时间：2023-05-29 18:21:59
开篇：写作不仅是一种记录，更是一种创造，它让我们能够捕捉那些稍纵即逝的灵感，将它们永久地定格在纸上。下面是小编精心整理的12篇控制系统仿真，希望这些内容能成为您创作过程中的良师益友，陪伴您不断探索和进步。
线性最优控制理论线性最优励磁控制器仿真
0引言
在线性最优控制理论中应用同步发电机励磁控制的设计已引起了广泛重视，它突破了古典控制理论单输入、单输出控制的局限，实现了全状态量反馈的最优励磁控制。线性最优励磁控制器( LOEC)可以使远距离输电系统的静稳定极限大为提高，同时改善了系统遭受小扰动时的阻尼特性。
1线性最优控制理论基础
1.1线性最优控制原理
线性最优控制理论是现代控制理论中一个发展比较完善、应用较为广泛的重要分支，其研究的中心问题是选择最优控制规律，以使得控制系统在特定指标条件下的性能为最优。
2线性最优励磁控制系统的数学模型
比较精确的同步发电机的数学模型是七阶帕克(Park)模型，其中定子绕组二阶、阻尼绕组二阶、转子运动方程二阶、转子绕组一阶。由于定子绕组和转子绕组的时间常数相对转子绕组的减小，其动态过程衰减速度较快，在适时控制中可以忽略。为了容易实现并满足实时控制的要求，建立线性最优励磁控制系统的数学模型时通常进行如下简化：
(1)忽略同步发电机的次暂态过程；
(2)忽略同步发电机定子回路及输电线路的电阻；
(3)不计转速变化对电磁过程的影响，近似用恒定阻尼系数D来反映机械阻尼转矩的影响。简化后，同步发电机可用三阶状态方程来描述。如果采用励磁机则需要再增加一阶方程，对于快速励磁系统，则采用三阶发电机状态方程即可。下面，将以单机无穷大系统为例设计其全状态量反馈的最优控制器。
3线性最优励磁控制器的设计及仿真结果分析
A和B是由网络参数和运行点所确定的系数矩阵。实际程序中选择教材175页例题所用数据进行仿真，仿真运行结果是：系统是稳定的，且是完全可控、完全可观的。
仿真所得曲线如下：
从仿真结果可以看出,对于一般的扰动,最优励磁控制具备了良好的电压性能,并且表现了良好的动态特性。同时值得指出的是,线性最优励磁控制具有全状态量反馈,能够保证系统在过渡过程中各状态量对其稳态值的误差平方的积分最小,所以对系统内的参数摄动不敏感,其控制效果不受振荡频率的影响。
参考文献：
[1]卢强,王仲鸿,韩英铎.输电系统最优控制[M].北京:科学出版社, 1987.
关键词：PLC；仿真控制系统；以太网
中图分类号：TP2
文献标识码A
文章编号2095-6363（2017）04-0072-02
运载火箭系统中，地面测试发射控制系统（以下简称测发控系统）用于完成对运载火箭各分系统测试、总检查、射前检查和发射控制任务，直接关系到最终发射任务的成败，考核测发控系统的可靠性显得尤为重要，这就需要一套模拟箭上设备的仿真控制系统来完成对测发控系统的考核测试。近年来，运载火箭发射任务密度越来越高，原有的仿真控制系统已经无法满足系统测试短进度、高效率的要求。高集成度、高智能化是当前仿真控制系统最为重要的系统性能指标。本文将介绍PLC技术在仿真控制系统中的应用。
1.系统组成及功能
1.1系统组成
PLC作为一种通用的工业控制器，它必须能够在各种不同的工业环境中正常工作。对工作环境的要求较低，抗外部干扰能力强，平均无故障工作时间（MTBF）长是PLC在各行业得到广泛应用的重要原因之一。
仿真控制系统由信号调理单元、PLC和工业计算机组成。信号调理单元由继电器控制板和时序信号板组成，是仿真控制系统与地面测发控系统的接口环节，一方面将地面测发控系统发出的指令信号隔离转换成与PLC接口相匹配的信号，另一方面将PLC的输出信号隔离转换成与箭地接口相一致的信号供测发控系统测量。PLC通过以太网与工业计算机（即上位机）连接，用户可通过上位机软件实时监视PLC的运行状态。
1.2系统功能
仿真控制系统主要模拟火箭的供配电系统和时序指令系统，供配电仿真系统模拟火箭供配电逻辑，考核验证地面测发控系统对箭的供配电功能。时序仿真系统模拟火箭时序指令，考核验证地面测发控系统的时序指令测试功能。
2.系统硬件设计
2.1供配电仿真硬件设计
由继电器隔离电路完成供配电指令信号与PLC输入模块的隔离，确保仿真系统PLC与地面测发控系统相对独立，保证系统工作的可靠性。PLC输出模块驱动继电器控制电路，输出相应的配电指示信号。
2.2时序仿真硬件设计
时序仿真系统通过继电器隔离电路接收触发信号，该触发信号为时序系统的时间零点，PLC从零点开始计时，在规定的时刻输出脉冲信号，并经时序信号电路转换成与系统信号相匹配的信号。
3.系统软件设计
仿真系统软件分为PLC软件和上位机软件，上位机与PLC之间采用以太网的UDP通讯协议。UDP通讯协议是基于网络OSI模型的传输层的，UDP协议又称用户数据帧协议，是用于计算机/工作站、网络链接的PLC之间数据传输，其特点是可以进行高速传输，但不能保证数据传输的可靠性。仿真系统PLC则使用了UDP通讯协议高速传输的优点，保证了上位机对PLC的实时监控。
仿真系统PLC将当前的工作状态通过UDP方式发送给上位机，上位机软件接收UDP数据包，并将数据包的信息显示在软件面板上，达到实时监控PLC的目的；同时上位C也可以通过以太网通讯向PLC发送控制指令，PLC接收到控制指令后执行相应的输出操作。
4.系统扩展应用
该系统还可以通过以太网光端机连接到远程控制计算机，实现远程控制与监视，即使不在现场也可以实时了解系统当前的工作状态。
关键词：暖通部件模型库；暖通部件图形绘制模块；仿真驱动模块
中图分类号：TP18 文献标识码：A文章编号：1009-3044(2008)34-1695-02
Develop the Simulation Platform about HVAC Control System
DING Cheng-lin1, XU Wei-sheng2
(1.School of Software Engineering, Tongji University, Shanghai 201804, China; 2.School of Electronic and Information Engineering, Tongji University, Shanghai 201804, China)
Abstract: The simulation platform about HVAC control system is developed to join the system flow chart with the simulations of all function parts of the HVAC system. It can directly and visually show what components a HAVC system is made up of and the system’s feasibility and performance. The HAVC control system simulation platform is mainly composed of following three modules: HAVC functional parts’ models, the function of drawing, and the function of running simulation system.
Key words: HVAC functional parts’ models; the function of drawing; the function of running simulation system
1 引言
在设计一个暖通系统过程中，绘制系统流程图和对组成系统的每个功能部件，例如冷凝器，压缩机等进行仿真。由于暖通系统一般过于庞大和复杂，所以很少对系统整体进行仿真。绘制系统流程图相对比较简单，可以绘制在纸上，也可以通过画图工具，或者专业的流程图绘制工具制作。暖通系统的仿真，首先就涉及到建模。但是暖通系统具有严重的非线性、时滞性、和非稳态性，给相应的仿真带来很大的困难。从20世纪60年代起，计算机被引入工程领域，辅助解决工程实际问题。但那时大多数暖通系统控制研究仅限于如温度控制这样的简单控制环路。随着当今计算机技术的迅速发展，计算和数据处理功能大大提高，基于状态空间表示的时域分析方法能够应用于仿真领域。时域分析法适用于分析多变量的非线性时变系统, 因而能解决系统仿真中的一些关键问题，国际上随之出现的各类已经商业化的软件包更是推进了仿真的运用。例如基于CFD的室内环境模拟软件有Fluent、airpark、Phoenics等，建筑能耗模拟分析软件有DOE-2、BLAST、EnergyPlus等。
尽管这些软件使暖通设计，变得更加精确，更加可视化，但依然存在一些不足。流程图只能静态的反映整个系统的组成和运行流程。必须手工把一个或多个部件仿真输出导入另一个功能部件的仿真作为输入。 开发暖通控制系统仿真平台的目标就是通过把流程图和每个部件仿真结合在一起，实现一个部件的输出自动输入到另一部件，并在流程图上动态可视化。
2 暖通控制系统仿真平台
暖通控制系统仿真平台是一个将流程图和仿真程序相结合的平台，它将流程图上的每个部件与这个部件的仿真程序相结合，使流程图上的部件对任何合理的输入产生正确的输出。这样既解决了数据从一个部件或多个部件导入另一个部件的问题，也使得流程图能动态的显示系统的运行状况。
另外，暖通控制系统仿真平台带有暖通部件仿真模型库，其中存储暖通部件的图像和仿真程序。当用暖通控制系统仿真平台进行系统仿真时，对模型库中存在的部件，可以从模型库中选择，无需重新仿真。
3 暖通控制系统仿真平台框架
暖通控制系统仿真平台框架分为三个主要模块：暖通部件模型库、暖通部件图形绘制模块和仿真驱动模块。
3.1 暖通部件模型库
在暖通系统设计中，经常会碰到某些部件在过去的一些系统设计中已经对其进行了仿真，为了避免重复仿真，设计了暖通部件模型库。在通过暖通控制系统仿真平台进行系统仿真时，可以将每个已仿真的部件加入模型库，供以后设计中重复使用。另外，也可以将整个系统作为一个更大的系统的子系统存入模型库。
