MATLAB在《航天器控制》多媒体教学的彻底应用
时间：2020-12-14 16:01:28 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
Complete Application of Multimedia Teaching with MATLAB in Spacecraft Control
Long Yaosong；Wen Xin； Nan Ying；Wang Hao
（①College of Aeronautics，Northwestern Polytechnical University，Xi"an 710072，China；
②College of Astronautics，Nanjing University of Aeronautics and Astronautics，Nanjing 210016，China）
摘要： 《航天器控制》是我国航天航空院校一门重要的专业课，是本科生后续课程和研究生课程的基础，它在专业课程体系中占有重要地位。由于该课程具有较强的工程背景，所以数学模型复杂，再加上目前专业课的学时不断压缩，因此如何在较短的时间内，提高教学效率和效果，已经成为教师讲授该门课程时不得不考虑的一个重要问题。
Abstract: Spacecraft Control is an important course in aerospace colleges. It is the basic course of undergraduates and graduates. It plays an important role in specialized courses. With the need of engineering knowledge, and the reduction of specialized course"s hours, the model is very complex. So, how to improve the learning efficiency in such a short time becomes an urgent problem when teachers give lessons.
关键词： 航天器控制 MATLAB 教学 多媒体
Key words: spacecraft control；MATLAB；teaching；multimedia
中图分类号：TP273 文献标识码：A文章编号：1006-4311（2011）２6-0145-02
0引言
目前，《航天器控制》课程一直采用“教师一黑板一学生”或“教师一PPT课间一学生”的课堂教学方式，尤其当教师在黑板上讲授航天器动力学控制系统的分析时，往往需要使用几种颜色的线条将他们区分，而且曲线的准确度基本没有保证，仅仅是一种定性分析结果，造成系统分析缺乏可视化的直观表现，系统响应的动态性难以体现，使得学生难以理解和接受。此外，由于黑板式教学模式的缺点，学生也很难理解复杂的航天器姿态运动性能，更不能直观地得到系统特性的可视化测试结果，造成学生不能深刻地理解所得结论。
另一方面，航天器姿态控制的实践性教学环节也是该课程教学的重要环节，但在航天器控制实验中由于现有硬件设备昂贵，如购买一个仿真转台需要50万元左右，我国目前有很多重点工科院校都兴办航天专业，这些新办的航天专业没有完善的试验条件，谈不上具备航天器物理仿真实验室，所以不能为学生提供了优良的实验条件，很难达到良好的效果，更不利于巩固课堂中的理论知识。
综上所述，《航天器控制》课程迫切需要进行教学方法和实验方法的改革。如何帮助学生理解与掌握课程中的基本概念、基本原理、基本分析方法以及培养学生综合运用所学知识解决实际问题的能力，是本课程教学所要解决的关键问题。
在我国高校里，MATLAB已经成为自动控制与各类高级课程的基本数学工具，成为各高校大学生、研究生必须掌握的基础知识与基本技能，将MATLAB数字仿真用于《航天器控制》的教学将为高校提供了一种很好的解决办法。
1MATLAB在《航天器控制》教学中的彻底应用
1.1 航天器系统建模数学模型是航天器控制系统分析研究的基础。应用MATLAB辅助分析控制系统，首先也要建模，其建模主要是以函数形式表示和Simulink模型。函数形式如：用tf()印函数来建立控制系统的传递函数模型，用zpk0函数来建立零极点增益模型，用tf2zp0和zp2tf0函数来实现传递函数模型和零极点增益模型的相互转换，用cloop0函数来建立单位反馈或者用函数feedback0来构成其它反馈。Simulink是MATLAB产品中的图形化系统建模与仿真工具，通过这个工具，用户可以采用方框图建立系统的模型，比传统的仿真软件包用微分方程或差分方程建模具有更直观、方便、灵活的优点。
例1对于卫星系统，一般反馈控制系统的组成如图1。
通过系统测试以及设定参数，得出如下系统闭环传递函数。
G（s）=■
Matlab程序如下：
num=[1,5]；
[z,p,k]=tf2zp(num,den)
运行结果为：
z=0
-5.0000
p=-2.0000
-1.0000
-1.0000
k=1
结果表达式为：G（s）=■
同理，可用zp2tf0函数来实现零极点增益模型向传递函数模型的转换。
若已知系统零点（-5，0），极点（-2，0）、（-1，0）、（-1，0），增益为1，则可以用以下zpk0函数来建立零极点增益模型：
sys=zpk（[-5]，[-2，-1，-1]，[1]）；
总之，matlab中有许多函数可以用来建立系统的模型。
1.2 时域分析在时域分析中，通过分析系统的闭环极点的分布来判断系统的稳定性，通过分析系统的典型信号响应来分析系统的动态性能。但是对于非线性系统，如果用人工计算来分析的话，不仅花费时间多，而且教学效果很差。此时可以借助于MATLAB中的Simulink功能进行分析，使问题就变得很简单。
例2对例1中系统，输入周期为6s的方波，求其输出响应。
执行下面的M文件：
num=[1,5];
den=[1,4,5,2];
t=0:0.1:15;
%——构造周期为6的方波
period=6;
u=(rem(t,period)>=period./2);
lsim(num,den,u,t);
运行后得到如图2所示输出响应曲线。
1.3 根轨迹分析根轨迹法是分析和设计线性定常系统的图解方法，是《航天器控制》课程的一种基本的系统分析方法，但是传统方法在绘制根轨迹的过程中，需要分析、计算、描点，花费大量时间，引入MATLAB后，只需几句命令就可以取代上述工作。
例3 对于某卫星俯仰角控制系统，其结构如图1。设定各环节参数后，系统开环传递函数模型为：G0（s）=■
绘制其根轨迹图。
Matlab程序如下：
num=10;
den=[0.1 1.1 0];
rlocus(num,den)
运行后得到如图3的根轨迹曲线。
1.4 系统设计所谓的系统设计，就是在给定的性能指标下，对于给定的航天器控制对象模型，确定一个能够完成任务的校正器，即确定校正器的结构和参数。借助于MATLAB强大的计算功能，可以很方便地解决这个问题。
