基于虚拟仿真技术的控制工程基础教学改革与探索

    宋强

    

    

    

    摘? 要 Simulink作为MATLAB软件下的一个重要的组件，在控制工程课程教学和应用中有着举足轻重的作用。利用MATLAB/Simulink的图形化工具建立汽车防抱制动系统（anti-lock brake system，简称ABS）和电压—转角伺服系统的数学模型，最终得到ABS和电压—转角伺服系统仿真模型。经仿真，所得结果也是不错的，因此，MATLAB/Simulink软件是功能强大的。

    关键词 MATLAB;Simulink;控制工程基础;ABS

    中图分类号：TP391.9? ? 文献标识码：B

    文章编号：1671-489X（2020）08-0044-03

    Abstract As an important component of MATLAB software， Simu-link plays an important role in the teaching and application of control

    engineering. Using the graphical tool of MATLAB / Simulink， the mathematical models of anti-lock brake system （ABS） and voltage angle servo system are established. Finally， the simulation models of?ABS and voltage angle servo system are obtained. The simulation results are also good， so MATLAB / Simulink software is powerful.

    Key words MATLAB; Simulink; foundation of control engineering; ABS

    1 引言

    Simulink是MATLAB中的可视化仿真工具，当中有许多小模拟库，每个库由若干个功能模块构成。它被普遍用于线性或非线性系统，数据条件结果的建模和仿真。

    Simulink给了一个集成环境对动态系统进行建模仿真和综合解析[7]。在这种环境中，对于各种动态系统，包括用于各方面的控制系统，不需要大量写入程序，只需用鼠标进行一些简便直观的操作，对系统进行仿真、设计、执行和测试。Simulink具有许多优势，比如使用广泛，整体构造清晰，仿真精密，实际应用强，高效灵活，简单直观等。基于这些优势，Simulink在控制系统和数据处理的繁复仿真与解析中运用普遍。也有许多软件和硬件模仿Simulink中的大量功能来解决问题，并扩展了Simulink的多域仿真模型建立功能。Simulink可以运用MATLAB中的对应模块来进行建模仿真解析，数据参数处理和调试。

    2 控制工程基础应用：汽车ABS的Simulink模型

    采用MATLAB/Simulink图形化建模工具建立计算机仿真模型，如图1所示。其中制动器模型和控制模型包含在轮速计算模块中。以踏板制动力为输入，控制器根据最佳滑移率和实际滑移率控制输出制动器制动力矩，最终输出车轮线速度。汽车动力学模型以附着系数为输入，以车身速度和制动距离为输出。最后将车轮线速度、车身速度和制动距离输入滑移率计算模块，计算获得实际滑移率。

    本文所采用的汽车参数模型如表1所示。

    仿真结果分析? 根据车辆参数进行仿真，最佳滑移率设置υ=0.2，得到的仿真图形见图2。由图2可看出，ABS可控制轮速不至于过低（滑移）而略低于车速，这样可获得较好的滑移率。

    附近，可以得到较大的纵向附着系数和侧向附着系数，因此就有较高的制动稳定性和转向稳定性。为了便于分析，进行没有ABS的制动过程仿真，所得结果：根据仿真结果可知，当有ABS的汽车以初速度v0=60/3.6进行制动时，制动距离为17.91，在制动过程中，滑移率能维持在υ=0.2左右;当不带ABS的汽车以初速度v0=60/3.6进行制动时，制动距离就变为20.72。由此可知，ABS可以有效避免汽车这种抱死脱滑现象，汽车制动时行驶方向的稳定性和操纵性就大大增强，有利于行驶安全。

    3 控制工程基础应用之二：电压—转角伺服系统的仿真模型

    电压—转角机电伺服控制系统的电气原理图如图5所示。电压量U以系统的输入量作为输入，而PI控制环节是直接由直流伺服电机SYL-5和运放大器μA741共同构成的系统元件，转角就是直接作为系统的输出量。提高系统的精度可以通过使用放大器的方法来增大开环增益，用来增加系统阻尼。

    为了进一步提高这个系统的动静品质，采取两种方法：一是提升传输特性的线性;二是直接降低伺服电动机的时间常数。这个系统的功能是把输入电压作为主變量，转角输出作为因变量，而且当位置反馈信号和输入信号相互比较产生差值，位置偏差会比较于速度反馈信号，在PI校正环节之后，直流伺服电机经过速度偏差驱带转动旋转。与此同时，位置反馈电位计和测速发动机会一起转动。最后会消除不需要的偏差值，伺服电机会停止在与输入信号相应的位置上。