暖通部件模型库由三部分组成：记录模型库中模型的数据文件、存储部件模型序列化后数据信息的文件夹和存储模型库中仿真部件输入输出关系运算单元的文件夹。
3.1.1 对模型库中所有的部件模型进行记录管理
记录模型库中每个部件仿真模型的方式有很多种，例如文本文件或数据库。如果采用文本文件，涉及到许多格式转化问题，因此在存储信息时会存在很多问题，而并不是每台计算机都装有数据库，特别是由程序所设定的数据库。综合各方面的需求，采用了XML技术来保存信息。XML是一种可扩展标记语言，是internet环境中跨平台的，依赖于内容的技术，它使用一系列简单的标记描述数据，而这些标记可以方便的建立，具有数据自描述能力[1]。模型库中XML文件标记如下：
标记代表模型库，标记代表模型库中仿真模型，标记代表仿真模型的名称，标记代表程序集的集合，其中每个程序集都包含仿真模型的运算程序，标记代表程序集，标记代表程序集的名称。
3.1.2 存储部件模型序列化后数据信息的文件夹
整个暖通控制系统仿真系统是采用C#编程语言来实现的。设计了一个Part类保存部件模型的相关信息：图形，运算单元，以及运算单元所在的程序集信息。在将部件模型存入模型库时，对Part类对象进行序列化[2]，数据存入以部件名称命名的文件，并放置特定文件夹下。
3.1.3 储模型库中仿真部件输入输出关系运算单元的文件夹
对每个部件的输入输出关系的运算逻辑是通过Matlab工具进行仿真。Matlab生成包含运算单元的COM组件。由于在C# 中不能直接使用COM程序，必须使用TlbImp.Exe对其创建Runtime Callable Wrapper（RCW运行库可调用的封装容器）[3]。因此对COM组件及其相关的封装容器放入一个固定的文件夹以便统一管理和存取。
3.2暖通部件绘制模块
由于程序主要为仿真而开发的，所以对每个部件只是绘制示例图。暖通部件绘制模块采用二位平面图，它的主要功能包括：
1) 提供绘制暖通部件示例图的画图功能。例如直线、圆、矩形等。
2) 选取图形块作为一个暖通部件，并将其与特定的运算逻辑绑定。选取图形块主要涉及将图形块的绘制信息存入一个Part类对象并命名，然后利用C# 的类型反射[4]和晚期绑定技术[5]实现图形块与COM组件的连接。
3) 将所设计的各个暖通部件模型存入模型库。
3.3 仿真驱动模块
暖通系统虽然是一个连续的系统,但在对其进行仿真时，数学模型一般采用离散事件系统模型中的时间离散系统模型。离散事件系统模型是指系统中的状态变量只在某些离散时刻发生变化的模型。系统虽然是连续的，但由于只是在采样的时刻点上对系统进行研究，才构成了时间离散系统。时间离散系统模型一般用差分方程、离散状态方程和脉冲传递函数来描叙[6]。当仿真程序构建完成，就需要一个线程或进程来运行仿真运算程序。通常是给出离散时间点上的一组输入，然后用一个线程按系统运行流程相似的顺序依次运行每个功能部件的仿真函数。由于流程图上的某个部件的输入可能来自多个其他部件，或者它的输出是多个其他部件的输入，因此系统的运行流程不是各个功能设备一个接着一个的运行，而是可能存在多个设备同时运行，然后把输出结果输入下一个设备。为了在单一线程中反映这种系统行为，必须对流程图上的所有功能部件的仿真运算单元进行拓扑排序[7]，从而保证任何功能部件在运行前，给与它输入的功能部件都得到运行。
4 暖通控制系统仿真平台的实现及测试
暖通控制系统仿真平台采用C#程序设计语言实现，并根据空调系统案例，对其进行测试。测试表明暖通控制系统仿真平台达到了开发此软件最初目标：通过把流程图和每个部件仿真结合在一起，实现一个部件的输出自动输入到另一部件，并在流程图上动态可视化。
5结语
本文详细描述了暖通控制系统仿真平台的框架，该平台综合利用了暖通系统设计中的流程图和仿真技术，使整个暖通系统设计工作更加可视化，自动化。
参考文献：
[1] Jacobs S.Beginning XML with DOM and Ajax: Form Novice to Professional[M].北京:人民邮电出版社,2007.
[2] Troelsen A.Pro C# with .NET 3.0 Special Edition[M].北京:人民邮电出版社,2008:449-463.
[3] Robinson S,Nagel C.Professional C#[M].3rd ed.北京:清华大学出版社,2005:879-891.
[4] Troelsen A.Pro C# with .NET 3.0 Special Edition[M].北京:人民邮电出版社,2008:324-326.
[5] Troelsen A.Pro C# with .NET 3.0 Special Edition[M].北京:人民邮电出版社,2008:333-335.
【关键词】控制系统 联合仿真 协同优化
针对机械臂而言，其机械系统和控制系统是密切相关的，两个系统的性能共同决定了机械臂的整体性能，最根本的体现就是在机械臂末端的重复定位精度上。
为了优化机械结构以提升机械系统性能指标，满足设计要求，结构优化设计的概念被提出。结构优化设计就是在工程设计的过程中，不再局限的依靠设计者给定具体的设计方案，而是结合最优化理论的数学思想，在设计变量的取值范围内寻找最优的设计方案，大大缩短了设计周期，提升了设计效率和质量。
目前，利用结构优化设计方法来完成机器人的结构设计工作被越来越多的设计人员所采用，并取得了大量的研究成果。根据设计变量的不同，可以将机器人的结构优化设计分为尺寸优化、形状优化和拓扑优化三个层次。
就机械臂而言，其拓扑优化设计主要包括两方面的研究内容：
（1）对于机械臂机构，在机器人概念设计初期，在初始设计空间，根据设计指标，对机器人整体机构形式进行拓扑优化设计；
（2）对于机械臂零件，在零件所受载荷确定的情况下，对其拓扑结构进行优化设计。拓扑优化在优化过程中改变拓扑构型的同时也改变了尺寸及形状参数，与尺寸优化和形状优化相比具有更大的自由度。
结构拓扑优化设计由设计变量、约束条件和目标函数三要素组成。拓扑优化是选取结构单元的有无作为设计变量，目的是寻求结构刚度在设计空间的最佳分布形式，达到材料的合理分配，以优化结构的某些特性或减轻结构的重量，在产品概念设计阶段，寻求产品最优的拓扑结构具有重要的意义。
尽管经历了三十多年的研究发展，拓扑结构优化技术已经有了长足发展，也在工程上被越来越多的人所重视和利用起来。但是受到其自身分析求解规模大、优化结果难以识别、拓扑构型难以定量描述或参数化等问题的限制，使得结构拓扑优化技术的应用更多的体现在构件及简单工况的层面上，较多的应用在概念设计阶段。
控制系统是决定机械臂功能和性能的主要因素之一，在一定程度上制约着机器人技术的发展。它的主要任务就是控制机械臂在工作空间中的运动位置、姿态和轨迹、操作顺序及动作的时间等。机械臂控制系统的优劣，直接影响到机械臂的速度、精度与可靠性。而机械臂控制系统的参数调节过程就是优化控制系统的一项基本步骤。
目前机器人控制系统参数调节过程主要依靠工程经验和简化数学模型进行调节，然后再实物样机上进行调试，调节流程复杂，调节周期长，效率低下。
机械系统从根本上限制了机械臂末端重复定位精度可以达到的最优程度。而关节伺服控制系统直接决定了机械臂末端的跟随误差。两者综合作用共同决定了机械臂末端的重复定位精度，两者不应被单独割裂开来进行分析。
基于上述论述，本文提出了一种基于Simulink&ADAMS联合仿真的机械臂机械结构&控制系统参数的协同优化研究方法。
1 运动学分析
1.1 正运动学分析
1.1.1 \动学数学模型的建立
根据实际的六自由度轻型机械臂构型，建立该机械臂的机构简图，并利用标准D-H参数法建立机械臂的D-H坐标系，如图1所示。其中机械臂末端的坐标系{O6}的原点与坐标系{O5}的原点重合。对应的机械臂D-H参数见表1。
2 轨迹规划
2.1 工作空间分析
机械臂各关节均采用了内部走线方式，设计的机械臂各关节均可达到-180°～180°的运动范围。得到的机械臂工作空间如图2中绿色包络面所示。
2.2 笛卡尔空间圆周轨迹规划
拟让机械臂末端在笛卡尔坐标下沿着空间圆周轨迹运动。选取圆周轨迹的圆心为（500，50，400），半径250mm，空间圆周所在平面的法向量为（0，4，3） 。
经上述规划得到的圆周轨迹方程为：
经校验，上述规划的圆周轨迹在机器人的工作空间内，如图2中红色圆周曲线即为规划的末端工作轨迹。
2.3 关节空间各关节轨迹规划
将上述在笛卡尔空间中规划的圆周轨迹，通过机械臂逆运动学求解方法，转化成机械臂关节空间中各关节的关节角度轨迹的三次样条拟合曲线，如图3-图8所示，其中0-5s内的各关节运动轨迹曲线是机械臂从初始状态运动到轨迹起始点的关节轨迹曲线。各关节轨迹的角度插值点见表2所示。
3 关节系统控制参数的协同优化
对于大关节而言，后续的机械臂关节、臂杆、末端执行器及工作负载均是其有效负载，是一个与机械臂位置、姿态及各关节运动状态相关的变量。单纯的在Matlab中考虑机械臂的动力学特性比较复杂、计算时间长。利用专业的动力学建模分析软件Adams，在Adams中解决机械臂的动力学问题，利用Simulink-Adams联合仿真，解决机械臂任务级伺服系统仿真。
将上述优化完成的大臂杆模型导入到ADAMS中并建立柔性体，进行Simulink-ADAMS联合仿真，如图9、图10所示。
4 结果验证
对比协同优化前后的机器人系统实现相同工作路径时机械臂末端的位置误差，验证协同优化方法对提升机器人末端重复定位精度的有效性
表3中列出了优化前后机械臂末端原点最大偏差对比数据，各方向上的最大偏差量均有较大幅度的减小，其中主要受力方向―Z方向（即竖直方向）的最大偏差量减小了69.23%。
表明了本文提出的协同优化方法对提升机械臂重复定位精度的有效性。
5 结论
本文提出了一种基于Simulink-Adams联合仿真模型的控制系统协同优化方法。考虑了机械臂机械系统柔性，传动链间隙及关节传动链刚度等影响因素，使仿真结果更加准确可靠，使得调节后的控制参数更加接近真实最优值。协同优化后机械臂末端的重复定位精度有明显的提升，证明了该方法的有效性，对机械臂的后续研究更具指导意义。
参考文献
[1]谢涛，刘静，刘军考.结构拓扑优化综述[J].机械工程师，2006（08）：22-25.
