MATLAB在高職控制系統(tǒng)課程教學技術中的應用

蒲永卓++李文平

摘要：本文主要介紹了MATLAB在高職控制系統(tǒng)課程教學中的特點及應用，使讀者建立系統(tǒng)仿真與MATLAB仿真的初步概念。通過實例說明MATLAB應用于高職控制系統(tǒng)課程教學取得的效果，MATLAB為控制系統(tǒng)的分析、計算、研究、綜合設計以及自控系統(tǒng)的計算機輔助教學提供了快速、經濟、科學有效的手段。

關鍵詞：控制系統(tǒng) MATLAB 輔助教學

中圖分類號：TP311.1 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2014）08-0227-02

1 引言

控制系統(tǒng)是高職控制類專業(yè)的專業(yè)課，傳統(tǒng)的教學方法對系統(tǒng)的分析顯得很深奧，學生理解起來顯得很能，因此很有必要尋求一種新的辦法來解決存在的問題?？刂葡到y(tǒng)的計算機仿真是一門涉及控制理論、計算數學與計算機技術的綜合性學科，是在20世紀70年代初期發(fā)展起來的一門學科。人們將MATLAB計算機仿真應用于教學，取得了顯著的成果，它包括控制系統(tǒng)的分析，綜合，設計、校驗等多方面的應用。本文基于上述思想，主要介紹了如何將MATLAB仿真軟件應用于控制系統(tǒng)的教學。

2 MATLAB 在控制系統(tǒng)中的仿真過程

所謂的仿真，就是以系統(tǒng)數學模型為基礎，以計算機為工具對系統(tǒng)進行試驗研究的一種辦法。通常，控制系統(tǒng)的仿真包含以下幾個步驟：

（1）建立控制系統(tǒng)的數學模型。系統(tǒng)的數學模型，是描述系統(tǒng)輸入、輸出變量以及內部各變量之間關系的數學表達式。根據系統(tǒng)的實際結構與系統(tǒng)各變量之間所遵循的物理、化學等規(guī)律，寫出變量間的數學表達式以建立數學模型。通用的數學模型有微分方程和傳遞函數。

（2）建立控制系統(tǒng)的仿真模型。原來建立的數學模型不能直接用于系統(tǒng)的仿真，需要轉換為能夠對系統(tǒng)進行仿真的模型。以傳遞函數為基礎，等效轉換為狀態(tài)空間模型，或將其轉化為動態(tài)結構圖模型，便可以得到控制系統(tǒng)的仿真模型。

（3）編寫控制系統(tǒng)的仿真程序。使用MATLAB的Toolbox工具箱及Simulink仿真工具，對于非實時系統(tǒng)，可以應用高級語言，對于實時系統(tǒng)的仿真，往往用匯編語言來編寫。

（4）仿真并得到仿真結果。通過實際的仿真對原有的仿真結果和仿真模型進行驗證，我們可以得到防震防結果。根據結果來說明系統(tǒng)的性能指標和動穩(wěn)態(tài)特性。

3 MATLAB軟件仿真的優(yōu)勢

MATLAB仿真軟件應用于高職控制系統(tǒng)教學，有著非常明顯的優(yōu)勢，涉及到的仿真模型很全、仿真內容全面、硬件投入少、實驗過程安全可靠、損耗小、與工程實踐最為接近等突出優(yōu)點。

（1）仿真模型豐富，內容全面。MATLAB軟件提供了豐富的仿真模型，包括控制系統(tǒng)的大部分類型。對同一類型控制系統(tǒng)，可以采用不同的模塊來搭建完成，可以擴展學生的思路和提高學生的學習興趣。該軟件可以加快控制系統(tǒng)開發(fā)的速度，節(jié)約開發(fā)成本，提高開發(fā)效率。

（2）硬件投入少，經濟優(yōu)勢明顯。MATLAB所提供的13類基本模塊庫，可以直接用于系統(tǒng)電路的搭建，同時該軟件所提供的儀表功能模塊，都是可靠和經濟的。如果在高職控制系統(tǒng)教學中投入這樣的真實的儀器儀表，僅儀表的維護來講，其工作量也是比較大的。因此采用軟件的方式進行教學，硬件功能軟件化，可以節(jié)省大量的實訓投入，其經濟優(yōu)勢是相當明顯的。

