自动控制原理的仿真实验教学设计

隋修武++黄杰++孟建军++申卫国

DOI：10.16660/j.cnki.1672-3791.2016.19.119

摘 要：自动控制原理是测控技术与仪器专业的重要主干课，该门课程的实验教学是提高基础理论教学效果，增强学生对控制系统深入认识的重要手段。由于各高校的实际校情不同，实验条件相差很大，很多学校无法进行有成效的在实验台上的实验，而进行控制系统的仿真是解决这一问题的有效途径。针对上述问题，建立了自动控制原理的计算机仿真实验体系，只需借助于MATLAB/SIMULINK软件，即可完成各种控制系统的分析、研究和实验。

关键词：测控技术与仪器 自动控制原理 MATLAB/SIMULINK 计算机仿真

中图分类号：G420 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2016）07（a）-0119-02

1 自动控制原理的实验教学

自动控制原理这门课理论性强，比较抽象，学生学习有一定的难度，因此实验环节教学效果的好坏对学生牢固掌握课堂理论知识、提高教学效果起着非常重要的作用。在目前普遍课时压缩，教学要求提高的前提下，实验教学要解决以下几个方面的问题：如何加深学生对课程中基本概念基本理论的理解；如何提高学生理论联系实际的能力；如何培养学生实践动手能力、分析解决控制过程中实际问题的能力；如何在实验教学中融入新的科技发展成果，培养利用现代化的实验和仿真手段快速检验和实现新的控制理论和算法的能力。

2 自动控制原理的计算机仿真实验体系

采用MATLAB/SIMULINK软件进行仿真，可以避免对专用实验场地的依赖，可以进行各种控制试验，完成实验效果，达到实验目的。自动控制原理的教学内容比较丰富，包括经典控制理论、现代控制理论，既涉及线性时不变系统，又涉及非线性系统，既涉及连续系统，又涉及离散系统。仿真实验采用两种模式，一种是运用MATLAB语言进行编程，完成相应的控制系统的构建和性能分析，一种是采用MATLAB中集成的仿真环境SIMULINK进行模块化设计。该文仅以少学时的自动控制原理中讲到的经典控制理论中的线性时不变连续系统为例加以说明。仿真实验内容主要包括：控制系统建模；各类模型之间的转化；复杂控制系统的化简；典型输入信号分析；典型环节的响应分析；二阶系统的性能指标分析；采用多种方法进行系统稳定性分析；线性系统的根轨迹分析；控制系统的频域特性及频域性能指标分析；系统校正效果分析等。

下面以典型二阶系统的阶跃响应为例，介绍一下MATLAB脚本语言编程与SIMULINK模块仿真。该实验的目的是通过改变系统动态模型的参数，研究二阶系统的重要参数阻尼比对系统动态响应的影响。二阶系统的传递函数为：，比较当=10，=0，0.25，0.5，0.7，1.2时系统的响应特性。

采用MATLAB语言编写的脚本文件：

Wn=10；

Kosi=[0，0.25，0.5，0.7，1.2]；

Num=Wn^2；

figure（1）

hold on

for i=1：5

Den=[1，2*Kosi（i）*Wn，Wn^2]；

t=[0：0.01：4]；

Step（Num，Den，t）

end

hold off

title（Step Response）

响应曲线如下：

从图中可以清楚地看到二阶系统的响应规律，当一定时，随着的增加，振荡减弱，超调减少，调节时间减小。

同样，可以采用SIMULINK建立二阶系统的控制模型，通过双击示波器Scope，可以看到SIMULINK的仿真曲线。

通过仿真实验可以体会到，二者均可以有效地进行控制系统的仿真，可以有效地达到实验目的。采用SIMULINK构建系统模型更加方便快捷，而采用MATLAB脚本语言则更能锻炼同学的逻辑思维能力。

3 结语

通过仿真实验，不仅能帮助同学们深入熟悉和掌握自动控制原理的基本知识，而且能锻炼同学们的逻辑思维和编程能力，为其以后在测控系统设计和计算机控制算法的实现方面打下坚实基础，对自动控制原理的教学起到画龙点睛的作用。

参考文献

[1] 隋修武，李大鹏，张宏杰，等.基于“课程群建设”及“浸润式实践”的测控专业人才培养模式[J].教育教学论坛，2013（49）：140-141.

[2] 郑勇，徐继宁，胡敦利，等，自动控制原理实验教程[M].北京：国防工业出版社，2010.