[2]Krog L，Tucker A，Rollema G，et al. Application of topology，sizing and shape optimiza-tion methods to optimal design of aircraft components[J].2002.
[3]Lee S H，Kim J，Park F C，et al. Newton-Type Algorithms for Dynamics-Based Robot Movement Optimization[J].IEEE Transactions on Robotics，2005，21（04）：657-667.
[4]Liu L，Wang G D，Xiao R Y，et al. Optimization of the Method to Palletize Firebricks by Robot Based on Pareto Genetic Algorithm[J].Applied Mechanics & Materials，2014，620：337-342.
[5]Lim K B，Junkins J L.Robustness optimization of structural and controller parameters[J].Journal of Guidance Control & Dynamics，2012，12（12）：89-96.
[6]Deng K，Pan P，Sun J，et al.Shape optimization design of steel shear panel dampers[J].Journal of Constructional Steel Research，2014，99：187-193.
[7]Bourdin B，Kohn R V.Optimization of Structural Topology in the High-Porosity Regime[J].Journal of the Mechanics & Physics of Solids，2004，56（03）：1043C1064.
[8]Tai K，Wang S，Akhtar S，et al. Structural Topology Optimization Using a Genetic Algo-rithm and a Morphological Representation of Geometry[J].Dissertations & Theses - Gradworks，2003，599：319-323.
[9]Sigmund O，Maute K.Topology optimization approaches[J]. Structural & Multidisciplinary Optimization，2013，48（06）：1031-1055.
作者介
姜迪开（1987-），现为北京精密机电控制设备研究所工程师。
关键词：可编程控制器 PLC 开关逻辑控制 仿真
中图分类号：TP273 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2013）05（a）-0051-02
机械自动化过程离不开传统的电机拖动和电气控制系统，而PLC是一种在电气控制技术和计算机的基础上开发出来的智能产品，并逐渐发展成为以微处理器为核心，把自动化技术、计算机技术、通信技术融为一体的新型工业控制微机。
目前，PLC技术已被广泛应用于各种生产机械和生产过程的自动控制中，成为一种最重要、最普及的工业控制装置。被公认为现代工业控制的三大支柱（PLC，机器人，CAD/CAM）之一。它的应用领域领域已广泛用于冶金、石油、化工、建材、机械制造电力、汽车、轻工、环保及文化娱乐各行各业，随着性能价格比不断提高其应用领域将不断扩大。
1 课题的提出
PLC技术应用大致分为以下几个具体方面：
开关量逻辑控制、运动控制、过程控制、数据处理、通信联网等。其中开关量控制是最基本、最广泛的应用领域。它用来取代传统的继电接触控制电路，以实现逻辑控制，顺序控制。即可用于单台电动机的控制，也可用于多机联控及自动化流水线等。如下的仿真课题正是开关量逻辑控制的综合研究。
2 控制要求
控制要求是：
物料小车一处装料，两处卸料，且两处卸料是同一方向，即第二次卸料与第一次卸料沿同一路径经过第一次卸料点后再前进到第二卸料点卸料。
分析：如果是一处装料，另一处卸料，只要采用行程控制和定时控制即可，但两处卸料的关键和难题是当第二次卸料经过第一次卸料时的行程开关时，应采用两种方法，一是设法不让开关动作，这难于办到；二是开关动作了，但对控制电路或不起作用，我们的仿真方案采用了第二种方法。
3 设计方案
3.1 方案一
PLC输入与输出接口 （I/O）：
输入端口：
输出端口：
Y0：正传接触器线圈
Y1：反传接触器线圈
M100：辅助继电器
T0、T1：时间继电器
如图1所示，小车在限位开关X4处装料，在行程开关X5和X3两处轮流小在一个工作环中有两次右行都要碰到行程开关X5，第一次碰到时停下卸料，第二次碰到时则继续前进，因此，应设置一个具有记忆功能的编程元件用它来是第一次还是第二次碰到X5。图1中M100就起到该作用。当第一次碰到X5 时，M100接通并自锁，并在X5两端，短接了X5，为第二次卸料做好准备。当第二次卸料碰到X3又使M100断电，并为下一个工作循环做好准备。
仿真过程如下：
仿真通过FX―TRN―BEG―C 来完成。当按下启动按钮时开始装料装料完毕小车右行到达第一卸料点：
先撞开X5常闭触点小车停下卸料，卸料毕返回左端。
后撞合X5常开触点M100得电与X5常闭触点并联的M100常开触头闭合为第二次送料碰到X5时控制过程做好准备。
当小车第二次送料再次碰到X5时，小车未停下来，因为M100的常开触点将X5常闭触点短接因而使小车越过第一次卸料点到达第二卸料点。从而完成一个循环周期
3.2 方案二
PLC输入与输出接口 （I/O：
输入端口：
X0：正传启动按钮
X1：反转启动按钮
X2：总停止按钮
X3、X4、X5：行程开关
输出端口：
Y0：正传接触器线圈
Y1：反传接触器线圈
C0：计数器
T0、T1：时间继电器
前面提到该控制过程的关键是；设法利用一个具有记忆功能的编程元件区分开小车第一次还是第二次送料。这里改用计数器C0来完成。把M100常开换成C0常开，X5作为C0的计数脉冲，只有第二次送料时C0才闭合。仿真结果完全满意。梯形图如图2。
3.3 两种仿真方案结果对比
两种仿真方案均运行准确无误，达到预期控制要求，两种方案的设计思路较易理解并完成设计，相比之下第二种方案更优一些，它用计数器来分辨第一次还是第二次卸料，因为设定C0 K2，即到第二次卸料时C0的触点才能动作，并按预定设计完成控制，在思路上很易理解，接受。
4 结语
关于电动机的开关逻辑控制一直是自动化控制的重点，因此对它的仿真控制具有相当重要的实际意义。本文通过对被控对象整定方案的优化，仿真结果表明：性能指标完全达到预期效果，程序高效可靠，性能稳定。
参考文献
[1] 刘美俊.电气控制与PLC工程应用[M].北京：机械工业出版社，2010.
[2] 许寥.电气控制与PLC应用[M].4版.北京：机械工业出版社，2011.
关键字： 交流异步电机； 矢量控制系统； 变频调速系统； Simulink仿真； 控制策略
中图分类号： TN911.7?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2013）17?0128?03
0 引 言
异步电动机的动态数学模型是一个高阶、非线性、强耦合的多变量系统，矢量控制是电机控制系统的一种先进控制方法，由于其交流调速时的优越性被广泛应用到异步电机调速系统中。基于Simulink的交流异步电机仿真可以验证系统设计方案的有效性，在实验室应用过程中可能遇到系统设计难题。
本文以双闭环矢量控制系统为研究对象，在Simulink中进行仿真来验证控制系统的有效性。通过分析仿真结果得到矢量控制系统的动静态特性。
1 矢量控制原理
矢量控制系统，简称VC系统，坐标变换是核心思想。矢量控制的基本思想是以产生同样的旋转磁动势为准则，将异步电动机在静止三相坐标系上的定子交流电流等效成两相静止坐标系上的交流电流，在通过坐标旋转变换将其等效成同步旋转坐标系上的直流电流，等效过程中实现磁通和转矩的解耦控制，达到直流电机的控制效果，得到直流电动机的控制量。便可将三相异步电动机等效为直流电动机来控制，获得与直流调速系统接近的动、静态性能。
2 基于Simulink的异步电机矢量控制系统仿
真模型
2.1 系统总体模型
根据矢量控制系统原理，利用Matlab/Simlink软件中的电气系统工具箱SimPowerSystems对系统进行仿真[3]。整体系统的仿真模型如图2所示。
2.2 仿真模型中主要部分
2.2.1 异步电动机与逆变模块
异步电动机选用SimPowerSystem模块库中的Asynchronous Machine SI Uints，选择在同步旋转坐标系的笼式异步电动机数学模型。模块的A，B，C是异步电动机定子绕组输入端，与IGBT逆变器的输出相连。逆变部分由SimPowerSystem模块库中的Power Electronic下的Universal Bridge模块形成，逆变器的输入pulse端为PWM控制信号（6路），输出为三相ABC交流电压。
2.2.2 矢量控制模块
矢量控制模块的内部结构如图3所示。子模块输入角速度给定和实际角速度值求偏差，并送入转速调节器（PI调节器）；磁链给定的偏差信号用来作为磁链调节器（PI调节器）的输入，dq?abc、各计算环节及abc?dq实现转速和磁链的解耦控制，pulses generator单元产生脉冲信号控制IGBT逆变器达到变频调速的目的。转子磁链相位角和励磁、转矩电流计算均根据矢量控制原理采用Simulink下的Fun模块设置函数，本文不再给出它们的具体仿真模型。
2.2.3 脉冲发生器模块
脉冲发生器模块由滞环控制器和逻辑非运算器组成。模块的输入信号是三相给定电流和三相实测电流，输出信号是由六路IGBT逆变器逆变来的六相脉冲信号。模块将给定信号和实际测量信号进行比较，当实测电流小于给定电流且偏差大于滞环宽度时，输出为1，逆变器相正向导通，负向关断；当实际电流大于给定电流且偏差小于滞环宽度时，输出为0，逆变器相负向导通，正向关断。采用逆变器通与断来调节逆变器输出线电压的频率，实现变频调速。电流滞环控制器模型如图4所示。
2.2.4 abc?dq，dq?abc坐标变换模块
abc?dq变换模块实现三相定子坐标到[dq]坐标的变换，变换模块模型如图5所示；[dq?abc]变换模块实现[dq]坐标到三相定子坐标的变换，变换模块仿真模型如图6所示。采用三相到两相或两相到三相变换表达式设置变换模块中相应的函数表达式。仿真采用的Simulink/ User?Defined Function/Matlab Fcn模块实现不同形式的函数运算。
3 仿真结果及分析
3.1 参数设置
3.2 仿真分析
通过选择适当的PID参数，采用不同的PID参数对电机的空载、负载及正常运行过程进行仿真，本仿真采用试凑的方法完成两个调节器PID参数选择[6]。结果得系统响应平稳、动静态性能都较好，转速超调小且稳态误差小。仿真结果验证了该建模方法的有效性和正确性。
4 结 语
异步电机矢量控制系统一直都是系统原理和系统设计的重点和难点，基于Simulink的异步电机矢量控制系统模型为设计良好的矢量控制系统提供了完善的系统验证方法。本文根据矢量控制原理完成了结构简明的按转子磁链定向的矢量控制系统，经过仿真实验，结果表明该矢量控制系统能有效控制异步电机的启动和调速，为验证异步电机调速系统设计方案提供了一种有效的解决方法。
参考文献
[1] 林飞，杜欣.电力电子应用技术的Matlab仿真[M].北京：中国电力出版社，2009.
