Matlab仿真在《控制工程基礎(chǔ)》教學(xué)中的應(yīng)用

楊秀萍，郭悅虹，王收軍

（天津理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，天津 300384）

Matlab仿真在《控制工程基礎(chǔ)》教學(xué)中的應(yīng)用

楊秀萍，郭悅虹，王收軍

（天津理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，天津 300384）

0 引言

《控制工程基礎(chǔ)》是高等院校機(jī)械類(lèi)專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課，理論性強(qiáng)，概念抽象，內(nèi)容涉及的知識(shí)面廣，且實(shí)踐性很強(qiáng)。在教學(xué)過(guò)程中，如果教學(xué)內(nèi)容的組織或教學(xué)方法不當(dāng)，就可能使學(xué)生感到難學(xué)、乏味，從而產(chǎn)生厭學(xué)情緒，影響該課程的教學(xué)質(zhì)量。本文根據(jù)《控制工程基礎(chǔ)》課程的教學(xué)內(nèi)容和特點(diǎn)，利用PPT和MATLAB鏈接開(kāi)發(fā)具有動(dòng)態(tài)計(jì)算和繪圖功能的仿真教學(xué)課件，把比較復(fù)雜的數(shù)學(xué)運(yùn)算放到計(jì)算機(jī)后臺(tái)來(lái)處理，充分利用MATLAB強(qiáng)大的分析、計(jì)算、繪圖和仿真功能。這種動(dòng)態(tài)仿真教學(xué)直觀(guān)、形象，有利于學(xué)生對(duì)抽象概念和理論的理解，化解教學(xué)難度和學(xué)習(xí)難度，使學(xué)生從繁雜的數(shù)學(xué)運(yùn)算和繪圖中解脫出來(lái)，把主要精力集中在對(duì)基本理論、基本原理的理解以及對(duì)控制系統(tǒng)的特性分析及綜合設(shè)計(jì)上，達(dá)到提高授課質(zhì)量、培養(yǎng)學(xué)生綜合能力的目的。

1 PPT和MATLAB鏈接技術(shù)

Matlab是高性能的數(shù)值計(jì)算和可視化軟件，功能強(qiáng)大，編程簡(jiǎn)單、開(kāi)放性強(qiáng)，廣泛應(yīng)用于計(jì)算機(jī)輔助分析設(shè)計(jì)、仿真、數(shù)據(jù)處理等多個(gè)領(lǐng)域。通過(guò)Matlab ActiveX可以把Matlab的功能無(wú)縫地集成到自己的應(yīng)用程序中。在教育教學(xué)領(lǐng)域，CAI課件多采用PowerPoint制作，借助ActiveX技術(shù)集成Matlab，即可實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)計(jì)算、繪圖及仿真，彌補(bǔ)了PowerPoint不能處理動(dòng)態(tài)計(jì)算的缺陷。

Matlab和PowerPoint分別是自動(dòng)化服務(wù)器和自動(dòng)化控制器，二者通過(guò)VBA來(lái)集成。VBA是Office軟件中的二次開(kāi)發(fā)語(yǔ)言，是VB的派生體，本身具有強(qiáng)大的功能。

2 基于Matlab仿真的實(shí)現(xiàn)

下面以二階系統(tǒng)單位階躍響應(yīng)為例，介紹在PPT中動(dòng)態(tài)仿真繪圖和計(jì)算的實(shí)現(xiàn)過(guò)程。

2.1 動(dòng)態(tài)仿真繪圖

利用“控件工具箱”創(chuàng)建1個(gè)“圖形顯示框”用于顯示仿真圖形，1個(gè)“文字框”用于輸入程序，1個(gè)“按鈕”用于仿真，并為控件分別設(shè)置相應(yīng)的屬性，如圖1所示。

“仿真”按鈕的VBA程序代碼為

圖1輸出圖形框?yàn)棣豱=0.5、1、2，ξ=0.5時(shí)的響應(yīng)曲線(xiàn)。

2.2 動(dòng)態(tài)仿真計(jì)算

利用“控件工具箱”創(chuàng)建2個(gè)“文字框”用于輸入程序和輸出結(jié)果，1個(gè)“按鈕”用于計(jì)算，并為控件分別設(shè)置相應(yīng)的屬性，如圖2所示。