（3）接近實際控制系統(tǒng)，提高解決實際工程問題的能力。采用MATLAB仿真軟件后，實際工程問題的研究，可以先在軟件環(huán)境中模擬仿真，再進行硬件的投入，這樣的處理，不僅省時省力，也可以節(jié)省因方案不正確所造成的硬件投入的浪費。最后將仿真調試成功的控制系統(tǒng)電路移植到一個具體的系統(tǒng)電路中進行實際測試。將仿真軟件和具體的工程有機如合起來，有利于學生對實際工程的了解和學習。

（4）教學過程安全，模擬儀器多、損耗小。采用MATLAB仿真軟件進行的控制系統(tǒng)教學，可以將大量教學信息直接地表現出來，節(jié)約大量昂貴的實驗儀器所帶來的費用，調動學生的學習積極性和主動性，為控制系統(tǒng)的教學設計帶來了很大的靈活性，打破了空間和時間的限制，避免真實操作所帶來的各種危險，則不存在因操作不當而造成的儀器儀表的損毀， 也涉及到儀器儀表等工作時所造成的能源消耗的問題。

（5）采用多媒體教學，豐富了教學的手段。在教學上虛擬實驗采用多媒體教學，通過多媒體教學實現教師對學生同步演示控制電路圖并講解其原理，學生可以根據電路原理圖在虛擬實驗系統(tǒng)提供的功能模塊庫中找到相應的虛擬元件。仿真結果可以保存起來，自動生成實驗報告，極大的豐富了教學內容和教學手段。

4 控制系統(tǒng)的仿真舉例

一個具體的控制系統(tǒng)，我們一本研究這個系統(tǒng)的穩(wěn)定性、準確性和快速性及控制系統(tǒng)的動穩(wěn)態(tài)性能。下面將通過一個具體的工程實例來研究控制系統(tǒng)的仿真。圖1為晶閘管-直流電動機轉速負反饋調速系統(tǒng)的Simulink動態(tài)結構圖。

4.1 求出系統(tǒng)的傳遞函數

4.2 求系統(tǒng)的穩(wěn)定性

可以通過求系統(tǒng)特征方程的根來判斷系統(tǒng)的穩(wěn)定性，系統(tǒng)穩(wěn)定的充分必要條件是全部為負值，都位于s的左半平面。

4.3 求系統(tǒng)的頻域性能指標、Bode圖和單位階躍響應

4.4 基于MATLAB的根軌跡設計

在MATLAB控制系統(tǒng)根軌跡分析與設計給工具，可以分析根軌跡，也可以對系統(tǒng)設計。根軌跡可用于研究當改變參數時對系統(tǒng)根軌跡的影響，從而很好地解決高階系統(tǒng)控制過程性能的分析與計算。運行rltool（sys）命令就可以打開根軌跡分析器。圖3是傳遞函數sys在根軌跡分析器中的根軌跡和nichols曲線。

5 小結

通過以上研究可以看得，MATLAN應用于高職控制系統(tǒng)的教學，不僅豐富了教學手段，節(jié)約教學成本，更主要的是加強了學生對實際系統(tǒng)的認識，由于篇幅的限制，MATLAB在控制系統(tǒng)教學中的作用不能詳述，本文只是列舉了一些簡單的例子，目的在于認識MATLAB在高職控制系統(tǒng)教學中的優(yōu)勢。MATLAB更大的優(yōu)勢在于它還可以進行二次開發(fā)，研究更加復雜的系統(tǒng)。

參考文獻

[1]孔凡才.自動控制原理與系統(tǒng)[M].北京：機械工業(yè)出版社.2007，2.

[2]控制系統(tǒng)MATLAB計算及仿真[M].北京：國防工業(yè)出版社.2004，9.endprint

摘要：本文主要介紹了MATLAB在高職控制系統(tǒng)課程教學中的特點及應用，使讀者建立系統(tǒng)仿真與MATLAB仿真的初步概念。通過實例說明MATLAB應用于高職控制系統(tǒng)課程教學取得的效果，MATLAB為控制系統(tǒng)的分析、計算、研究、綜合設計以及自控系統(tǒng)的計算機輔助教學提供了快速、經濟、科學有效的手段。

關鍵詞：控制系統(tǒng) MATLAB 輔助教學

中圖分類號：TP311.1 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2014）08-0227-02

