數(shù)字仿真強(qiáng)化應(yīng)用的改革思路

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本文作者：袁明新、王琪、洪磊、張鵬、申?duì)D 單位：江蘇科技大學(xué)機(jī)電與汽車工程學(xué)院

自動(dòng)控制工程是高校電氣、自動(dòng)化和機(jī)械類專業(yè)的重要技術(shù)基礎(chǔ)課，具有理論性強(qiáng)、公式推導(dǎo)多和內(nèi)容抽象等特點(diǎn)，學(xué)生學(xué)習(xí)時(shí)，經(jīng)常感到枯燥、乏味。如何激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣、培養(yǎng)學(xué)習(xí)主動(dòng)性，一直是課程一線教師所不斷追求的目標(biāo)。引入基于MATLAB的數(shù)字仿真，是當(dāng)前改革亮點(diǎn)[1~2]，其豐富了課堂內(nèi)容，淡化了公式推導(dǎo)，激發(fā)了學(xué)習(xí)興趣，但在知識(shí)綜合運(yùn)用和創(chuàng)新能力培養(yǎng)方面，還遠(yuǎn)未達(dá)到期望改革效果。

究其原因有：（1）在理論教學(xué)上，目前更多利用MATLAB控制工具箱來規(guī)避繁瑣公式推導(dǎo)，弱化了抽象但屬于核心的知識(shí)點(diǎn)的掌握[3]；（2）在實(shí)踐教學(xué)上，強(qiáng)調(diào)利用軟件平臺(tái)提高學(xué)生實(shí)驗(yàn)參與率，弱化了實(shí)踐中的操作能力，不利于創(chuàng)新能力的培養(yǎng)[4]。數(shù)字仿真對(duì)提高控制工程教學(xué)品質(zhì)是毋需質(zhì)疑的，但目前與教學(xué)結(jié)合度還不夠，還有待進(jìn)一步強(qiáng)化其在教學(xué)中的應(yīng)用。為此，課題組開展了基于工程驅(qū)動(dòng)的課程改革，并將基于數(shù)字仿真的教學(xué)手段作為重點(diǎn)研究對(duì)象，并進(jìn)行了相應(yīng)的探索和實(shí)踐。

1MATLAB強(qiáng)化應(yīng)用的改革思路

MATLAB具有面向?qū)ο蠛蛨D形快速可視化優(yōu)點(diǎn)，且擁有強(qiáng)大的控制工具箱，是控制系統(tǒng)輔助分析與設(shè)計(jì)的優(yōu)秀技術(shù)平臺(tái)。課題組將其引入到課程教學(xué)中，并從學(xué)生課程知識(shí)體系以及應(yīng)用能力培養(yǎng)角度出發(fā)，探索其在機(jī)械控制工程教學(xué)中的強(qiáng)化應(yīng)用。具體改革體現(xiàn)在以下3個(gè)方面。

1.1控制工程知識(shí)點(diǎn)的MATLAB實(shí)現(xiàn)

針對(duì)機(jī)械控制工程理論性強(qiáng)、數(shù)學(xué)公式多等特點(diǎn)，課題組一方面利用MATLAB的強(qiáng)大控制工具箱來淡化公式推導(dǎo)，重視公式運(yùn)用，實(shí)現(xiàn)知識(shí)具體化，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣；另一方面，從應(yīng)用能力培養(yǎng)出發(fā)，盡可能將先進(jìn)控制工具箱教給學(xué)生。為此，課題組凝煉出如表1所示的MATLAB教學(xué)控制工具箱。在課程教學(xué)過程中，當(dāng)遇到公式推導(dǎo)較多的知識(shí)點(diǎn)時(shí)，比如第二章中高階系統(tǒng)的階躍響應(yīng)時(shí)，則利用step函數(shù)，將學(xué)生注意力轉(zhuǎn)移到系統(tǒng)響應(yīng)上來。而在每一章教學(xué)結(jié)束時(shí)，對(duì)表1中未用到的工具，則進(jìn)行集中講解，以便學(xué)生對(duì)其有一個(gè)較為全面的了解和掌握，從而為后續(xù)的綜合性實(shí)踐打好基礎(chǔ)。

