丁紅

0引言

自動控制原理是高等院校電子、電氣、信息類專業(yè)學(xué)生很重要的一門必修課，是一門實(shí)踐性很強(qiáng)的技術(shù)基礎(chǔ)課，它不僅要求學(xué)生掌握一定的理論知識，而且要求學(xué)生能夠熟悉常用模擬控制器的功能，具有解決工程實(shí)際問題的能力。但是對于這門課程的學(xué)習(xí)學(xué)生通常都會感到非?？菰锏?。實(shí)驗(yàn)演示或者學(xué)生動手實(shí)驗(yàn)，可以幫助學(xué)生理解學(xué)習(xí)內(nèi)容，但是，不得不看到目前高校的實(shí)驗(yàn)課的開設(shè)，受到經(jīng)費(fèi)、學(xué)時(shí)的限制，許多通過實(shí)驗(yàn)演示更容易使學(xué)生理解的課程內(nèi)容，由于缺乏實(shí)驗(yàn)支撐，影響了教學(xué)效果。同時(shí)在實(shí)驗(yàn)操作時(shí)，由于任何一個(gè)實(shí)際系統(tǒng)都是多參數(shù)的系統(tǒng)，其輸出受到多種條件的影響。課程實(shí)驗(yàn)通常是觀察在少數(shù)（常設(shè)定為一個(gè)）參數(shù)條件變化時(shí)，系統(tǒng)的輸出結(jié)果，這樣，就會出現(xiàn)由于實(shí)驗(yàn)條件的控制和調(diào)試出現(xiàn)偏差，得不到應(yīng)得的結(jié)果，引起學(xué)生的誤會，達(dá)不到應(yīng)有的教學(xué)效果。本文介紹的用MATLAB語言和在Simulink仿真環(huán)境開發(fā)的自動控制原理計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)與仿真實(shí)驗(yàn)軟件，可以有效地解決這種問題。

1軟件的設(shè)計(jì)及功能

本軟件通過MATLAB語言的圖形用戶界面工具GUI，以交互方式設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)自動控制原理的大部分教學(xué)內(nèi)容和仿真實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。以交互方式設(shè)計(jì)本軟件，使得用戶可以在線任意輸入系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，測試系統(tǒng)的特性，具有非常大的靈活性。

軟件分為輔助教學(xué)和仿真實(shí)驗(yàn)兩部分，由一個(gè)主界面如圖1所示和九個(gè)子界面組成，子界面包括數(shù)學(xué)模型、時(shí)域分析、頻域分析、穩(wěn)定性分析、關(guān)于LTIVIEWER、SISO設(shè)計(jì)工具、模型連接、非線性系統(tǒng)、仿真實(shí)驗(yàn)等，還可以點(diǎn)擊“進(jìn)入課件”按鈕瀏覽課程相關(guān)章節(jié)學(xué)習(xí)。子界面采用交互式方式設(shè)計(jì)，用戶可以任意輸入系統(tǒng)傳遞函數(shù)，測試相應(yīng)特性。并且為方便用戶的使用，界面上還設(shè)置了幫助系統(tǒng)，用來介紹整個(gè)界面的功能及說明如何在線正確輸入。在數(shù)學(xué)模型、時(shí)域分析、頻域分析這些界面上，將系統(tǒng)分為線性連續(xù)和線性離散兩部分?！皵?shù)學(xué)模型”界面介紹了自動控制原理中的常用數(shù)學(xué)模型之間的轉(zhuǎn)換，以交互方式設(shè)計(jì)，基本可以實(shí)現(xiàn)任意模型之間的轉(zhuǎn)換?！澳Ｐ瓦B接”界面主要研究三種模型的連接及其變換，并且顯示連接結(jié)果?！邦l域分析”界面用來繪制系統(tǒng)的波德圖、奈奎斯特圖、根軌跡圖等。“穩(wěn)定性分析”界面為文本界面，主要介紹了“代數(shù)穩(wěn)定性判斷”、“奈奎斯特穩(wěn)定性判斷”、“根軌跡穩(wěn)定性判斷”三種判斷依據(jù)，并給出相應(yīng)的例題及分析結(jié)果。“仿真實(shí)驗(yàn)”這個(gè)界面主要在SIMULINK環(huán)境中介紹分析了自動控制原理課程中九個(gè)常用的實(shí)驗(yàn)，通過觀察實(shí)驗(yàn)波形可以使學(xué)生對實(shí)驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生一個(gè)直觀的認(rèn)識。以便于在以后的實(shí)際實(shí)驗(yàn)中有所參考。軟件的功能包括：