1 引言

控制系統(tǒng)是高職控制類專業(yè)的專業(yè)課，傳統(tǒng)的教學方法對系統(tǒng)的分析顯得很深奧，學生理解起來顯得很能，因此很有必要尋求一種新的辦法來解決存在的問題?？刂葡到y(tǒng)的計算機仿真是一門涉及控制理論、計算數學與計算機技術的綜合性學科，是在20世紀70年代初期發(fā)展起來的一門學科。人們將MATLAB計算機仿真應用于教學，取得了顯著的成果，它包括控制系統(tǒng)的分析，綜合，設計、校驗等多方面的應用。本文基于上述思想，主要介紹了如何將MATLAB仿真軟件應用于控制系統(tǒng)的教學。

2 MATLAB 在控制系統(tǒng)中的仿真過程

所謂的仿真，就是以系統(tǒng)數學模型為基礎，以計算機為工具對系統(tǒng)進行試驗研究的一種辦法。通常，控制系統(tǒng)的仿真包含以下幾個步驟：

（1）建立控制系統(tǒng)的數學模型。系統(tǒng)的數學模型，是描述系統(tǒng)輸入、輸出變量以及內部各變量之間關系的數學表達式。根據系統(tǒng)的實際結構與系統(tǒng)各變量之間所遵循的物理、化學等規(guī)律，寫出變量間的數學表達式以建立數學模型。通用的數學模型有微分方程和傳遞函數。

（2）建立控制系統(tǒng)的仿真模型。原來建立的數學模型不能直接用于系統(tǒng)的仿真，需要轉換為能夠對系統(tǒng)進行仿真的模型。以傳遞函數為基礎，等效轉換為狀態(tài)空間模型，或將其轉化為動態(tài)結構圖模型，便可以得到控制系統(tǒng)的仿真模型。

（3）編寫控制系統(tǒng)的仿真程序。使用MATLAB的Toolbox工具箱及Simulink仿真工具，對于非實時系統(tǒng)，可以應用高級語言，對于實時系統(tǒng)的仿真，往往用匯編語言來編寫。

（4）仿真并得到仿真結果。通過實際的仿真對原有的仿真結果和仿真模型進行驗證，我們可以得到防震防結果。根據結果來說明系統(tǒng)的性能指標和動穩(wěn)態(tài)特性。

3 MATLAB軟件仿真的優(yōu)勢

MATLAB仿真軟件應用于高職控制系統(tǒng)教學，有著非常明顯的優(yōu)勢，涉及到的仿真模型很全、仿真內容全面、硬件投入少、實驗過程安全可靠、損耗小、與工程實踐最為接近等突出優(yōu)點。

（1）仿真模型豐富，內容全面。MATLAB軟件提供了豐富的仿真模型，包括控制系統(tǒng)的大部分類型。對同一類型控制系統(tǒng)，可以采用不同的模塊來搭建完成，可以擴展學生的思路和提高學生的學習興趣。該軟件可以加快控制系統(tǒng)開發(fā)的速度，節(jié)約開發(fā)成本，提高開發(fā)效率。

（2）硬件投入少，經濟優(yōu)勢明顯。MATLAB所提供的13類基本模塊庫，可以直接用于系統(tǒng)電路的搭建，同時該軟件所提供的儀表功能模塊，都是可靠和經濟的。如果在高職控制系統(tǒng)教學中投入這樣的真實的儀器儀表，僅儀表的維護來講，其工作量也是比較大的。因此采用軟件的方式進行教學，硬件功能軟件化，可以節(jié)省大量的實訓投入，其經濟優(yōu)勢是相當明顯的。

（3）接近實際控制系統(tǒng)，提高解決實際工程問題的能力。采用MATLAB仿真軟件后，實際工程問題的研究，可以先在軟件環(huán)境中模擬仿真，再進行硬件的投入，這樣的處理，不僅省時省力，也可以節(jié)省因方案不正確所造成的硬件投入的浪費。最后將仿真調試成功的控制系統(tǒng)電路移植到一個具體的系統(tǒng)電路中進行實際測試。將仿真軟件和具體的工程有機如合起來，有利于學生對實際工程的了解和學習。

（4）教學過程安全，模擬儀器多、損耗小。采用MATLAB仿真軟件進行的控制系統(tǒng)教學，可以將大量教學信息直接地表現出來，節(jié)約大量昂貴的實驗儀器所帶來的費用，調動學生的學習積極性和主動性，為控制系統(tǒng)的教學設計帶來了很大的靈活性，打破了空間和時間的限制，避免真實操作所帶來的各種危險，則不存在因操作不當而造成的儀器儀表的損毀， 也涉及到儀器儀表等工作時所造成的能源消耗的問題。