[2] 顾春雷，陈中.电力自动控制系统与Matlab仿真[M].北京：清华大学出版社，2011.
[3] 刘卫国.Matlab程序设计与应用[M].北京：高等教育出版社，2006.
[4] 程启明.基于Matlab/Simulink交流电机矢量控制系统的建模与仿真[J].华东电力，2010，38（5）：89?93.
[5] 李文静.基于Matlab的异步电动机矢量控制变频调速系统的仿真[J].电力学报，2006，21（2）：153?165.
[6] 马小亮.高性能变频调速及其典型控制系统[M].北京：机械工业出版社，2011.
【关键词】半实物仿真 飞行控制 实时性 MATLAB/simulink
1 引言
仿真技术综合了当代科学技术中多种现代化专业手段，在科学技术领域起到了极其重要的作用。半实物仿真技术是所有仿真技术中仿真置信度很高的一类，它的应用不仅局限于理论研究，更多被工程设计、开发测试使用，从早期的航空、航天逐步扩展到今天的军事、电子、通信、交通、舰船等多种行业。计算机技术的快速发展使得半实物仿真的核心――实时仿真计算机的运算能力得到极大提升，从传统的纯数字仿真逐步向人在环半实物仿真领域扩展。
传统物理试验或飞行试验验证直观、真实，但是费时费力，且验证不充分，一旦失败则会造成较大的经济损失，甚至发生严重的事故。纯数字仿真简单易懂，但难以模拟试验件的复杂特性，仿真精度不高。半实物仿真结合了实物试验和数字仿真的优点，将系统中的部分实物引入到计算机仿真系统中，既可以在实验室条件下对试验件进行各种状态下的测试验证，又可以保证试验测试的可靠性和安全性。国内外的飞机或飞机部件的供应商在飞机的研发测试中大都应用了半实物仿真技术。
本文旨在浅述通用的飞行控制系统半实物仿真平台设计思路，为以后试验设计提供基础。
2 系统设计
本文飞行控制系统半实物仿真平台采用一体化设计，是基于MATLAB/simulink飞行仿真模型的实时仿真系统。飞行控制系统半实物仿真平台的基本架构如图1所示。系统可分为5个子系统：
（1） 实时仿真系统：为系统的主体部分，完成实时仿真和信号转换功能，包括仿真主计算机（上位机）、实时仿真计算机（下位机）、信号转化换算机、信号调理机箱、接线盒及附件（包括工作台、机柜、电源、电缆等）。主要进行飞机模型实时解算，信号实时转换及传递。
（2） 综合控制台：由仿真测试计算机和仿真测试控制软件组成，完成实时仿真过程中数据显示、曲线绘制和数据管理等功能，一般放置在近试验人员的测控间，方便试验人员实时分析及监控数据。
（3） 模拟座舱及仪表系统：是仿真中用户和系统进行交互的设备，使系统支持人在回路的飞行仿真试验，驾驶员可通过驾驶盘（杆）、脚蹬、油门等对飞机进行操纵控制，并通过虚拟仪表显示，对飞机的参数进行监控。
（4） 实时网络通讯系统：为系统的通讯设备，包括以太网和反射内存网两种网络，系统中对实时性要求不高的部分采用以太网传输；实时性要求较高的部分采用光纤反射内存网通讯。
（5） 简易视景系统：模拟飞机座舱外的景象，给座舱内的驾驶员以足够的视场角的景象显示。简易视景系统一般由图形生成子系统、投影子系统、音响子系统组成，能接收来自实时仿真计算机传递的飞行数据，并进行3D显示。
2.1 实时仿真系统。实时仿真系统为整个半物理仿真平台的主体部分。本系统构建引入分布式布局思想，设计一对多的分布式模式。采用RTW-xPC作为实时仿真的框架。在半物理仿真系统中，飞机无法以物理部件的形式出现，为保证实时性飞机模型需要运行在实时仿真目标机上。飞控系统中其他部件的实现方式均有物理和数字两种方式。当缺少该部件时可借助实时操作系统保证部件模型仿真的实时性，将运行该代码的仿真目标计算机代替真实部件在半物理仿真系统中的位置。物理信号和数字信号之间的转换以及物理部件在系统中的接口均通过信号转化计算机实现。
飞行仿真模型是实时仿真系统的核心。在仿真主计算机的MATLAB/simulink环境下完成飞控系统离线和实时仿真模型的搭建，并运行在实时仿真计算机内。模型所模拟的部件要与真实物理部件的参数一致，是对物理部件的分析、抽象而建立，是真实系统的近似模型。在Matlab/Simulink环境下搭建模型，运用了模块化的设计思想，便于今后对模型的修改和完善，提高系统的通用性。
2.2 模拟座舱及仪表系统。模拟座舱及仪表系统是半物理仿真平台中的人机交互设备。模拟座舱采用虚拟现实技术模拟生成飞机在空中的飞行环境条件，使仿真人员具有身临其境的“真实”感觉。仪表系统从实时网络上接收实时仿真计算机发送来的飞机位置、姿态等信息，向驾驶员反馈飞机的实时操纵状态和飞机飞行状态，另一方面采样驾驶盘（杆）、脚蹬、油门的输出信号。当驾驶员操纵时，反映设备状态的模拟量输出就发生改变，模拟信号经过采样滤波处理后，输出给实时网络。
虚拟仪表软件开发平台主要采用GL Studio，它可以创建实时的、三维的、照片级的互动图形界面。GL Studio生成的C++和Open GL源代码可以单独运行，也可以嵌入其他视景软件中使用，且能够方便的被其他目标优化平台使用。
2.3 简易视景系统。简易视景系统一般由视景计算机、投影系统、音响系统和视景管理软件组成。由专门的视景软件配合硬件在视景柱幕上生成3D景象。音响系统一般包括音响计算机、功放等，模拟飞机飞行中的各种声音，包括那飞机起飞着陆及正常飞行的气流声、发动机声、起落架收放声等。
3 结论
本文提供了一种通用且实时可靠的飞行控制系统半物理仿真平台设计手段。平台采用一体化设计原则，可以在线调参、实时查看试验及飞行效果，极大地提高了试验效率。
关键词：离子交换 模糊PID控制 可编程控制器 人机界面 Matlab仿真
中图分类号：TP273 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2014）02（a）-0033-02
Design and Simulation on Technology of Fuzzy PID Controller in Sugar Process
Song Tian1 Wang Qichang2
（1.Wuhan Railway Vocational College of Technology； 2.Wuhan LEADDO Measuring&Control Co.Ltd，Wuhan Hubei，430062，China）
Abstract：Aiming at various shortcomings existing in the traditional refine sugar technology，the fuzzy PID controller in ion exchange is designed utilizing Emerson series PLC.A fuzzy-PID hybrid control system is designed base on combining the fuzzy control theory and method of PID control theory.Through Matlab simulation it is found that the fuzzy PID controller is higher precision；more reliable and good adaptation than the traditional PID controller.
