xué)生自己動手設(shè)計校正方案搭建實驗平臺。實驗內(nèi)容既有實物模擬實驗,又有上機(jī)仿真實驗,通過實驗使學(xué)生增強(qiáng)了感性認(rèn)識,同時理性認(rèn)識也獲得升華。通常上機(jī)實驗安排2個學(xué)時來完成。

線性系統(tǒng)校正實驗要求學(xué)生熟悉串聯(lián)校正裝置對線性系統(tǒng)穩(wěn)定性和動態(tài)特性的影響,掌握串聯(lián)校正裝置的設(shè)計方法和參數(shù)調(diào)試技術(shù)。學(xué)生首先要根據(jù)動態(tài)特性設(shè)計串聯(lián)校正裝置,計算校正裝置參數(shù)。接著在加入串聯(lián)校正裝置后觀測校正裝置參數(shù)改變對系統(tǒng)性能的影響。然后對線性系統(tǒng)串聯(lián)校正裝置利用MATLAB進(jìn)行計算機(jī)仿真。最后比較電路模擬和數(shù)字仿真結(jié)果。

例子:設(shè)單位反饋控制系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)。若要使系統(tǒng)開環(huán)超調(diào)量滿足,相角裕度不小于50°,幅值裕度不小于10dB,試求系統(tǒng)的校正裝置。

校正前系統(tǒng)的模擬電路如圖4所示。

圖4 校正前系統(tǒng)的模擬電路

圖5 校正后系統(tǒng)的模擬電路

利用MATLAB可以得到校正前和校正后系統(tǒng)的伯德圖,分別如圖6和圖7所示。

圖6 校正前系統(tǒng)的伯德圖

圖7 校正后系統(tǒng)的伯德圖

在Simulink仿真環(huán)境下采用超前校正裝置,Simulink模型如圖8所示,其中校正前和校正后系統(tǒng)的閉環(huán)單位負(fù)反饋階躍響應(yīng)曲線如圖9、圖10所示。

圖8 加校正環(huán)節(jié)前、后的仿真模型

圖9 校正前的單位階躍響應(yīng)曲線

圖10 校正后的單位階躍響應(yīng)曲線

4 結(jié)束語

自動控制理論的實驗教學(xué),既要培養(yǎng)學(xué)生的分析問題和解決問題的能力,還要重視培養(yǎng)學(xué)生的思維能力和創(chuàng)新能力。在實驗的安排次序上由簡單到復(fù)雜,由驗證性實驗到設(shè)計性實驗,最后進(jìn)行綜合性實驗,由淺入深,循序漸進(jìn)。我校目前自動控制理論實驗學(xué)時分配如下:基礎(chǔ)驗證性實驗2學(xué)時,MATLAB仿真實驗2學(xué)時,綜合設(shè)計實驗2學(xué)時。經(jīng)過這樣的實驗學(xué)時安排,取得了較好的實驗效果,學(xué)生的科研素養(yǎng)和分析問題解決問題的能力得以大大提高,既使學(xué)生加深了對控制理論的理解,又能掌握把控制理論應(yīng)用于實際控制系統(tǒng)的方法和技能。

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