    然后利用MATLAB/Simulink对系统进行仿真，得到的仿真模型如图6、图7所示。

    系统的性能虽然受到诸多因素的影响，但是最为重要的两个特征就是固有频率和阻尼比的影响。从上面的结果可以得到，阻尼比的大小对系统有着至关重要的影响，如果阻尼太小，在于这个时域响应中，超调量会变得很大，所以振荡数量也会变得很大，会直接造成这个调整时间过长。从图中可以直接看出，即使系统达到稳定状态，也有大量的过冲和震荡。此外，上升时间会因为系统的阻尼小而造成时间过长，过渡时间也会增长。为了得到需要的系统性能，必须对系统进行校正，从而得到需要的结果。

    4 控制工程基础课程教育教学改革

    控制工程基础课程主要运用MATLAB/Simulink软件进行虚拟仿真，课程的主要章节进行仿真，在实践方面取得较好的应用成果，进一步增强了学生的创新能力培养。

    1）主要运用MATLAB软件进行授课，在时域、频域、数学模型、计算机辅助设计、控制系统设计与校正、控制系统应用与分析等方面全面引入与应用，大大提高了学生的学习兴趣，因此对控制工程基础课程的深入学习也非常强烈，对考研的专业课理论学习也达到一定高度。

    2）现在控制工程基础实验也采用MATLAB仿真的形式，主要实验项目包括控制系统的时域分析、控制系统的频域分析、控制系統的稳定性分析等。随着实验的开展和学生实验项目的逐渐增多，包含Simulink仿真在内的综合性实验也会逐渐开展，这样对Simulink软件的学习也将进入常态化学习。

    3）在控制工程基础课程中创造性地运用MATLAB/Simu-link等软件，做到虚实结合。运用计算机和软件相结合的虚拟仿真技术，不但节省了电气实验设备，而且计算效率明显提高。

    4）运用MATLAB/Simulink仿真技术，提供了一个动态系统建模，仿真和综合分析于一体的集成环境。在该环境中，不需要大量书写程序，而只需要通过简单直观的鼠标操作，就可以构造出复杂的系统。

    5）丰富的可扩充的预定义模块和交互式的图形编辑器相组合，学生非常感兴趣。

    6）已经在教学中将该MATLAB教学平台应用在教学辅助中，学生在课堂教学前和课堂教学后能够通过该平台获得大量的教学辅导资源，为他们进行自主学习提供了可能和帮助。特别是专业课程的理论和实验教学，非常需要这样的环境。

    7）控制工程基础相关课程是工作和调研的重点。首先，学生就是机械电子工程专业的，有得天独厚的条件使用网络教学平台;其次，这类课程非常适合采用计算机辅助手段，大多数学生有浓厚的兴趣，通过计算机辅助平台可以极大地满足学生的知识需求，拓宽知识面，激发学习兴趣。

    通过近两年在机械电子工程专业本科班的教学实践，在课堂教学和实验教学中通过建设这种网络教学环境和手段，通过多方评价及学生的意见反馈可以看出，学生是非常肯定的，效果是非常明显的。首先，教研室的几位教师在长期的教学过程中积累了针对所教授课程的相当丰富的教学经验和教学资料，在过去的几年中多次尝试充分利用多媒体技术和手段改革教学，已有很多的经验和感受，所以在搭建MATLAB平台后，大家非常喜欢，认真学习使用、积极参与，将自己讲授的课程挂在该平台上，将自己多年积累的大量的教学资源提供给学生学习使用，要将MATLAB平台做成一个教师、学生交互的最好途径。

    5 结语

    应用MATLAB/Simulink软件完成汽车ABS和电压—转角伺服系统的仿真分析，MATLAB/Simulink软件功能强大、扩展性强，因此在控制工程基础课程中的全面引入，会给控制工程基础课程教学带来全新的挑战。

    参考文献

    [1]吴昌洪，秦立泉.高悬尘罩的设计与计算[J].中国机械，2014（7）：163-164.

    [2]付建国，王洪亮，钟明利，等.基于Simulink的汽车ABS建模与仿真[J].中国机械，2014（7）：162-163.

    [3]刘白雁，陈新元，傅连东.机电系统动态仿真：基于MATLAB/Simulink[M].北京：机械工业出版社，2015.

    [4]王积伟，吴振顺.控制工程基础[M].北京：高等教育出版社，2011.