Key Words：Ion Exchange；Fuzzy PID Control；PLC；HMI；Matlab Simulation
目前在制糖中，采用离子交换工艺直接生产高质量的蔗糖溶液。离子交换的基本原理是利用离子交换器的循环操作，按照精确规定的程序反复地进行下去。当一种具有一定离子型的交换树脂和需要除去一个或多个离子的溶液相接触时，它们将有效地进行离子交换直到达成平衡为止。此后，如果想把已经使用过的树脂重复利用，那么就必须使它恢复到原来的离子型状态，即需用某种溶液来进行处理，使之再生[1]。
由于新型树脂制造方法的发展，树脂的离子交换性能有了很大提高，同时由于计算机应用到自动控制行业，使制糖生产控制达到了全自动化水平，本文研究就是基于智能控制与模糊控制理论，通过对影响工艺过程控制的重要因素流量的智能控制的系统研究，由PLC控制系统与界面友好的人机接口（HMI）设计实现制糖离子交换模糊控制系统。
1 离子交换原理
1.1 离子交换工艺参数
（1）流量控制在；（2）进料温度：40℃～50℃；（3）出料电导率：≤30 us/cm2；（4）透光率：99%；（5）离交后罐pH为 4.5～6.0；（6）失效pH值：阴柱≤4.5。
1.2 离子交换工艺流程
首先启动离交前泵，离交前罐中的糖液经精密过滤器除去杂质，经PID调节其流量控制在 m3/h，然后由离交前板式换热器，PID调节降温至40 ℃～50 ℃入离交柱，其流量控制在 m3/h。当糖液电导率>30 us/cm2，阴柱pH≤4.5及透光率其中一项不符时，需再生。
本工艺对流量PID调节要求比较多，它控制着各种溶液的进出，在离子交换再生过生中需要对各种再生液进行良好的控制，以使树脂保持良好的交换能力，生产出合格的糖液。
由于流量的控制具有高度非线性、时变、无法建立精确的数学模型等特点，参数固定的常规的PID控制方法不能对反应的变化做快速的、精确的反应，在控制过程中易发生振荡现象，很难对系统实现最优控制。
模糊控制器的优点：不依赖于被控对象的精确数学模型，易于对不确定性系统进行控制；易于控制，易于掌握的较理想的非线性控制器，是一种语言控制器。抗干扰能力强，响应速度快，并对系统参数的变化有较强的鲁棒性。
模糊控制器的缺点：不具有积分环节，在变量分级不够多的情况下，常常在平衡点附近会有小的震荡现象或存在稳态余差。
PID控制在平衡点附近的小范围调节效果是较理想的，其积分作用可最终消除余差。在实际控制过程中，把以上两种控制技术结合起来，就可以构成兼有这两者优点的模糊PID控制器。
2 系统设计
制糖离子交换系统采用PLC控制系统与界面友好的人机接口（HMI）实现，操作工人可以通过对人机友好界面的控制实现人机对话功能，并可以调看系统的主控画面、报警、曲线等，在需要时可以对参数进行设置调整。
系统主要分为下位机控制系统和上位机控制系统两部分。下位机主要负责对整个系统进行编程，对数据进行处理并传给上位机输出。上位机可以直接控制整个系统的流程，对参数进行设置等，但不对数据进行处理。本系统采用爱默生（Emerson）PLC作为下位机编程平台，上位机触摸屏eView MT506L来进行组态实现，工程文件的编写在Easybuilder 500组态软件上完成。
2.1 下位机软件设计
控制系统程序的基本功能为：选择数据通道、对系统采样进行A/D转换、对系统控制量进行D/A转换、控制阀门输出、发送及接收通讯数据等。其基本流程是：PLC先选择通道，对采样进行A/D转换和流量值进行计算，将采样得到的流量传输给触摸屏，触摸屏返回设定的流量，经过模糊推理，实时调节三个动态PID参数，最后输出控制量，控制量经过D/A转换后发送给比例控制阀，以实现对阀门的控制。根据制糖离子交换系统的要求，下位机的要设计的主要功能如下：（1）对流量进行实时采集；（2）计算PID控制算法，实现实时控制功能；（3）实现与上位机进行通讯；（4）对系统产生的故障信号进行检测、处理与报警。
2.1.1 硬件选型
根据制糖离子交换所需选择合适的PLC，选择Emerson系列PLC，其具体型号和数量如下：EC20-4040BRA，EC20-8AD， EC20-4AD，EC20-4AM各一个，EC20-1616ERA所需要数量为3个。
2.1.2 PLC软件设计
PLC程序控制主要负责对数据采集、比例阀的控制、故障报警等功能。PLC程序可以单独对PID实现实时控制。
在PLC控制系统中，PLC就相当于常规控制系统中的控制器。它对过程变量的实测值和设定值之间的误差信号进行运算，称为控制算法。在制糖离子交换系统控制中由于数学模型难于建立，运用控制理论分析要耗费很大的财力和人力，且生产中不具备做大量实验的条件，因此，在制糖离子交换系统过程控制中应用PID控制算法和模糊控制算法。模糊控制器的控制算法是由微机的程序实现的。这种程序一般包括两个部分，一个是计算机离线计算查询表的程序，属于模糊矩阵运算；另一个是PLC在模糊控制过程中在线计算相应变量（误差、误差变化），并将它们模糊量化处理，查找查询表后再作输出处理的程序。由于在线计算查询表使得PLC程序过大，程序执行周期太长，严重影响实际控制效果和运行人员的操作灵敏度，所以本次设计采用离线计算查询表的方法。
2.2 上位机监控系统人机界面（HMI）设计
上位机人机界面系统要实现对数据的显示、流程画面监控，与下位机通信等功能。本系统采用触摸屏eView MT506L来进行组态实现，工程文件的编写在Easybuilder 500组态软件上完成。
监控界面设计及功能。
本设计中，触摸屏的主要作用是与下层的PLC通讯，获取过程数据，显示流量、报警画面、历史曲线、数据查询等。
3 模糊PID控制系统仿真研究
3.1 常规PID设计
3.2 模糊-PID控制仿真方案
要使流量控制在 m3/h之间，将流量T=9设为初始值，仿真时间取50 s，参数初始值分别设为=9、=0.4、=1。确定MATLAB仿真设计图如图1。
3.3 仿真结果分析
仿真结果如图2，3所示。图2是传统PID控制的仿真曲线，图3是模糊-PID控制的仿真曲线。
两条曲线比较结果表明：传统PID控制方式与模糊控制PID相比，超调量比较大，且系统达到稳定的时间比较长，传统PID控制方式参数不能改变，而模糊-PID控制具有抗参数变化的鲁棒性。模糊-PID比传统PID对系统的控制有更高的精度，并且有更好的控制效果。
所以，将模糊控制算法与PID控制原理相结合相互补偿的方法，具有控制精度高，可靠性好，稳定所需时间短，适应性好的优点。
4 结语
本文根据离子交换原理，基于PID算法、模糊控制理论，从制糖工艺离子交换的实际需求，将模糊控制PID算法设计运用于制糖工艺自动控制系统中，具有控制精度高，可靠性好，稳定所需时间短，适应性好的优点。
参考文献
[1] 刘树楷，郑建仙.离子交换在制糖工业中应用的最新进展[J].1993.
[2] 王树青.先进控制技术及其应用[M].北京化学工业出版社，2002.
[3] 赵洪侠.离子交换树脂在清净过程中的应用[J].2004.
[4] 洛铁男，李琳，刘玉德.阴离子交换树脂在制糖工业中的应用[J].1998.
[5] 杨咏梅，陈宁.基于MATLAB的模糊自整定PID参数控制器的设计与仿真[J].微计算机信息，2005.
关键词：车辆工程；控制系统；仿真技术；教学改革
中图分类号：G642.4文献标志码：A文章编号：1002-2589（2015）23-0142-02
由于电子控制技术在车辆工程中的应用发展十分迅速[1]，车载控制系统已成为车辆工程学科里一个重要的研究方向。现代汽车的电控系统数量一般为几十个，而高档汽车已高达上百个，电控系统控制器的开发对控制系统理论在具体工程中的应用提出了很高的要求。在车辆工程专业教学中，“控制系统与仿真技术”课程作为本科生的培养内容极为必要[2]。通过本课程的学习，使学生掌握控制系统设计的基本思路和方法，培养学生成为具有分析问题和解决问题能力的创新性人才。本文以安徽工程大学车辆工程专业“控制系统与仿真技术”课程改革为例，介绍教学改革实践中的一些体会和有益经验，与同行分享。
一、课程分析
1.课程现状分析
“控制系统与仿真技术”作为车辆工程学科一门专业选修课，是学生走向科研院所或汽车企业应该掌握的一门课程，安排在第三学年的第二学期，总学时为32学时。本课程仅安排4个学时的实验，其中控制系统的MATLAB建模和SIMULINK仿真分别为2个学时。“控制系统与仿真技术”原属于自动化专业的一门专业基础课，教学以理论讲解为主，侧重于数理公式的推导。这种教学无法培养学生的动手能力，不利于学生理解控制系统的理论本质，对于MATLAB软件的一些函数和命令，学生只能依靠死记硬背，降低了学习的积极性，影响教学效果。
“理论力学”和“控制工程基础”等作为前续课程，学生在学习“控制系统与仿真技术”时已掌握了一定的理论知识，但这些知识点对学生来说是相互孤立的，缺乏对知识体系结构的系统性认识，对具体的理论应用不知所措。“控制系统与仿真技术”教学中对理论过多的讲解也会造成教授内容的重复，降低了讲课效率，不能充分发挥学生学习的主动性。教学方法采用单一的任务驱动教学法，在任务训练的后期，任务小组内部容易出现少数学生具有依赖思想，导致抄袭现象经常发生。具体任务主要为传统控制理论的数字仿真分析，对汽车各种电控系统的工程背景基本没有涉及，这不利于学生了解本领域的科技进展，任务训练难以实现应用MATLAB解决实际工程问题。
2.课程定位目标
安徽工程大学车辆工程专业为安徽省首批“卓越工程师教育培养计划”建设专业，“卓越工程师教育培养计划”旨在培养造就一大批创新能力强、适应经济社会发展需要的高质量工程技术人才[3]。在“卓越工程师教育培养计划”引导下，车辆工程专业的培养目标定为：培养德智体全面发展、基础扎实、诚信实干、综合素质高、实践能力强、具有创新精神，从事车辆及其零部件设计、制造、实验研究以及车辆经营管理等领域的高级应用型专门人才。上述培养目标迫使我们必须改革传统的教学方法，积极探索富有活力、促进学生全面发展的新型课堂教学方法，激发学生的内在潜能，培养学生的创新能力和工程能力。
在广泛调研的基础上，制定了车辆工程专业的培养方案，对专业课程进行了调整，新开设了“控制系统与仿真技术”课程。由于车辆工程专业学科交叉明显，机械、电子、液压、控制等课程均有涉及，“控制系统与仿真设计”课程在整个培养体系中的定位如图1所示。由图1可知，在培养体系中，汽车的各种电子控制系统，如电控燃油喷射系统、稳定性控制系统、电控转向系统、车身控制系统、电控悬架系统、巡航控制系统、电控自动变速器和防抱死制动系统等为具体的工程应用。汽车系统动力学、汽车设计、汽车构造、汽车理论、汽车电子、传感器技术和控制工程基础等为基础理论课程。“控制系统与仿真技术”课程作为基础理论到工程应用的桥梁，在整个培养体系中具有重要意义。
