基于虛擬仿真技術的控制工程基礎教學改革與探索

宋強

摘? 要 Simulink作為MATLAB軟件下的一個重要的組件，在控制工程課程教學和應用中有著舉足輕重的作用。利用MATLAB/Simulink的圖形化工具建立汽車防抱制動系統（anti-lock brake system，簡稱ABS）和電壓—轉角伺服系統的數學模型，最終得到ABS和電壓—轉角伺服系統仿真模型。經仿真，所得結果也是不錯的，因此，MATLAB/Simulink軟件是功能強大的。

關鍵詞 MATLAB;Simulink;控制工程基礎;ABS

中圖分類號：TP391.9? ? 文獻標識碼：B

文章編號：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中的可視化仿真工具，當中有許多小模擬庫，每個庫由若干個功能模塊構成。它被普遍用于線性或非線性系統，數據條件結果的建模和仿真。

Simulink給了一個集成環境對動態系統進行建模仿真和綜合解析[7]。在這種環境中，對于各種動態系統，包括用于各方面的控制系統，不需要大量寫入程序，只需用鼠標進行一些簡便直觀的操作，對系統進行仿真、設計、執行和測試。Simulink具有許多優勢，比如使用廣泛，整體構造清晰，仿真精密，實際應用強，高效靈活，簡單直觀等。基于這些優勢，Simulink在控制系統和數據處理的繁復仿真與解析中運用普遍。也有許多軟件和硬件模仿Simulink中的大量功能來解決問題，并擴展了Simulink的多域仿真模型建立功能。Simulink可以運用MATLAB中的對應模塊來進行建模仿真解析，數據參數處理和調試。

2 控制工程基礎應用：汽車ABS的Simulink模型

采用MATLAB/Simulink圖形化建模工具建立計算機仿真模型，如圖1所示。其中制動器模型和控制模型包含在輪速計算模塊中。以踏板制動力為輸入，控制器根據最佳滑移率和實際滑移率控制輸出制動器制動力矩，最終輸出車輪線速度。汽車動力學模型以附著系數為輸入，以車身速度和制動距離為輸出。最后將車輪線速度、車身速度和制動距離輸入滑移率計算模塊，計算獲得實際滑移率。

本文所采用的汽車參數模型如表1所示。

仿真結果分析? 根據車輛參數進行仿真，最佳滑移率設置υ=0.2，得到的仿真圖形見圖2。由圖2可看出，ABS可控制輪速不至于過低（滑移）而略低于車速，這樣可獲得較好的滑移率。

附近，可以得到較大的縱向附著系數和側向附著系數，因此就有較高的制動穩定性和轉向穩定性。為了便于分析，進行沒有ABS的制動過程仿真，所得結果：根據仿真結果可知，當有ABS的汽車以初速度v0=60/3.6進行制動時，制動距離為17.91，在制動過程中，滑移率能維持在υ=0.2左右;當不帶ABS的汽車以初速度v0=60/3.6進行制動時，制動距離就變為20.72。由此可知，ABS可以有效避免汽車這種抱死脫滑現象，汽車制動時行駛方向的穩定性和操縱性就大大增強，有利于行駛安全。

3 控制工程基礎應用之二：電壓—轉角伺服系統的仿真模型

電壓—轉角機電伺服控制系統的電氣原理圖如圖5所示。電壓量U以系統的輸入量作為輸入，而PI控制環節是直接由直流伺服電機SYL-5和運放大器μA741共同構成的系統元件，轉角就是直接作為系統的輸出量。提高系統的精度可以通過使用放大器的方法來增大開環增益，用來增加系統阻尼。

為了進一步提高這個系統的動靜品質，采取兩種方法：一是提升傳輸特性的線性;二是直接降低伺服電動機的時間常數。這個系統的功能是把輸入電壓作為主變量，轉角輸出作為因變量，而且當位置反饋信號和輸入信號相互比較產生差值，位置偏差會比較于速度反饋信號，在PI校正環節之后，直流伺服電機經過速度偏差驅帶轉動旋轉。與此同時，位置反饋電位計和測速發動機會一起轉動。最后會消除不需要的偏差值，伺服電機會停止在與輸入信號相應的位置上。

