MATLAB在《自動(dòng)控制原理與系統(tǒng)》教學(xué)中的應(yīng)用

《自動(dòng)控制原理與系統(tǒng)》是電氣自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)的主干課程之一。它主要以自動(dòng)控制理論作為系統(tǒng)分析的工具,以系統(tǒng)分析作為應(yīng)用案例,研究自動(dòng)控制系統(tǒng)的模型建立、性能分析和系統(tǒng)調(diào)試的基礎(chǔ)理論與相關(guān)技術(shù)。該課程涉及知識(shí)面廣,信息量大,而且理論性和實(shí)踐性較強(qiáng),抽象概念及分析方法較多。如果采用傳統(tǒng)的教學(xué)方式,一方面教師需要花費(fèi)大量時(shí)間在黑板上繪圖、計(jì)算;另一方面,學(xué)生理解和接授知識(shí)會(huì)感覺(jué)枯燥難懂。

隨著計(jì)算機(jī)的普及,多媒體教學(xué)手段的使用已非常普遍。PowerPoint功能強(qiáng)大,實(shí)用性強(qiáng),操作簡(jiǎn)單,能夠根據(jù)學(xué)生的學(xué)習(xí)進(jìn)度進(jìn)行交互式教學(xué),克服了以往課堂教學(xué)的局限性,在很多學(xué)科教學(xué)中取得了良好的效果。但是,《自動(dòng)控制原理與系統(tǒng)》課程理論抽象且工程應(yīng)用性強(qiáng),學(xué)生學(xué)習(xí)該課程需要理論聯(lián)系實(shí)際。如果采用常規(guī)的多媒體教學(xué)手段,學(xué)生雖然在課堂上獲得的信息量增加了,但對(duì)教學(xué)內(nèi)容反而難以及時(shí)進(jìn)行有效消化理解。在強(qiáng)調(diào)面向?qū)嶋H、面向應(yīng)用的高職教育中,亟需尋找一種簡(jiǎn)捷易行、方便直觀的新型教學(xué)方式來(lái)彌補(bǔ)傳統(tǒng)教學(xué)方式的不足。針對(duì)該課程的特點(diǎn)、高職學(xué)生的基礎(chǔ)及培養(yǎng)目標(biāo),在課程教學(xué)過(guò)程中,采用MATLAB 仿真軟件進(jìn)行輔助教學(xué), 便于將抽象的理論知識(shí)形象化,可有效擴(kuò)充教學(xué)信息,增加吸引力,有助于提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

MATLAB軟件簡(jiǎn)介

MATLAB是美國(guó)Math Works公司于1982年推出的可視化軟件。它集完善的數(shù)值分析、強(qiáng)大的矩陣計(jì)算、復(fù)雜的信號(hào)處理和完美的圖形處理等功能于一體,構(gòu)成一個(gè)方便實(shí)用的用戶環(huán)境,方便進(jìn)行科學(xué)分析和工程計(jì)算。它所提供的可視化動(dòng)態(tài)仿真軟件包——SIMULINK,可實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)建模、仿真與分析,具有直觀、方便、靈活等優(yōu)點(diǎn)。

應(yīng)用MATLAB / SIMULINK對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行建模、仿真與分析,簡(jiǎn)單方便,只需要在模型窗口中使用鼠標(biāo)拖放選定的功能模塊并用信號(hào)線將之連結(jié)起來(lái),不需要編寫(xiě)任何程序代碼,就可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)仿真。而且MATLAB / SIMULINK仿真軟件可以在仿真過(guò)程中隨時(shí)改變參數(shù),實(shí)時(shí)觀測(cè)系統(tǒng)的變化,具有較好的交互性。

利用MATLAB輔助教學(xué)

MATLAB軟件是在自動(dòng)控制系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)領(lǐng)域廣泛應(yīng)用的工程仿真軟件。它提供了一個(gè)方便易用的圖形用戶界面,將MATLAB控制工具箱的相關(guān)功能集成一體,用方塊圖的繪制代替了程序編寫(xiě),使不熟悉MATLAB軟件的學(xué)生也可以利用其資源進(jìn)行自動(dòng)控制系統(tǒng)分析,是控制系統(tǒng)分析的高效工具。MATLAB強(qiáng)大的功能使得課堂教學(xué)中用圖形來(lái)驗(yàn)證理論不再繁瑣。無(wú)論是自動(dòng)控制理論部分,還是自動(dòng)控制系統(tǒng)部分,均可將MATLAB軟件引入課堂教學(xué)。因此,在教學(xué)過(guò)程中,適時(shí)穿插應(yīng)用MATLAB軟件進(jìn)行演示教學(xué),可以將教學(xué)內(nèi)容按照一定的結(jié)構(gòu)順序,用簡(jiǎn)潔的文字、豐富的畫(huà)面、逼真的動(dòng)畫(huà)以及聲音等形象直觀地呈現(xiàn)在學(xué)生面前。