“計(jì)算”按鈕的VBA程序代碼為

圖2輸出結(jié)果框?yàn)槎A系統(tǒng)性能指標(biāo)計(jì)算結(jié)果。

3 幾點(diǎn)說(shuō)明

圖1 動(dòng)態(tài)仿真繪圖演示文稿

圖2 動(dòng)態(tài)仿真計(jì)算演示文稿

1）在PowerPoint放映狀態(tài)下，在輸入程序文本框中輸入Matlab程序，然后單擊“仿真”或“計(jì)算”按鈕，即可在“輸出圖形”或“輸出結(jié)果”框中得到相應(yīng)的結(jié)果。鍵入多條程序命令時(shí)，“回車(chē)換行”須采用【Ctrl+Enter】實(shí)現(xiàn)。

2）由于演示文稿中建立了VBA程序，故運(yùn)行PowerPoint文件時(shí)，需要“啟用宏”，方能保證演示文稿正常運(yùn)行。

3）在PPT放映狀態(tài)進(jìn)行“仿真”或“計(jì)算”，其程序運(yùn)行時(shí)間要比直接在Matlab環(huán)境中計(jì)算時(shí)間稍長(zhǎng)。

4 結(jié)束語(yǔ)

利用基于MATLAB的仿真教學(xué)是改善“控制工程基礎(chǔ)”課程教學(xué)環(huán)境的重要手段。這種動(dòng)態(tài)教學(xué)方法可以降低控制理論的抽象性，有效地激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高課堂的教學(xué)效率，豐富教學(xué)內(nèi)容，也便于學(xué)生的課下復(fù)習(xí)，及時(shí)驗(yàn)證所做題目的正確性，鞏固所學(xué)知識(shí)，改善教學(xué)環(huán)境，提高學(xué)生對(duì)該課程學(xué)習(xí)的興趣，取得較好的教學(xué)效果。

[1]張志涌.精通Matlab 6.5版[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2003.

[2]宋志安,徐瑞銀.機(jī)械控制工程基礎(chǔ)-MATLAB工程應(yīng)用[M].北京:國(guó)防工業(yè)出版社,2008.

[3]王正林,王勝開(kāi),陳國(guó)順,等.MATLAB/Simulink與控制系統(tǒng)仿真(第2版)[M].北京:電子工業(yè)出版社,2009.

[4]孫亮. MATLAB語(yǔ)言與控制系統(tǒng)仿真[M].北京:北京工業(yè)大學(xué)出版社,2001.

[5]宗曉萍,王霞,唐予軍.基于MATLAB的"自動(dòng)控制原理"CAI教學(xué)設(shè)計(jì)[J].中國(guó)教育技術(shù)裝備,2009,(11下):130-132.

The application of Matlab simulation to teaching on fundamentals of control engineering

YANG Xiu-ping, GUO Yue-hong, WANG Shou-jun

根據(jù)《控制工程基礎(chǔ)》課程的教學(xué)內(nèi)容和特點(diǎn)，基于MATLAB技術(shù)開(kāi)發(fā)具有動(dòng)態(tài)計(jì)算和繪圖功能的仿真教學(xué)課件。介紹了PPT和MATLAB的鏈接技術(shù)，動(dòng)態(tài)仿真的具體實(shí)現(xiàn)過(guò)程以及應(yīng)注意的問(wèn)題。課件的應(yīng)用，可以改善教學(xué)環(huán)境，化解教學(xué)難度和學(xué)習(xí)難度，有效地激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高教學(xué)效率和授課質(zhì)量。

控制工程基礎(chǔ)；Matlab；仿真；教學(xué)

楊秀萍（1962 -），女，天津人，教授，碩士，主要從事機(jī)械電子工程專(zhuān)業(yè)的教學(xué)與科研工作。

G434

A

1009-0134(2011)4(上)-0058-02

10.3969/j.issn.1009-0134.2011.4(上).19

2010-10-08

天津理工大學(xué)教學(xué)改革項(xiàng)目（YB09-32）