《控制工程基础》双语课程虚拟实验系统设计

朱　甦，陈新新，代乾龙

南京理工大学紫金学院

《控制工程基础》双语课程虚拟实验系统设计

朱甦，陈新新，代乾龙

南京理工大学紫金学院

针对《控制工程基础》双语教学具体实践中学生对抽象理论和概念难以理解的问题，本文利用MATLAB仿真软件的用户界面GUI模块开发设计了用户界面友好的《控制工程基础》双语课程虚拟实验系统平台。该平台用仿真实验手段取代传统的模拟实验，能够让学习者可以直接了解实验过程中参数如何选择并直观的看出参数变化对系统的影响。

控制工程基础；双语教学；虚拟实验系统；MATLAB

1　引言

《控制工程基础》是高等院校自动化及电气信息类的核心专业课程。但是该课程理论性强，知识覆盖的范围宽广，学生很难理解与掌握抽象的理论和概念，尤其是其中一些复杂的计算和绘图，手工计算和绘制工作量大，不够精准，甚至有些是手工无法完成的。随着时代的发展，虚拟化和智能化已经成为了未来高校课程及实验室的一个重要发展方向。

目前国内外已经有很多科研机构和组织开展了一系列虚拟实验系统的研究和建设工作。尤其是国外的一些顶尖学府，如麻省理工学院的“在线实验室iLab”已经成为该校在校学生实验教学和远程教学的不可或缺的教学软件。还有德国Ruhr大学网络虚拟实验室，该实验室是一个关于控制工程的学习系统，通过直观的三维实验场景视觉效果，依赖各个虚拟实验设备的仿真特性实现对虚拟实验的交互式操作。与发达国家相比，国内开展的工作较少，存在的差距也较大。

目前很多高校《控制工程基础》课程教学中还处于传统课堂讲授加模拟实验阶段，即利用电子模拟实验台和示波器，在实验台上连接典型环节或系统，再施加典型信号，通过示波器观察响应曲线和各项性能指标。这种方法可以一定程度上锻炼学生的动手能力，但有一定的局限性，学生在实验室中只能盲目的接线和调节元件参数值，对于所调节的参数与系统性能的关系难以理解，且观察效果不理想，实验缺乏趣味性，不利于激发学生的实验主动性和创新意识。

我校于2015年3月对《控制工程基础》课程开展了双语教学工作，体现了高等教育的国际化趋势和要求，但是双语教学的实施对师生都提出了更高的要求。笔者采用当前国际上自动控制领域的计算机辅助设计首选软件MATLAB进行编写，利用其用户界面GUI模块设计出一个用户界面友好的《控制工程基础》虚拟实验系统平台。该平台用仿真实验手段取代传统的模拟实验，能够让学习者可以直接了解实验过程中参数如何选择并直观的看出参数变化对系统的影响。最大特点就是学习者本身不需要具备太多的MATLAB编程知识就能够很方便的操作和使用，并且有效的提高双语教学的效果。

2　虚拟实验系统的组成

该实验系统是在MATLAB R2012a版本的语言平台上开发的，采用总分的设计思路，首先确定好整个系统的总体框架，即主界面的设计。其次选取五个控制系统中的基本模块外加一个返回模块作为总体框架的子系统。在代码的实现上采用M文本进行编写。代码完成后再对每个模块进行调试，最后再对界面进行优化。全程采用英文界面演示。

本系统的主界面是本着用户可以很快了解该软件的功能并且可以简单地通过图形用户界面来进行操作的原则设计的。主界面如图1所示。在进入主界面后，可以看到由六个模块组成：根轨迹图，稳定性分析，控制模型输入，时域响应，频域响应等五个模块。这是该程序的主体，包含了各个模块界面的链接，用户通过点击相应的模块就可以进入相应的此界面也就是子窗口进行自己所需要的仿真设计。还有一个模块是退出系统，在用户结束使用时退出MATLAB或者退出实验窗口所设计的。

图1　主界面设计

图2　根轨迹设计

3　子系统设计及实现

该系统包含了5个子系统，以下就典型模块的实现进行阐述。

3.1根轨迹图设计

3.2系统时域响应分析

在经典控制理论中，时域响应分析就是指在时域内，研究在各种形式的输入信号的作用下，系统输出相应的时间特征，就是对系统施加一定形式的输入信号，然后在研究系统相应的输出量随着时间的变化而变化的规律。特别适用于一阶和二阶系统性能的分析和计算。

图3　时域分析

3.3频域响应分析

在自动控制系统中，频域分析法（又称频域响应法）是分析和设计自动控制系统的一种有效地经典的方法。是奈奎斯特在1932年提出来的。由于传递函数只是对系统内部结构的一种不完全描述，只能表征其中直接或间接地由输入可控制和从输出中可观测到的那一部分。故本设计引入状态空间方程进行编写，开发了波特图（又称对数频率特性曲线图），开环奈奎斯特图和闭环奈奎斯特图。如图4所示。选择示例进行分析，已知系统的状态空间表达式为：

图4　频域分析

3.4稳定性分析

稳定是控制系统的重要性能之一，所谓稳定性，就是指系统在受到的扰动消失后恢复到原平衡状态的能力。判断系统稳定的方法有很多，例如有劳斯稳定性判据，赫尔维茨稳定性判据，奈奎斯特稳定性判据等。

本设计依据空间状态方程进行编写代码的。首先求出状态方程的零极点图，然后在进行稳定性的分析。如图5所示。选择示例进行调试，已知系统的状态空间表达式为：

图5　稳定性分析

4　结论

《控制工程基础》双语教学的虚拟实验系统平台的设计与开发是根据教学内容的需要来选取的，能够辅助学习者在完成控制系统中分析与设计过程中所涉及的多种传递函数的计算和绘图，为学习者提供一个简单方便的系统分析和综合的软件操作平台。本设计中系统输入形式的多样化，可以输入函数的零极点形式，学习者通过不同的分子，分母来改变函数的响应曲线；具有精确地绘制出系统传递函数的Bode图、Nyquist图、根轨迹图、冲击响应曲线图等绘图功能；能够根据学习者所给出的参数分析系统的稳定性；能够实现传递函数与状态空间方程两种模式的转换而且界面美观，操作简单，易于应用，满足了双语学习的需求，达到了良好的教学效果。

［1］陆绮荣.基于虚拟仪器技术个人实验室的构建［M］.北京：电子工业出版社，2006：11-13.

［2］邹湘军，孙健，何汉武.虚拟现实技术的演变发展与展望［J］.系统仿真报，2004，（9）：9-11.

［3］潘丰，徐颖秦.自动控制原理［M］.北京：机械工业出版社，2010.

［4］Richmond P.，Chen D.，A model predictive control package for undergraduate education.Education for Chemical Engineers，2012，e43-e50.

南京理工大学紫金学院2013年度教育教学改革与研究课题“《控制工程基础》课程双语教学的探索和实践”（项目编号为20130102004）。

朱甦（1982-），女，汉族，江苏南京人，南京理工大学紫金学院讲师，研究方向为控制理论和控制工程。