虛擬仿真技術在自動控制原理實驗教學中的應用

劉旭鋒 江亮 王藝光

摘 要：本文針對自動控制原理實驗教學中存在的弊端，將虛擬仿真技術引入自動控制原理實驗課程教學中。以該課堂中常見的線性定常系統穩定增益的求取為例，給出了程序設計代碼，說明了虛擬仿真教學在該課程教學中的重要性和優良性。通過引入虛擬仿真技術，不僅節省了晦澀的數學公式推到和繁瑣的計算，提高學生的學習興趣和編程技巧，同時也避免教師重復繁重的統計工作，提高課堂的教學效果，這對于自動控制原理實驗教學改革是非常的意義的。

自動控制原理是電氣自動化專業一門必修專業課。因該課程含有較多的數學計算，而且較多和高等數學中的復變函數相關。很多學生對高等數學有強烈的恐懼感，自然的將自動控制原理劃分為“望而生畏”的一門難學的課。而自動控制原理的實驗課缺乏相關實驗設備，或設備昂貴。甚至有學生修完了課程，學分也拿到了，仍然感覺該課程是一門數學課。之所以會出現上述現象其主要原因還是在于在實際生活中，學生沒能體會到自動控制原理的應用，沒能感受到它的真實存在。

傳統的自動控制原理實驗常見的有兩形式。第一種是學校購買自動控制原理實驗箱，學生上課進只要根據實驗指導書中的原理圖接線，檢查電路，按下啟動按鈕，即可以得到預設的實驗效果。第一種是購買電子元器件，如電阻、電容、電感、三極管、放大器等等。學生設計電路來驗證自動控制的相關原理。第一種方法不經濟、設備費用較貴，學生僅僅是一個操作者，即使做出了實驗效果，對其中的原理也是一知半解。第二種方法。雖然學生從最初的原理分析、電路設計、元器件的選擇、電路焊接、結果分析，全程參與。效果較好，但花費的課時要比正常課時多出2-3倍[1]。

1 虛擬仿真技術的現狀

將虛擬仿真技術應用于教學上就誕生了所謂的虛擬仿真教學。美國作為虛擬仿真技術的發源地，同時也是首次將虛擬仿真技術和教育教學相結合。英國的諾丁漢大學研究了一套虛擬仿真系統包括軟件包和桌面虛擬仿真的輸入設備。該系統包含了相關課程所需的實驗儀器設備，可以進行虛擬仿真授課，也可以應用于教學安全培訓。在中國，各大高校和研究所已經開始利用虛擬仿真技術進行虛擬場景的建設和并已在相關課堂開始推廣應用[2]。例如，中國科技大學利用擬仿真技術發開了一套完整的虛擬仿真教學儀器[3]。該儀器可以用于幾何光學實驗，將幾何光學、儀器智能化、計算機技術與物理儀器相結合，拓展了物理儀器的應用范圍。北京潤尼爾網絡科技有限公司以虛擬仿真技術和網絡技術為基礎，研發了多種虛擬仿真實驗室，并應用于多個高校的教學中。北京郵電大學擁有國家級虛擬仿真實驗教學示范中心，在虛擬仿真實驗教學中處于國內領先地位。

2 ?虛擬仿真教學實例

下面以自動控制原理中常見的系統穩定性的判斷、整定、增益K的范圍求取為例，說明虛擬仿真技術在自動控制原理實驗課程中的應用。

已知如下所述的單位負反饋系統的開環傳遞函數為1/（S3+2S2+4S），求使得系統穩定的K的取值范圍。單位負反饋閉環傳遞函數特征方程為開環傳遞函數分子加分母等于0，則系統的閉環特征方程為：S3+2S2+4S+K=0.

Matlab程序如下：

系統穩定時K的取值范圍由以下程序求出。

k=0;%%給定增益初值

TeZhengFangChengXiShu=[1 2 4 k];%%特性方程系系數從高到低組成的行向量

[Hang，lie]=size（TeZhengFangChengXiShu）;%%求行向量的維數

gen=roots（TeZhengFangChengXiShu）;%初值下的特性根

Counter=1;%%計數次數

while（all（gen<=0））%%判定特性根實部是否為正

JiHe（：，Counter）=gen;%%%將符合條件的特性根保存于數組中

Counter=Counter+1;%%計數次數加1

%更新行向量 增益加0.2

TeZhengFangChengXiShu（1，lie）=TeZhengFangChengXiShu（1，lie）+0.2;

gen=roots（TeZhengFangChengXiShu）;%%求更新后的特征根

end

k=TeZhengFangChengXiShu（：，lie）%顯示最終的增益

K從0增加到8時，系統是穩定的。超過8的第1個增益8.2，系統的閉環特性方程出現具有正實部的特性根，系統不穩定。因此使得系統系統的增益的范圍為0

本例中系統是沒有增益，即增益K=0時就是穩定的，但系統的快速性和準確性并是最佳的，尤其是快速性非常差，因此要增大增益，以犧牲部分穩定性來換取快速性，所以在求穩定增益的范圍是通過求不穩定的點獲取的。

但本例的編程思路同樣可以用于尋找穩定增益點。即已知系統是不穩定的，在總體思路不變的前提條件下，通過修改部分參數來實現穩定增益點的尋找。若采用傳統的數學推到計算，其中的推到過程和計算量將非常繁瑣。若采用圖像繪制法來求解精度會急劇下降。

3 結語

虛擬仿真教擁有學效率高、成本低、內容豐富等獨特的優勢，得到越來越多高校的應用和推廣。將虛擬仿真教學與其他先進的教學方法相結合，并應用于電氣工程類實驗課程的教學中，不僅節約教學資源和教學設備，教學方法將不受教學場地和教學時間的限制，將大大提高學生的學習興趣和編程技巧、避免重復性的工作、使得教師有更多精力投入課堂的設計與教學中、提高課堂的教學效果，促進自動控制原理的課程改革。

參考文獻：

[1]陶洪峰. 自動控制原理課程的混合式教學模式探索[J]. 大學教育， 2019， 000（003）：62-64.

[2]李房云， 付佳雯， 陳雨晴，等. 基于MATLAB的《自動控制原理》課程仿真實驗教學平臺的開發與研究[J]. 計算機產品與流通， 2019（06）：182.

[3]鄭發躍， 曲鳴飛. 虛擬仿真技術在電子教學中的應用[J]. 中國科技博覽， 2013， 000（006）：P.109-110.

作者簡介：

劉旭鋒（1989-），男，漢族，山西運城人，工學碩士，助教，研究方向：復雜機電系統的控制。

江亮（1991-），男，碩士，研究方向：船舶電氣控