ProE－Matlab联合仿真技术在自动控制原理教学中的应用

申 远， 王怡影， 蒋 杉， 陈明生

（合肥师范学院 电子信息工程学院，安徽 合肥230601）

1 引言

自动控制原理是高等本科院校电气类专业的一门重要基础理论课程，是机械和自动化类专业的核心课程。该课程讲述了自动控制系统分析设计的一些基本方法，如时域分析法、根轨迹法、频率响应法等，其应用领域非常广泛，几乎遍及各个工程技术学科［1］。自动控制原理在整个专业知识体系中占据非常重要的地位，具有承上启下的作用。通过对控制理论知识的学习，使学生掌握分析、测试和设计自动控制系统的基本方法，培养学生对控制系统的工程实践能力和创新能力，为后续如“现代控制论”、“过程控制系统”、“先进控制系统”等专业课程提供理论基础和分析设计方法。

自动控制原理课程强调方法论，理论性强，概念抽象，数学含量大，计算繁杂，以致学生难于理解，这些都需要实验的支持和证明。教学内容抽象，做图方法多，使得在课堂教学中，当需要画很多曲线和分析各类系统的参数时，由于没有比较准确的曲线或灵活的计算结果演示，影响了学生的理解与接受。

在自动控制原理教学过程中，常常要分析同一系统在不同参数情况下对同一信号源的不同响应过程，这就需要画一些函数曲线，很多学者尝试着将仿真软件MATLAB引入传统的教学模式中，将曲线图表清晰的展现在学生面前。通过实践，取得了较好的教学效果［2－3］。

2 MATLAB应用于自动控制教学

MATLAB强大的图形库和完善的功能为自动控制领域提供了相关的时域、频域指标及与波形显示有关的大量函数，为自动控制原理的教学提供了强有力的支持［4］。应用MATLAB可以方便地观察参数变化对控制系统稳定性动态特性的影响，使学生深入了解理论教学的内容并拓展思路，还可避免传统的理论教学中教师板书绘图的时间浪费以及人工绘图的粗糙性。

利用MATLAB可以进行系统的时域分析［5］，时域分析的计算量较大，进行教学讲解时如果强调数学推导，必然会使学生觉得内容枯燥，此外显示的研究和工程开发中也都基本采用MATLAB进行时域分析，因此在教学过程中传授学生使用MATLAB进行复杂系统的时域分析是非常必要的，如图1所示。

图1 MATLAB时域分析

此外，MATLAB还可以非常快速的绘制出复杂系统根轨迹图，如图2，相比板书绘制要精确的多，同时学生也会非常感兴趣去学会使用MATLAB这个工具来辅助他们进行自动控制课程的学习。

图2 MATLAB根轨迹分析

MATLAB软件对于自动控制课程教学的帮助十分明显，但是也存在着一定的问题。可以发现，MATLAB的分析对象都是数学模型，但是除了自动化专业外，其他的控制类专业，如电气自动化、机械自动化、农业自动化、机电等专业的控制对象往往都是实体模型，这样在教学的过程中脱离实体对于学生的学习是不利的，因此有必要引入一种能够进行实体控制仿真的技术要辅助自动控制课程的教学。

3 Pro／Engineer－Matlab联合仿真技术应用于自动控制教学

联合仿真就是两个不同的仿真程序在同一步长时刻下进行数据的交换，然后利用各自的求解器进行求解计算，它能有效地结合两种软件的优点，大大提高了仿真精度。这项技术也是在现代科研对于仿真的高精度要求下产生的。

Pro／Engineer是美国PTC公司开发的一款优秀的三维CAD建模及分析软件［6］，能够建立具有各种复杂结构的机械实体模型，同时还提供了集运动仿真和机构分析于一体的Pro／Mechanism模块，它可以直接使用Pro／E建立的机械模型进行仿真，避免了模型转换过程中可能出现的错误，具有强大的分析功能，在机械分析领域得到了广泛应用。

利用Pro／Engineer与 MATLAB分别在机械系统分析与控制系统设计方面的优势，将两者结合可以取长补短，完成联合仿真分析。利用Pro／Mechanism建立联合仿真系统的机械模型并添加约束及载荷，Matlab／Simulink则构建联合仿真系统的控制模型，通过Pro／Mechanism模块中的Custom Load插件以及Simulink所提供的S函数采用内存映射的方式将两者连接起来，构建数据交互的通讯接口，形成闭环回路，利用Simulink的控制输出驱动机械模型，并将Mechanism中测量得到机械模型的位移、速度、加速度等反馈给控制模型，实现交互式仿真，如图3所示。

图3 交互式仿真流程

4 教学案例

在自动控制教学中让学生分析如下机械控制系统，设计此一关节机械臂控制系统，如果仅仅采用MATLAB软件是无法实现精确控制的，而且MATLAB软件的数学模型也无法将控制对象形象的展示在学生面前。

因此，我们结合MATLAB中的SIMULINK模块进行控制仿真部分的设计，设计一个如图4所示的PID控制器。

图4 PID控制器

但是分析模型对象不采用传统的数学模型而是Pro／E中的精确三维实体模型，这样不仅可以得到高精度的控制曲线，还能使学生非常形象的学习该系统的控制过程，如图5所示。

图5 联合仿真模型及曲线

5 结束语

将ProE－Matlab联合仿真技术应用于自动控制原理教学中，不仅可以利用MATLAB在绘图，数学计算方面的优势，提高教学效率，还可以利用Pro／E软件强大的实体模型，使学生形象的接触更为实际的控制对象，并且可以直观的学习控制技术，提高了学生的学习兴趣，加深了学生对于自动控制理论的理解，也提升了学生应用自动控制原理的能力。

［1］胡寿松.自动控制原理（第五版）［M］.北京：科学出版社，2007.

［2］沈玉梅.MATLAB在《自动控制原理与系统》教学中的应用［J］.职业教育研究，2009（11）：148－149.

［3］齐琳，王剑，MATLAB在自动控制原理教学中的应用［J］，实验室科学，2010，13（2）：156－158.

［4］师宁杰.自动控制原理——基于 MATLAB仿真［M］.北京：国防工业出版社，2007.

［5］王正林.MATLAB／Simulink与控制系统仿真（第2版）［M］.北京：电子工业出版，2008.

［6］二代龙震工作室.Pro／Toolkit Wildfire 2.0插件设计［M］.北京：电子工业出版社，2005.