將MATLAB軟件引入多媒體教學(xué),能夠彌補(bǔ)傳統(tǒng)教學(xué)講解內(nèi)容抽象,手工繪圖不準(zhǔn)確、不直觀,教學(xué)內(nèi)容難以擴(kuò)展等不足。教師在課堂上可以隨時(shí)演示系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)、參數(shù)變化的過(guò)程和結(jié)果,將系統(tǒng)的過(guò)渡過(guò)程生動(dòng)形象地表現(xiàn)出來(lái)。這種直觀的教學(xué),不僅激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣,而且將一些比較抽象的概念及以往教學(xué)中學(xué)生反映難以理解的內(nèi)容生動(dòng)、形象地加以闡明,有利于學(xué)生對(duì)抽象概念的理解,同時(shí)避免了多媒體教學(xué)把黑板搬到屏幕的缺陷。例如,在分析直流調(diào)速系統(tǒng)的抗負(fù)載擾動(dòng)性能時(shí),原先僅通過(guò)抽象的自動(dòng)調(diào)節(jié)過(guò)程加以闡述,學(xué)生難以理解,而通過(guò)MATLAB 軟件可以很方便地得到系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)曲線,從而加深學(xué)生對(duì)新知識(shí)的理解。再如,以往在時(shí)域響應(yīng)分析中,對(duì)三階以上的系統(tǒng),無(wú)法獲得確定的解,一般只能分析簡(jiǎn)單的二階系統(tǒng);而利用MATLAB軟件,可以很方便地獲得高階系統(tǒng)的近似解。MATLAB 軟件的引入,使學(xué)生對(duì)控制系統(tǒng)的概念及控制系統(tǒng)的性能分析有了較為感性的認(rèn)識(shí),有利于幫助學(xué)生建立正確的專(zhuān)業(yè)思想,深化對(duì)課程的理解。

利用MATLAB仿真應(yīng)用實(shí)例

轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)控制是調(diào)速系統(tǒng)的重點(diǎn)內(nèi)容。它將控制理論中的反饋控制與電機(jī)的調(diào)速控制相結(jié)合,使調(diào)速系統(tǒng)具有良好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)和抗擾動(dòng)能力。下面以轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)抗負(fù)載擾動(dòng)為例,說(shuō)明MATLAB的應(yīng)用。

根據(jù)雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖,用MATLAB可以建立雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的仿真模型,如圖1所示。用戶用鼠標(biāo)在模塊上雙擊,則顯示出此模塊的對(duì)話框,然后可根據(jù)系統(tǒng)具體要求設(shè)置參數(shù)或修改參數(shù)。直流電動(dòng)機(jī)的參數(shù)為:PN=2.2kW,IN=12.5A,nN=1500r/min,Ra=1.36Ω,La=22mH;三相橋式晶閘管整流裝置:放大倍數(shù)Ktr=40,平均延遲時(shí)間常數(shù)Ts=0.00167s,整流裝置內(nèi)阻Rr=3.24Ω;平波電抗器電阻Rs=0.4Ω,電感La=100mH;機(jī)電時(shí)間常數(shù)Tm=0.18s;速度調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)Kn=11.25,時(shí)間常數(shù)Tn=0.06936s;電流調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)Ki=0.973,時(shí)間常數(shù)Ti=0.0244s;電流反饋系數(shù)?=0.427,濾波時(shí)間常數(shù)Toi=0.002s;轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)?=0.00533,濾波時(shí)間常數(shù)Ton=0.01s。

為了分析系統(tǒng)的抗擾動(dòng)能力,將系統(tǒng)設(shè)定在滿負(fù)載起動(dòng),在第3.0秒時(shí)減去負(fù)載,運(yùn)行仿真軟件,即可在模擬示波器中得到轉(zhuǎn)速n的動(dòng)態(tài)響應(yīng)波形,如圖2所示。電動(dòng)機(jī)的滿載起動(dòng)過(guò)程大約為0.3秒,啟動(dòng)后電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速很快,達(dá)到940r/min,并趨于穩(wěn)定。由于電機(jī)在第3.0秒減去負(fù)載,此時(shí)電機(jī)轉(zhuǎn)速開(kāi)始上升。在經(jīng)過(guò)了大約0.15秒后,電機(jī)的轉(zhuǎn)速又趨于穩(wěn)定,穩(wěn)定時(shí)轉(zhuǎn)速仍為940r/min。通過(guò)仿真波形可以清楚地看到:當(dāng)負(fù)載變化時(shí),系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速要發(fā)生變化,但經(jīng)歷一段時(shí)間調(diào)整后,轉(zhuǎn)速能恢復(fù)至原來(lái)數(shù)值,基本不受負(fù)載變化的影響,且穩(wěn)定性能較好。

MATLAB 軟件和自動(dòng)控制理論多媒體課件有機(jī)融合起來(lái)的教學(xué),不需要真正的硬件環(huán)境和資源。在課堂上直接進(jìn)行演示,可以讓學(xué)生看到實(shí)時(shí)的仿真結(jié)果,增強(qiáng)他們的參與感。實(shí)踐表明,這種教學(xué)方法降低了自動(dòng)控制理論的抽象性,有效地激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣,使教師教起來(lái)輕松,學(xué)生學(xué)起來(lái)愉悅,提高了課堂教學(xué)效率。

參考文獻(xiàn):

[1]姚曉寧,郭瓊.基于MATLAB 的Notebook功能在自動(dòng)控制原理教學(xué)中的應(yīng)用[J].職業(yè)教育研究,2007,(8).

[2]周淵深.交直流調(diào)速系統(tǒng)與MATLAB仿真[M].北京:中國(guó)電力出版社,2003.

[3]孔凡才.自動(dòng)控制原理與系統(tǒng)(第3版)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2005.

[4]袁玲,裴海龍,彭康擁.MATLAB在自動(dòng)控制原理CAI教學(xué)中的應(yīng)用[J].計(jì)算技術(shù)與自動(dòng)化,2006,(3).

作者簡(jiǎn)介:

沈玉梅(1961—),女,遼寧大連人,碩士,大連職業(yè)技術(shù)學(xué)院電氣與電子工程技術(shù)系副主任,副教授,研究方向?yàn)樽詣?dòng)控制理論。