（1）軟件采用主界面調(diào)用子界面的方式，每個(gè)子界面的功能包括其課程各個(gè)章節(jié)的主要內(nèi)容。界面設(shè)計(jì)采用在線輸入的方式，可以完成任意系統(tǒng)的分析、設(shè)計(jì)、繪制仿真圖形、顯示性能指標(biāo)等。如繪制單位階躍響應(yīng)圖形、根軌跡圖形、奈奎斯特圖形、伯德圖。學(xué)生也可以運(yùn)行該軟件輔助學(xué)習(xí)課程內(nèi)容，并可以檢驗(yàn)部分作業(yè)和習(xí)題的正確性。

（2）仿真實(shí)驗(yàn)部分，有指導(dǎo)學(xué)生獨(dú)立進(jìn)行設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)的說明，從而為學(xué)生提供了仿真實(shí)驗(yàn)的平臺，為完成設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)提供指導(dǎo)。先做仿真實(shí)驗(yàn)再在實(shí)際設(shè)備上實(shí)驗(yàn)，可以有效地提高實(shí)驗(yàn)的效率，使學(xué)生容易將理論與實(shí)際聯(lián)系在一起。實(shí)驗(yàn)采用仿真實(shí)驗(yàn)與實(shí)驗(yàn)設(shè)備相結(jié)合的方式，可以取長補(bǔ)短，既鍛煉了學(xué)生的實(shí)際動手能力又可以利用計(jì)算機(jī)仿真實(shí)驗(yàn)調(diào)整方便的特點(diǎn)，全面提高學(xué)生的各種能力。

（3）教師在課堂上進(jìn)行演示實(shí)驗(yàn)，與課件隨時(shí)切換，分析和設(shè)計(jì)系統(tǒng)，展示實(shí)驗(yàn)過程和結(jié)果。按照所分析的內(nèi)容，嚴(yán)格控制實(shí)驗(yàn)條件，得到準(zhǔn)確的實(shí)驗(yàn)結(jié)論或圖形，一目了然。

2軟件運(yùn)行部分結(jié)果

用戶可以在動態(tài)文本輸入框中輸入想要測試的系統(tǒng)傳遞函數(shù)，然后點(diǎn)擊相應(yīng)的按鈕，就會顯示測試結(jié)果。以“時(shí)域分析”界面為例，在主界面上如圖1所示，點(diǎn)擊“時(shí)域分析”進(jìn)入時(shí)域分析界面，如圖2所示，在連續(xù)部分輸入系統(tǒng)函數(shù)：num=[111]；den=[1234]；點(diǎn)擊“單位階躍響應(yīng)”按鈕，顯示如圖3所示的單位階躍響應(yīng)，并可以得到系統(tǒng)的上升時(shí)間、穩(wěn)定時(shí)間、超調(diào)量等性能指標(biāo)。

仿真實(shí)驗(yàn)以自動控制系統(tǒng)校正為例，已知某系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為=，其閉環(huán)負(fù)反饋系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能不滿足要求，系統(tǒng)對單位輸入的穩(wěn)態(tài)誤差部位零，要求將系統(tǒng)按二階工程最佳的方法進(jìn)行校正。圖4是校正前和校正后系統(tǒng)的仿真結(jié)構(gòu)圖，上部是原系統(tǒng)，下面兩個(gè)系統(tǒng)都是按二階工程最佳校正后的系統(tǒng)，但是控制器的參數(shù)不同，分別為=和=，可以看出校正后系統(tǒng)的動態(tài)性能是不同的，圖5是校正前和校正后系統(tǒng)的單位階躍響應(yīng)圖，其超調(diào)量相同，調(diào)節(jié)時(shí)間不同。由此可從實(shí)驗(yàn)中看出，按二階工程最佳的方法進(jìn)行校正的系統(tǒng)，阻尼系數(shù)等于0.707，所以超調(diào)量相同，但調(diào)節(jié)時(shí)間不同。

3應(yīng)用情況

該軟件隨本作者主編的《自動控制原理》教材已經(jīng)由北京大學(xué)出版社出版，軟件下載的網(wǎng)址為：http：//www.pup6.com。該軟件應(yīng)用在我校自動控制原理課程教學(xué)和實(shí)驗(yàn)中，教師在多媒體教室講課時(shí)，使用該軟件輔助教學(xué)，隨著理論講解并隨時(shí)運(yùn)行軟件進(jìn)行演示實(shí)驗(yàn)或驗(yàn)證相關(guān)的結(jié)論，如繪制根軌跡圖等，大大豐富了多媒體教學(xué)，學(xué)生很容易理解，教學(xué)效果有很好的改觀。學(xué)生用這個(gè)軟件做仿真實(shí)驗(yàn)，有效提高了實(shí)驗(yàn)的效率。另外，該軟件是對用戶開放的，在使用過程中用戶可以隨時(shí)進(jìn)行補(bǔ)充豐富其內(nèi)容。