1.2控制工程知識(shí)點(diǎn)的MATLAB詮釋

利用MATLAB實(shí)現(xiàn)控制工程知識(shí)點(diǎn)，可以規(guī)避公式推導(dǎo)，但對(duì)于一些抽象的核心知識(shí)點(diǎn)，則不能一味避重就輕，否則不利于學(xué)生對(duì)知識(shí)的系統(tǒng)掌握。針對(duì)此，課題組利用MATLAB的圖形快速可視優(yōu)點(diǎn)，通過程序來詮釋知識(shí)點(diǎn)。比如為了更好闡述二階系統(tǒng)階躍響應(yīng)與阻尼比關(guān)系，課題組通過現(xiàn)場(chǎng)編程來進(jìn)行知識(shí)點(diǎn)詮釋，達(dá)到了較好的教學(xué)效果。目前，這種教學(xué)方式在控制工程的教改中并不多。但實(shí)踐證明，該方式卻真正有助于加深學(xué)生對(duì)知識(shí)的理解。為了進(jìn)一步說明該教學(xué)方式，文中將在后面給出案例設(shè)計(jì)和實(shí)踐。

1.3控制工程知識(shí)點(diǎn)的MATLAB實(shí)踐

實(shí)踐環(huán)節(jié)對(duì)于工科類學(xué)生來說非常重要，基于MATLAB的數(shù)字仿真，已經(jīng)在控制工程實(shí)踐中得到嘗試。但目前改革集中在通過數(shù)字仿真來提高學(xué)生實(shí)驗(yàn)參與率，忽視了與物理系統(tǒng)的聯(lián)系，這并不有利于學(xué)生動(dòng)手能力的培養(yǎng)。針對(duì)該情況，課題組提出了MATLAB在控制工程實(shí)踐中的多層次性強(qiáng)化應(yīng)用。

（1）課內(nèi)實(shí)驗(yàn)。該系列實(shí)驗(yàn)，以往通常是按圖索驥地搭建電路圖來模擬典型環(huán)節(jié)、二階系統(tǒng)等進(jìn)行系統(tǒng)響應(yīng)測(cè)試。由于系統(tǒng)參數(shù)是事先給定，因此實(shí)驗(yàn)弱化了學(xué)生動(dòng)手能力。為了強(qiáng)化MATLAB的實(shí)踐指導(dǎo)作用，并將實(shí)驗(yàn)由驗(yàn)證型向設(shè)計(jì)型轉(zhuǎn)變，課題組在實(shí)驗(yàn)前先提供一些機(jī)械平移系統(tǒng)和電氣系統(tǒng)等，讓學(xué)生自主分析、計(jì)算獲得系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型；然后利用MAT-LAB來進(jìn)行系統(tǒng)時(shí)域和頻域響應(yīng)的仿真；最后再借助實(shí)驗(yàn)設(shè)備進(jìn)行系統(tǒng)搭建、測(cè)試，并與仿真結(jié)果比較。這樣，不僅促進(jìn)了學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的靈活運(yùn)用，而且強(qiáng)化了MATLAB數(shù)字仿真和動(dòng)手實(shí)踐能力。

（2）專業(yè)課程設(shè)計(jì)。在兩周的課程設(shè)計(jì)中，指導(dǎo)老師配合工程驅(qū)動(dòng)的課程改革，首先以項(xiàng)目任務(wù)形式下達(dá)課題；其次在項(xiàng)目系統(tǒng)模型方面，要求進(jìn)行數(shù)學(xué)建模；再次在系統(tǒng)性能方面，要求運(yùn)用MATLAB進(jìn)行測(cè)試仿真；最后在控制策略部分，要求基于Simulink平臺(tái)進(jìn)行仿真。通過項(xiàng)目實(shí)施讓學(xué)生掌握MATLAB編程技術(shù)，提高知識(shí)綜合運(yùn)用和實(shí)踐能力。

（3）第二課堂。為了培養(yǎng)大學(xué)生創(chuàng)新和實(shí)踐能力，學(xué)校每年開展大學(xué)生本科創(chuàng)新計(jì)劃。機(jī)械控制工程教學(xué)改革以來，在課題組指導(dǎo)下，學(xué)生共申請(qǐng)了數(shù)十項(xiàng)以控制為主的本科創(chuàng)新項(xiàng)目，比如服務(wù)機(jī)器人導(dǎo)航運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。該項(xiàng)目融合了數(shù)學(xué)建模、時(shí)域分析和PID控制等知識(shí)。圖1為學(xué)生基于Simulink設(shè)計(jì)的車輪PID控制仿真模型。通過該模型，學(xué)生不僅實(shí)現(xiàn)了PID參數(shù)整定，而且培養(yǎng)了自身系統(tǒng)分析和設(shè)計(jì)能力。