二、课程教学改革措施
1.课程内容优化
根据“控制系统与仿真技术”课程的培养目标，对教学内容进行整合优化，将教学内容划分为理论教学与实践教学两部分。理论教学部分主要完成基本知识点的讲解，以汽车中涉及的动力学系统为分析对象，以汽车电子控制系统的设计方法为设计案例，突出课程特色。实践教学是课程学习的重要内容，在内容设置上力求做到理论联系实际，重视工程概念在实际问题中的应用，提高学生的工程意识和工程实践能力。
“控制系统与仿真技术”教材目前主要侧重于MATLAB介绍和控制理论的数字仿真等内容，系统地以车辆为研究对象讲解如何设计控制系统的教学案例非常少，适合于车辆工程专业学生及工程技术人员阅读的教材不多。在本次教学改革实践中，增加了汽车中相关控制系统的设计与应用，以车辆工程专业教师的科研成果为基础，编排了适合车辆工程专业学生阅读的教材，其中以汽车电控转向系统、电机调速控制以及自适应巡航控制系统为主要教学案例，在后续教学中继续增加相应的内容。在教材内容修订上，应尽量避免与其他相关课程知识点的重合。
设计工程项目时需遵循三个原则：融合相关教学内容涉及的知识点，并充分覆盖教学内容；紧跟汽车技术的发展方向，应具有较强的时效性；实施过程中所遇到的问题难度适中，易于激发学生学习的积极性。工程项目分解成实际案例需要与实践教学内容相结合，案例在功能上具有一定的完备性，且各案例之间保持一定的渐进性，逐步引导学生，避免产生抵触情绪。实际案例的筛选应以较为成熟的控制系统或具有代表性的控制方法为案例。实际案例讨论与分析完毕后，根据学生反馈的学习效果，指导学生将实际案例归纳综合成相应的具体任务，将具体任务进一步分解，让每个小组成员都承担一定的具体任务。2.教学方法设计
案例教学法是一种以案例为基础的教学方法，融合相关知识点于实际案例中。案例中设置的问题为一种两难问题，没有某一特定的解决方案[4]。教师在教学中作为设计者和激励者的角色，积极引导学生解决问题，培养学生主动分析和解决问题的能力。项目教学法是以项目为主线、学生为主体、教学为主导的教学方法。学生在教师的指导下负责信息的收集、方案的设计、项目的实施。项目需要小组成员的通力合作完成，这有利于增强学生的团队精神，提高学生的自主创新能力。而任务驱动教学法是以解决问题、完成任务为主的多维互动式的教学方法。学生结合自己的具体任务模块，构建知识体系，有利于激发学生的学习兴趣。
由上述三种教学方法的分析可知，三种方法在发挥学生主观能动性和培养学生创新能力等方面各有所侧重点[5]。在当前实践教学中，上述三种教学方法取得了良好的教学效果，但基本上以一种教学方法为主，过分依赖教学方法中所设计的单一项目、案例或任务，影响了教学效果。为此，建立了一种基于项目案例任务驱动的“控制系统与仿真技术”课程实践教学方法，其教学过程如图2所示。由图2可知，该教学方法结合“控制系统与仿真技术”课程，融合三种教学方法为一体，以工程项目为主导、实际案例为引导，用具体任务驱动学生构建车辆工程学科的知识体系结构。
三、课程教学改革实践
1.课程教学实施
“控制系统与仿真技术”课程具有明显的实践性和综合性的特点，特别注重应用能力的培养，因此课程安排理论教学20学时，实践教学12学时。整个课程安排在第8周至第15周，授课在每周的星期二和星期四进行，每次连续两个课时。实践教学安排3个工程项目，分别安排在第10周、12周和14周。理论教学安排在第8周、9周、11周、13周和15周，授课期间加入实际案例讨论，周四课后安排具体任务。
教师在工程项目的设计上，突出工程背景，结合自己的相关科研成果，加强实践环节的创新性和综合性。本课程的工程项目应用MATLAB软件开展训练，MATLAB是仿真软件中易学、功能强大的一款，成为“控制系统与仿真技术”课程项目训练的首选工具。为加深学生对控制系统、仿真技术的概念，本课程通过让学生参观相关的汽车电控系统，如电控转向系统平台、自适应巡航控制系统模拟器等。在教学手段上，合理使用多媒体课件讲课，为了加强学生对理论知识的理解，还可以穿插些图片、幻灯片等。在教学过程中，注重课外创新活动与课堂实践教学的结合，鼓励学生积极参加一些控制系统设计类的项目和竞赛[6]，如大学生创新创业计划项目和飞思卡尔智能汽车竞赛等。
2.课程教学效果
采用文献[7]中的教学效果综合评价模型对教改的教学效果进行实证研究。评价指标为个人兴趣K1、职业发展K2、能力培养K3、教学效率K4、学习方法K5、行业经验K6和适应能力K7。个人兴趣为教学方法对激发学生学习兴趣、求知欲，调动学生积极性的评价。职业发展为教学方法对增进学生团队合作与沟通，对学生职业发展的导向性及学生是否提出新观点的评价。能力培养为教学方法对培养学生分析问题、解决问题，以及创造能力的评价。教学效率为学生掌握相关专业知识和考核指标的科学性与合理性的评价。学习方法为学生在课堂上对“控制系统与仿真技术”课程学习方法的掌握程度的评价。行业经验为教学方法对学生获得实务与行业经验的评价。适应能力为教学方法培养学生满足社会人才需求适合程度的评价。教学效果综合评价模型中评价指标的权重表如表1所示。
传统教学和实施教改后的教学效果评价指标如图3所示。由图3可知，7个评价指标在实施教改后均有不同程度的提高，其中行业经验提高最快，增幅为21.7%。综合评价值由2.4662提高为2.8994，这说明教改的实施提高了学生学习的自觉性，提高了发现问题、分析问题、解决问题的能力，激发了创新意识，调动了学生获取知识的积极性和主动性，从而为学生撰写毕业论文以及毕业后走上工作岗位运用仿真技术打下了坚实的基础。
关键词：叉车自动变速器；控制系统；换挡规律；快速原型
中图分类号：U469.79 文献标志码：A 文章编号：1005-2550（2012）02-0010-07
Performance Simulation and Test Research of Forklift
Truck’s Automatic Transmission Control System Base on dSPACE
ZHANG Bing-li1，HU Fu-jian1，DONG Yan-wen1，DING Mei-ling2
（1.School of Machinery and Automobile Engineering，Hefei University of Technology，Hefei 230009， China；
2.Heifei Changhe Automobile Co.，LTD，Hefei 230009，China）
Abstract: By matching the parameters of the Forklift Truck’s engine and hydraulic converter，we can make up the power shift curve. The power shifting schedule basing on the speed and throttle angle is built by using zone value as the input of shift logical model.According to the solenoid valves’ operating principle and the shifting executing components’ working logic， the solenoid valves control model is built. On dSPACE platform， the real-time simulation test of AT control system in Forklift Truck was performed. The test results verify that the models of transmission and the research can provide reference for the development of automatic transmission controller in Forklift Truck.
Key words: forklift truck’s transmission；control system；shifting schedule；rapid control prototyping
叉车的使用环境和目的与普通汽车不同，其工作环境复杂、恶劣，而且车辆负载变化范围很大，需要驾驶员频繁操作换挡以满足整车动力性能的要求，不仅劳动强度大，而且难以保证行驶经济性［1］。叉车上采用自动变速技术具有以下优点［2］：①减轻驾驶员的劳动强度，提高安全性；②改善车辆的燃油经济性；③降低了传动系的动载荷，延长了零部件的使用寿命；④可以使发动机工作在良好的工作状态，从而改善车辆的排放性能，有利于保护环境。
目前国内使用的多数是手动挡叉车，只有少量进口的自动挡叉车，并且其自动变速器控制规律多数采用的是基于车速或发动机转速的单参数控制，这种控制模式无论油门开度处于何种位置，换挡点总是保持不变。但是考虑到叉车的实际使用工况，主要是保持车辆的动力性，对于不同的油门开度，车辆的最佳动力性换挡点也应不同，所以如果直接使用单参数控制规律来控制，往往无法解决叉车对动力性的要求。
本文主要针对合力5~10 t叉车，叉车性能参数如表1所示，采用车速和油门开度两参数控制，建立动力性换挡规律。利用dSPACE的V型开发模式对叉车自动变速器控制系统进行图形化建模和仿真，并且完成叉车自动变速器控制系统快速原型实验。
1 换挡规律的建立
液力变矩器对发动机输入特性和叉车主要输出特性有很大影响。叉车的动力性在很大程度上取决于发动机与液力变矩器的共同工作是否良好，一台性能良好的发动机与一台性能良好的液力变矩器如果匹配不当，并不能使叉车获得良好性能。因此，要想提高液力传动叉车的动力性能，除了提高液力变矩器本身的性能外，还要实现最佳匹配。为此，必须研究发动机与液力变矩器的输入特性、共同工作范围及输出特性。
最理想的匹配是发动机与液力变矩器共同工作时，充分利用发动机工作区段，以满足叉车的需要，必须满足以下三点要求：
（1）在液力变矩器的整个工作范围（或高效范围）内，应能充分利用发动机的最大有效功率。这样可以获得较大的输出功率，以提高车辆的平均行驶速度。因而希望液力变矩器高效区范围处于发动机最大功率点附近。