然后利用MATLAB/Simulink對系統進行仿真，得到的仿真模型如圖6、圖7所示。

系統的性能雖然受到諸多因素的影響，但是最為重要的兩個特征就是固有頻率和阻尼比的影響。從上面的結果可以得到，阻尼比的大小對系統有著至關重要的影響，如果阻尼太小，在于這個時域響應中，超調量會變得很大，所以振蕩數量也會變得很大，會直接造成這個調整時間過長。從圖中可以直接看出，即使系統達到穩定狀態，也有大量的過沖和震蕩。此外，上升時間會因為系統的阻尼小而造成時間過長，過渡時間也會增長。為了得到需要的系統性能，必須對系統進行校正，從而得到需要的結果。

4 控制工程基礎課程教育教學改革

控制工程基礎課程主要運用MATLAB/Simulink軟件進行虛擬仿真，課程的主要章節進行仿真，在實踐方面取得較好的應用成果，進一步增強了學生的創新能力培養。

1）主要運用MATLAB軟件進行授課，在時域、頻域、數學模型、計算機輔助設計、控制系統設計與校正、控制系統應用與分析等方面全面引入與應用，大大提高了學生的學習興趣，因此對控制工程基礎課程的深入學習也非常強烈，對考研的專業課理論學習也達到一定高度。

2）現在控制工程基礎實驗也采用MATLAB仿真的形式，主要實驗項目包括控制系統的時域分析、控制系統的頻域分析、控制系統的穩定性分析等。隨著實驗的開展和學生實驗項目的逐漸增多，包含Simulink仿真在內的綜合性實驗也會逐漸開展，這樣對Simulink軟件的學習也將進入常態化學習。

3）在控制工程基礎課程中創造性地運用MATLAB/Simu-link等軟件，做到虛實結合。運用計算機和軟件相結合的虛擬仿真技術，不但節省了電氣實驗設備，而且計算效率明顯提高。

4）運用MATLAB/Simulink仿真技術，提供了一個動態系統建模，仿真和綜合分析于一體的集成環境。在該環境中，不需要大量書寫程序，而只需要通過簡單直觀的鼠標操作，就可以構造出復雜的系統。

5）豐富的可擴充的預定義模塊和交互式的圖形編輯器相組合，學生非常感興趣。

6）已經在教學中將該MATLAB教學平臺應用在教學輔助中，學生在課堂教學前和課堂教學后能夠通過該平臺獲得大量的教學輔導資源，為他們進行自主學習提供了可能和幫助。特別是專業課程的理論和實驗教學，非常需要這樣的環境。

7）控制工程基礎相關課程是工作和調研的重點。首先，學生就是機械電子工程專業的，有得天獨厚的條件使用網絡教學平臺;其次，這類課程非常適合采用計算機輔助手段，大多數學生有濃厚的興趣，通過計算機輔助平臺可以極大地滿足學生的知識需求，拓寬知識面，激發學習興趣。

通過近兩年在機械電子工程專業本科班的教學實踐，在課堂教學和實驗教學中通過建設這種網絡教學環境和手段，通過多方評價及學生的意見反饋可以看出，學生是非常肯定的，效果是非常明顯的。首先，教研室的幾位教師在長期的教學過程中積累了針對所教授課程的相當豐富的教學經驗和教學資料，在過去的幾年中多次嘗試充分利用多媒體技術和手段改革教學，已有很多的經驗和感受，所以在搭建MATLAB平臺后，大家非常喜歡，認真學習使用、積極參與，將自己講授的課程掛在該平臺上，將自己多年積累的大量的教學資源提供給學生學習使用，要將MATLAB平臺做成一個教師、學生交互的最好途徑。

5 結語

應用MATLAB/Simulink軟件完成汽車ABS和電壓—轉角伺服系統的仿真分析，MATLAB/Simulink軟件功能強大、擴展性強，因此在控制工程基礎課程中的全面引入，會給控制工程基礎課程教學帶來全新的挑戰。

參考文獻

[1]吳昌洪，秦立泉.高懸塵罩的設計與計算[J].中國機械，2014（7）：163-164.

[2]付建國，王洪亮，鐘明利，等.基于Simulink的汽車ABS建模與仿真[J].中國機械，2014（7）：162-163.

[3]劉白雁，陳新元，傅連東.機電系統動態仿真：基于MATLAB/Simulink[M].北京：機械工業出版社，2015.

[4]王積偉，吳振順.控制工程基礎[M].北京：高等教育出版社，2011.