2MATLAB教學(xué)案例設(shè)計(jì)與實(shí)踐

為了進(jìn)一步闡述強(qiáng)化數(shù)字仿真對(duì)教學(xué)效果的提高，針對(duì)知識(shí)點(diǎn)的MATLAB詮釋，本節(jié)設(shè)計(jì)了教學(xué)案例。案例內(nèi)容主要是根據(jù)式（1）所示系統(tǒng)傳遞函數(shù)，通過MATLAB編程，利用圖形來詮釋PID控制器參數(shù)作用?？刂破鞑捎萌缡剑?）所示的位置式數(shù)字PID，其包括3個(gè)環(huán)節(jié)，即比例、積分和微分。然后構(gòu)建如圖2所示的閉環(huán)控制系統(tǒng)，并通過編程來實(shí)現(xiàn)該控制平臺(tái)。限于篇幅，本文不再列出程序代碼。在教學(xué)時(shí)，課題組按照比例、積分和微分系數(shù)順序，通過程序和圖形比較來進(jìn)行參數(shù)調(diào)節(jié)知識(shí)點(diǎn)詮釋。

2.1比例系數(shù)調(diào)節(jié)

比例環(huán)節(jié)主要是對(duì)偏差信號(hào)做出反應(yīng)。比例系數(shù)Kp越大，其控制作用越強(qiáng)，可以加快系統(tǒng)響應(yīng)速度。在Ki、Kd不變前提下，課題組讓Kp分別取值0.1、0.5、5，通過程序?qū)?種PID控制的比較結(jié)果（如圖3所示）展示給學(xué)生。然后引導(dǎo)學(xué)生觀察：當(dāng)Kp由0.1變?yōu)?.5時(shí)，縮短了系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間，提高了響應(yīng)速度，當(dāng)進(jìn)一步增大至5時(shí)，雖然同樣減少了響應(yīng)時(shí)間，但是出現(xiàn)較大的超調(diào)，甚至引起系統(tǒng)振蕩，影響了系統(tǒng)穩(wěn)定性。

2.2積分系數(shù)調(diào)節(jié)

積分環(huán)節(jié)主要對(duì)偏差信號(hào)進(jìn)行累積。只要有足夠的時(shí)間，積分控制將能夠消除靜態(tài)偏差。在Kp、Kd不變的前提下，課題組讓Ki分別取值0.5、2、8進(jìn)行程序運(yùn)行，并最終獲得圖4的比較結(jié)果；然后再引導(dǎo)學(xué)生觀察：當(dāng)Ki取0.5時(shí)，系統(tǒng)有靜態(tài)誤差；當(dāng)取2時(shí)，消除了靜態(tài)誤差，但當(dāng)值進(jìn)一步增大時(shí)，將出現(xiàn)振蕩。

2.3微分系數(shù)調(diào)節(jié)

微分環(huán)節(jié)主要是獲得偏差變化率，來加快系統(tǒng)響應(yīng)速度，減小超調(diào)，克服振蕩。同樣在Kp、Ki不變的前提下，課題組讓Kd分別取值0.01、0.1、1進(jìn)行程序運(yùn)行，并最終獲得圖5的比較結(jié)果；然后引導(dǎo)學(xué)生觀察：當(dāng)Kd取0.01時(shí)，系統(tǒng)振蕩非常明顯；當(dāng)取0.1時(shí)，減小了超調(diào)，克服了一定的振蕩；而當(dāng)值進(jìn)一步增大時(shí)，超調(diào)增大且出現(xiàn)振蕩。

通過程序來詮釋知識(shí)點(diǎn)，一方面有助于學(xué)生掌握基于MATLAB的編程應(yīng)用，另一方面基于MAT-LAB的快速圖示化，有助于加深知識(shí)點(diǎn)理解。

3結(jié)束語(yǔ)

機(jī)械控制工程課程具有理論性強(qiáng)、數(shù)學(xué)公式多、學(xué)時(shí)少等特點(diǎn)。引入基于MATLAB的數(shù)字仿真技術(shù)，并進(jìn)行強(qiáng)化應(yīng)用，可以有助于提高理論和實(shí)踐環(huán)節(jié)的教學(xué)效果。課題組從課程改革的早期探索，到后期立項(xiàng)及實(shí)踐已經(jīng)近兩年，期間與學(xué)生合作6篇，“四軸飛行器”在2010年江蘇省機(jī)械創(chuàng)新大賽中榮獲二等獎(jiǎng)，“飛思卡爾”智能車在2011年榮獲華東賽區(qū)光電組和攝像頭組兩個(gè)二等獎(jiǎng)、電磁組三等獎(jiǎng)。實(shí)踐結(jié)果表明，課題組的教學(xué)改革是有效的，培養(yǎng)了學(xué)生創(chuàng)新能力，提高了分析問題和解決問題能力。