（2）为使叉车具有良好的经济性，希望发动机与液力变矩器共同工作范围处于发动机低燃油消耗率区段。
（3）为使车辆具有良好的起步性能，希望低速比工况下的泵轮负荷抛物线位于发动机最大转矩点附近。
1.1 发动机与液力变矩器联合输入
发动机与液力变矩器合理匹配就是在一定油门开度下，发动机处在最大平均功率与液力变矩器最大效率工况下共同工作，此时的工作点为最佳工作点。而共同工作的输入特性就是在不同油门开度和不同转速情况下发动机的输出特性与不同速比下泵轮扭矩特性的组合，两种特性的交点即为共同工作点。其共同工作的必要条件是：
Me=Mb，Ne=Nb（1）
根据提供的发动机实验数据和液力变矩器的原始特性数据，利用Matlab的M文件将联合输入相关公式［3］编写成程序，并且利用多项式拟合命令polyfit，对液力变矩器的输入特性和发动机扭矩特性进行5次多项式拟合，交点为对应工况稳定工作点，即可得到发动机和液力变矩器共同工作特性，拟合结果如图1所示。
1.2 发动机与液力变矩器联合输出
共同工作的输出特性是发动机与液力变矩器共同工作时，涡轮输出扭矩、输出功率和发动机转速等与涡轮转速之间的关系［2，3］。共同工作的输出特性是进行叉车牵引计算的基础，因此，为使叉车获得良好的动力性与经济性，共同工作的输出特性必须满足在共同工作输出特性高效区工作范围或整个工作范围内，应保证获得最高平均输出功率。
根据共同工作时的输入特性即可按照公式［3］推导出发动机和液力变矩器共同工作的输出特性，如图2所示以涡轮转速为横坐标，涡轮转矩为纵坐标建立的联合工作输出特性图。
1.3 最佳动力性换挡规律
最佳动力性换挡规律是根据发动机与液力变矩器联合工作输出特性，将涡轮转速和涡轮转矩按照车辆不同挡位的传动比转换成车速和驱动力的曲线（见图3），并且计算各挡位驱动力的交点，以此交点作为动力性换挡点，最终将各换挡点连接起来作为换挡曲线［4］，其中左侧两条换挡曲线为倒挡时的换挡曲线，右侧两条换挡曲线为前进时的换挡曲线，如图4所示。
2 建立自动变速器控制模型
本文利用Matlab/Simulink对叉车自动变速器控制系统进行建模［4］，建立的模型如图5所示，包括数据采集模型和控制策略模型，其中N为空挡，F1为前进一挡，F2为前进二挡，R1为倒一挡，R2为倒二挡。
2.1 数据采集模型
本文采取的是基于两参数的换挡控制规律，主要控制参数为车速、油门开度，利用车速和油门开度建立动力换挡曲线。在快速原型阶段利用dSPACE自带的接口与车辆上的传感器连接，采集相应的数据，主要采集车速、油门开度、前进和后退的拨杆信号，采集模型如图6所示。
2.2 控制策略模型
自动变速器自动换挡过程是从传感器采集当前车辆运行状态信息，通过TCU进行运算和判断，若符合换挡条件，则TCU向执行机构发出执行换挡信号，执行机构进行相应的动作实现自动换挡。
本文制定的控制策略模型是模拟实际叉车的动作状态建立的，实际使用中驾驶员通过操作拨杆给TCU信号，由TCU检测拨杆信号并识别车辆目前的运转状态（前进挡、空挡、倒挡），并且根据车辆的状态参数（车速、油门等）判断目前车辆的挡位，然后触发相应的电磁阀动作，从而实现对车辆的操控。根据这一思想，本文制定的控制策略模型利用拨杆的信号判断车辆是处于前进挡、空挡还是倒挡状态，从而触发相应的前进挡、空挡和倒挡控制模块，并按照各模块中制定的换挡规律进行换挡，输出合理的挡位，控制策略模型如图7所示。
2.2.1 换挡逻辑输入参数
本文依据车速和油门开度建立的两参数换挡模型，模型的自动换挡功能是通过换挡逻辑模型来实现的，并且利用车速和油门两参数将输入的车辆运行状态信息划分为两个区域，作为自动变速器换挡模型中换挡逻辑模块的输入量。在此针对前进控制模型加以说明，如图8所示。
2.2.2 换挡逻辑模型
以驾驶员的实际操作行为为依据，建立换挡逻辑模块如图9所示，通过将实际车辆的运行状态与换挡规律中预设的换挡时刻的车辆状态相比较，从而决定应该升挡、降挡还是保持当前挡位。
换挡逻辑模块采用Stateflow［5］建立。模块采用两个并行的状态图：挡位转移状态图（shift）和挡位控制状态图（shift_control）。在shift状态图中，有两个挡位状态，定义了upshift和downshift两个状态转移事件作为挡位变换的条件。shift_control状态图包含有三个状态：挡位保持（steady），升挡（upshifting）和降挡（downshifting）。当shift_control被激活后，无条件转移激活steady，然后通过判断状态转移条件是否满足，如果满足则激活upshifting或者downshifting状态；如果不满足条件，则维持steady状态。
2.3 自动变速器控制模型离线仿真
进行自动变速器控制模型离线仿真是实现控制快速原型的基础。自动变速器控制模型离线仿真采用的输入信号是根据实际车辆运行状况采集的数据，主要输入量为车速、油门开度和拨杆信号。其中拨杆信号直接输入常值，如前进挡为1，后退挡为0；实验输入的油门开度、车速以及换挡结果如图10所示。
从0~20 s模拟叉车执行装载、倒车等动作，随着油门开度变化，车速不断变化，对应挡位也发生变化，在6 s左右挡位升为2挡，但由于车速变化迅速，很快降为1挡；从20 s到36 s模拟的是车辆平路加速行驶后滑行直到停车，在此阶段，随着油门开度的增加，车速迅速上升，在23 s挡位升为2挡，之后油门将为0，叉车处于滑行状态，车速不断减小，在38 s左右挡位降为1挡；从36 s到44 s车辆处于举升阶段，虽然油门开度不断增加，但是车速很小，所以挡位维持1挡不变，这与实际操作是相符的。
综合实验结果分析得出，所建立的基于油门开度和车速的两参数控制规律基本实现自动换挡的功能，但是模型的实际控制效果还有待在快速原型实验中来验证。
3 自动变速器控制系统快速原型
3.1 电磁阀动作逻辑
本实验的执行原件动作是由电磁阀来控制的，实验车辆具有空挡、两个前进挡和两个后退挡，通过三个开关阀和一个节流阀控制。不同挡位时各电磁阀动作状态如表2所示。其中需要注意的是在空挡状态所有的电磁阀均不工作；挡位开关阀上电为2挡，不上电为1挡；节流阀为常开阀，在1挡和2挡之间进行切换时，先延迟，后上电延迟，再断电，目的是为了降低换挡瞬间的油压波动，降低换挡冲击。
3.2 电磁阀模型
将建立的自动变速器控制模型编译到dSPACE中，模拟TCU控制自动变速器的运行，图11给出了对应的电磁阀模型和实现dSPACE与电磁阀驱动芯片之间连接的RTI接口。
3.3 快速原型实验
自动变速器控制规律快速原型实验是进行硬件在环实验的基础，在快速原型实验中，dSPACE用来模拟车辆的TCU控制单元，在这个阶段主要是处理两个问题，一是对建立的自动变速器进行在线验证，另一方面对换挡曲线进行调整，使换挡时刻符合车辆的实际运行工况和驾驶员的操作习惯。
3.3.1 快速原型实验流程
快速原型实验流程如图12所示，首先利用PC机将自动换挡控制模型（含电磁阀模型）编译下载到dSPACE中，并且将电磁阀驱动程序下载到电磁阀驱动电路中；dSPACE根据从实车上采集到的传感器信号执行控制策略，并将电磁阀控制信号输入到电磁阀驱动电路，根据预先存储于驱动电路中的电磁阀驱动程序对由dSPACE传来的控制信号进行处理，最终向实车上的电磁阀输入电磁阀动作信号，电磁阀接收到控制信号后，作出相应的动作，实现自动换挡。这样就形成了快速原型控制［6-8］，实物如图13所示。
3.3.2 快速原型实验仿真结果分析
快速原型实验主要分为两部分：一是叉车正常（平路）行驶实验；二是叉车在特殊工况行驶实验，如急加速急减速工况。快速原型实验过程中，利用ControlDesk综合实验和测试平台对仿真实验进行数据管理和监控。采集的数据主要有油门、车速和挡位。
3.3.2.1 正常行驶实验
本实验主要目的是为了验证车辆在正常行驶过程中能否严格按照换挡规律进行换挡，实验曲线图如图14所示。
从0 s到10 s叉车启动为空挡N，10 s开始叉车挂前进挡，叉车以前进一挡F1向前行驶，车速不断升高，在30 s左右车速达到与此刻油门开度相对应的换挡点，挡位升为前进二挡F2，在40 s油门开度降低，但是车速始终高于与油门开度对应的换挡车速，所以叉车始终保持以F2向前行驶。
可以证明叉车在正常行驶时自动变速器严格按照换挡规律中的换挡点进行换挡，基本实现自动换挡功能。
3.3.2.2 特殊工况实验
特殊工况实验主要是验证处于急加速急减速工况中的叉车能否按照换挡规律正确换挡，实验曲线图如图15所示。
从0 s到7 s叉车启动为空挡N，7 s叉车挂倒挡，迅速加大油门开度，7 s到17 s叉车以倒一挡R1行驶，在17 s车速达到与此刻油门开度相对应的换挡点，挡位升为倒二挡R2，之后在很短的时间里，叉车由于车速降到对应的降挡点以下，挡位由R2换为R1，并且迅速带制动停车并挂前进挡，急加速让车速迅速提高，在34 s左右挡位由F1换为F2，并且保持不变，53 s左右车速迅速降低到降挡点之下，挡位换为F1，之后油门开度急速增大，车速随之升高，挡位换为F2。
根据上述分析叉车在特殊工况中可以按照制定的换挡策略动作，所以上述制定的换挡策略对叉车特殊行驶工况也是适用的。
4 结论
本文对叉车的发动机与液力变矩器的性能进行匹配，建立基于车速和油门的自动变速器最佳动力性控制模型，并基于dSPACE对控制模型进行快速原型实验，实验结果表明：所建立的控制系统模型正确，能够实现自动换挡，效果良好，为开发叉车自动变速器控制器提供了参考。
参考文献：
［1］ 赵丁选，马 铸，杨力夫，等.工程车辆液力机械传动系统的动力性分析［J］.中国机械工程，2001，08：948-950.
［2］ 吴子岳，赵婷婷，王世明.工程车辆三参数自动换挡系统的研究［J］.机电工程，2007，24（11）：40-12.
［3］ 常 绿，王国强，唐新星，等.装载机发动机与液力变矩器功率匹配优化［J］.农业机械学报，2006，37（11）：28-31.
［4］ 张祥，杨志刚，张彦生.汽车AMT系统的Matlab/Simulink建模与仿真［J］.系统仿真学报，2007，19（14）：3339-3343.
［5］ 牛秦玉，张国胜，方宗德，等.电控机械式自动变速器换挡规律仿真模型的研究［J］.机械科学与技术，2007，26（3）：351-354.
［6］ 胡建军，徐佳曙，秦大同.液力机械自动变速传动系统控制仿真及试验［J］.农业机械学报，2006，37（7）：1-4.
关键词：仿真软件；透平机械；控制系统
透平机械控制是热能与动力工程专业本科生专业课程，理论性和应用性较强。Simulink是一个进行动态系统建模、仿真和综合分析的集成软件包。它可以处理的系统包括：线性、非线性系统，离散、连续及混合系统，单任务、多任务离散事件系统。在多年的教学过程中，笔者结合学生学习效果反馈，发现在课堂中融入Simulink仿真软件教学能取得较好的效果。
下面结合教学实例对Simulink仿真软件教学进行分析：
课程主要内容：分析透平机械控制系统元件的故障，对控制系统性能的影响。
把握各种控制规律是透平机械控制的任务，要由复杂的控制系统完成，由于实际应用的透平机械控制系统结构种类繁多，通常在教学过程中以几种典型的控制系统为例进行分析。本教学实例首先分别是建立测量元件、比较放大元件、执行元件以及控制对象的数学模型，通过Simulink仿真工具箱建立透平机械控制系统的仿真模型如图1所示，仿真结果如图2曲线0所示。
一、杠杆故障分析与故障仿真
反馈杠杆不灵活、卡塞或变形会导致反馈装置的迟缓率过大，反馈时间常数增大，造成转速波动，调节时间变长。图2中线1为杠杆故障导致反馈延迟的仿真曲线。故障状态下，系统超调量增加，转速波动严重。
二、调节弹簧故障分析与故障仿真
弹簧疲劳失效是透平机械转速控制系统的常见故障，弹性减弱甚至完全失去。在弹簧弹性减弱时反馈装置的反馈时间常数会增大。图中2线2为调节弹簧弹性减弱的曲线，调节时间加长，达不到所要求的设定转速。
三、错油门滑阀卡死故障分析与故障仿真
透平机械的工作条件比较复杂，易导致液压油路的污染，使错油门中掺杂大量的污染颗粒，这些颗粒会导致错油门滑阀卡死。卡死以后就会使转速控制系统的液压放大与反馈环节失去作用。图2线3为错油门滑阀卡死工况（液压放大与反馈环节失效）的仿真曲线。错油门滑阀卡死时转速稳定在某一转速状态，达不到设定转速值。
四、错油门滑阀节流口堵塞故障分析与故障仿真
由于长时间工作，错油门中的油可能会被外界的杂质或部件间的磨损掉下铁屑污染，而这些杂质与铁屑可能会堆积在错油门滑阀节流口处，使节流口的周向宽度变小。节流口的周向宽度变小导致液压放大器的增益系数减小，这种故障会造成液压放大器对输入信号的放大程度减小，使油动机的反应变缓，整个调节系统调节时间加长。线4为错油门滑阀节流口堵塞的曲线。故障曲线15秒仍未达到设定转速，并且出现了小频率的转速波动。
五、错油门出液压油泄漏故障分析与故障仿真
错油门处液压油泄漏后，会导致进入错油门的油压力降低，进而使通过错油门滑阀节流口的液压油流速降低，流速降低以后，液压放大器的增益系数变小，故障现象与错油门滑阀节流口堵塞相似。如果油压继续降低，直到无法推动油动机动作，则会使之后的放大反馈环节失效，故障现象与错油门滑阀卡死相似。
通过透平机械控制系统各元件故障分析，构建故障模型，融合Matlab软件中Simulink仿真工具，可以非常直观地使学生了解透平机械控制系统建模、仿真的过程。将Simulink仿真软件应用于透平机械控制的本科生教学过程中， 有助于学生理解，必将有利于取得较好的教学效果。
关键词：MATLAB Proteus 自动控制原理教学
中图分类号：G642.3 文献标识码：C DOI：10.3969/j.issn.1672-8181.2013.21.037
《自动控制原理》是电气工程及其自动化专业的一门重要专业基础课。[1][2]该课程理论性强、控制模型抽象，学生学习理解难度较大，其中，“控制系统的校正与设计”这部分内容表现尤为突出。为了激发学生对这部分内容的学习兴趣，采用MATLAB和Proteus软件进行实际电路建模和输出结果仿真，可以极大地帮助学生对该知识点的理解和掌握。本文将针对MATLAB和Proteus软件在《自动控制原理》教学中的应用进行一些探索，并给出实际的应用例子。
1 MATLAB和Proteus软件简介
MATLAB软件是目前使用最为广泛且功能最为强大的仿真软件之一，其内部的工具箱Simulink和SimPowerSystems可以方便地实现一般电子电路的设计与仿真。[3]然而，在教学中，由于MATLAB软件中没有集成运算放大器、单片机等模块，就给建立相关电路模型带来极大的不便。为了弥补这一缺陷，可以采用Labcenter公司开发的Proteus软件实现这一功能，以实现两种软件之间的优势互补，从而使教学效果达到最好。Proteus可以实现模拟电路、数字电路、单片机电路及电力电子电路的设计与仿真，功能非常强大。[4][5]采用Proteus软件对电路进行设计和仿真时，只需按照实际电路连接相应的元器件即可，而且可以通过示波器直接观察输出响应波形，操作非常方便。 另一方面，由于MATLAB软件兼容Proteus软件的输出仿真数据，这样就有利于两种软件的数据交换，以达到互补使用的功效。
2 MATLAB和Proteus用于“控制系统的校正与设计”教学实例
“控制系统的校正与设计”章节是《自动控制原理》课程教学中的一个重要内容，也是一个学生难以理解和掌握的知识点。采用MATLAB和Proteus软件可以使这部分教学内容更具体、更形象，从而帮助学生对这一教学难点的理解。下面就以一个简单的例子，具体分析MATLAB和Proteus软件分别在该章节教学中的应用情况。
首先设校正前和校正后的系统结构分别如图1和图2所示，其中传递函数为串联超前校正网络。
图1校正前控制系统结构图 图2校正后控制系统结构图
为了研究串联超前校正网络对系统动态性能的改善情况，同时分析MATLAB软件和Proteus软件在仿真研究中各自的优缺点，下面将分别采用两种软件对图1和图2所示系统进行研究。
2.1 采用MATLAB软件进行建模和仿真分析
在MATLAB的Simulink环境下建立系统的仿真模型，如图3所示。为了便于观察校正网络对系统性能指标的改善情况，分别将校正前系统（图3上半部分）和校正后系统（图3下半部分）的阶跃响应送入同一个示波器中进行观察。
图3 MATLAB环境下系统的仿真模型
仿真模型建立后，就可以进行仿真分析，仿真结果如图4所示。从图4中可以清楚的看出：采用串联超前校正后的系统，其参数上升时间、调节时间和超调量均比校正前系统大为减小，即串联超前校正很大程度上改善了控制系统的动态性能指标。
图4 MATLAB环境下系统的阶跃响应对比图
从上述的建模过程可以看出，通过MATALB的Simulink环境，可以让学生清楚观察到控制系统校正前和校正后模型上的差别，从而加深对串联超前校正结构和传递函数的理解。同时，仿真结果也可以让学生直观地观察并得出结论：串联超前校正的作用是改善控制系统的动态性能，即对控制系统上升时间、超调量和调节时间等性能指标的改善。
另一方面，从图3中系统的MATLAB模型可以看出，MATLAB软件虽然能够方便地建立整个系统的控制模型，然而并不能让学生形象地了解这些模型所对应的具体电路，造成学生对内容似懂非懂的情况，这是造成学生学习该节时理解困难的重要原因。下面将采用Proteus软件对同样内容进行仿真分析。
2.2 采用Proteus软件进行建模和仿真分析
基于MATLAB软件的建模和仿真分析可以较好地帮助学生理解具有校正环节的控制系统结构。然而，学生仍然对校正网络的具体电路知之甚少，为了使校正网络具体化，激发学生对这部分内容的学习兴趣，可以采用Proteus软件建立实际电路模型，使学生从抽象的校正网络传递函数中解脱出来。在Proteus环境下建立图3所示模型的具体电路如图5所示。
图5 Proteus环境下与图3对应系统的仿真模型
从图5中可以清楚地观察由R18、R19、R20和C5构成的超前校正网络电路结构，从而揭开学生对串联超前网络的神秘面纱。同时，通过图5的电路模型，也可以让学生了解到比较器、积分环节和惯性环节的具体电路构成，降低学生的理解难度。
同理，在Proteus环境下建立控制系统模型后，就可以通过阶跃响应来观察校正网络对控制系统的动态性能改善情况。为了与MATLAB环境下的仿真结果进行对比，把输入电压设置为1伏，输入电压的时间设置为在0.1秒时。仿真后的阶跃响应曲线对比图如图6所示。从图6中可以清楚地看出，校正后控制系统的动态性能比校正前大为改善，而且与图4的输出仿真结果相差不大。在考虑实际系统的惯性、时滞后和非线性的情况下，可以认为图4和图6的仿真结果基本相同。
较正前后所缺响应曲线对比图
图6 Proteus环境下系统的阶跃响应对比图
从MATLAB和Proteus两种软件对同一个控制系统的建模仿真过程，可以看出这两个软件各自的使用特点，为我们今后对它们的合理应用提供了指导思想。另外，从图4和图6的仿真结果可以看出，采用MATLAB软件的理想模型和采用Proteus软件的实际模型所得出的仿真结果有一定的出入，但是考虑实际电路的非线性、惯性和时滞等因素后，可以认为它们所得出的结论相同。这种结果既反映了理论模型与实际电路的区别，又为学生理解理论模型与实际应用模型之间的关系提供了较好的案例。
3 结论
本文以《自动控制原理》课程中“控制系统的校正与设计”章节的教学为研究对象，将MATALB和Proteus软件应用于辅助教学，不仅可以将抽象的传递函数模型和串联校正网络具体化，从而加深学生对该章节理论知识的理解，而且通过软件的仿真结果可以使学生充分理解串联超前校正对改善控制系统动态性能的作用，从而增强学生对该知识点的学习兴趣。
参考文献：
[1]潘莹，梁京章.MATLAB在《自动控制原理》教学中的应用研究[J].广西广播电视大学学报，2012，23（3）：38-40.
[2]吴华丽，吴进华，孟祥伟.在“自动控制原理”教学中激发学生的学习主动性[J].中国电力教育，2012，（22）：60-61.
[3]王正林，王胜开，陈国顺等.MATLAB/Simulink与控制系统仿真[M].电子工业出版社，2008.