（5）采用多媒體教學，豐富了教學的手段。在教學上虛擬實驗采用多媒體教學，通過多媒體教學實現教師對學生同步演示控制電路圖并講解其原理，學生可以根據電路原理圖在虛擬實驗系統(tǒng)提供的功能模塊庫中找到相應的虛擬元件。仿真結果可以保存起來，自動生成實驗報告，極大的豐富了教學內容和教學手段。

4 控制系統(tǒng)的仿真舉例

一個具體的控制系統(tǒng)，我們一本研究這個系統(tǒng)的穩(wěn)定性、準確性和快速性及控制系統(tǒng)的動穩(wěn)態(tài)性能。下面將通過一個具體的工程實例來研究控制系統(tǒng)的仿真。圖1為晶閘管-直流電動機轉速負反饋調速系統(tǒng)的Simulink動態(tài)結構圖。

4.1 求出系統(tǒng)的傳遞函數

4.2 求系統(tǒng)的穩(wěn)定性

可以通過求系統(tǒng)特征方程的根來判斷系統(tǒng)的穩(wěn)定性，系統(tǒng)穩(wěn)定的充分必要條件是全部為負值，都位于s的左半平面。

4.3 求系統(tǒng)的頻域性能指標、Bode圖和單位階躍響應

4.4 基于MATLAB的根軌跡設計

在MATLAB控制系統(tǒng)根軌跡分析與設計給工具，可以分析根軌跡，也可以對系統(tǒng)設計。根軌跡可用于研究當改變參數時對系統(tǒng)根軌跡的影響，從而很好地解決高階系統(tǒng)控制過程性能的分析與計算。運行rltool（sys）命令就可以打開根軌跡分析器。圖3是傳遞函數sys在根軌跡分析器中的根軌跡和nichols曲線。

5 小結

通過以上研究可以看得，MATLAN應用于高職控制系統(tǒng)的教學，不僅豐富了教學手段，節(jié)約教學成本，更主要的是加強了學生對實際系統(tǒng)的認識，由于篇幅的限制，MATLAB在控制系統(tǒng)教學中的作用不能詳述，本文只是列舉了一些簡單的例子，目的在于認識MATLAB在高職控制系統(tǒng)教學中的優(yōu)勢。MATLAB更大的優(yōu)勢在于它還可以進行二次開發(fā)，研究更加復雜的系統(tǒng)。

參考文獻

[1]孔凡才.自動控制原理與系統(tǒng)[M].北京：機械工業(yè)出版社.2007，2.

[2]控制系統(tǒng)MATLAB計算及仿真[M].北京：國防工業(yè)出版社.2004，9.endprint

摘要：本文主要介紹了MATLAB在高職控制系統(tǒng)課程教學中的特點及應用，使讀者建立系統(tǒng)仿真與MATLAB仿真的初步概念。通過實例說明MATLAB應用于高職控制系統(tǒng)課程教學取得的效果，MATLAB為控制系統(tǒng)的分析、計算、研究、綜合設計以及自控系統(tǒng)的計算機輔助教學提供了快速、經濟、科學有效的手段。

關鍵詞：控制系統(tǒng) MATLAB 輔助教學

中圖分類號：TP311.1 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2014）08-0227-02

1 引言

控制系統(tǒng)是高職控制類專業(yè)的專業(yè)課，傳統(tǒng)的教學方法對系統(tǒng)的分析顯得很深奧，學生理解起來顯得很能，因此很有必要尋求一種新的辦法來解決存在的問題?？刂葡到y(tǒng)的計算機仿真是一門涉及控制理論、計算數學與計算機技術的綜合性學科，是在20世紀70年代初期發(fā)展起來的一門學科。人們將MATLAB計算機仿真應用于教學，取得了顯著的成果，它包括控制系統(tǒng)的分析，綜合，設計、校驗等多方面的應用。本文基于上述思想，主要介紹了如何將MATLAB仿真軟件應用于控制系統(tǒng)的教學。

2 MATLAB 在控制系統(tǒng)中的仿真過程

所謂的仿真，就是以系統(tǒng)數學模型為基礎，以計算機為工具對系統(tǒng)進行試驗研究的一種辦法。通常，控制系統(tǒng)的仿真包含以下幾個步驟：

（1）建立控制系統(tǒng)的數學模型。系統(tǒng)的數學模型，是描述系統(tǒng)輸入、輸出變量以及內部各變量之間關系的數學表達式。根據系統(tǒng)的實際結構與系統(tǒng)各變量之間所遵循的物理、化學等規(guī)律，寫出變量間的數學表達式以建立數學模型。通用的數學模型有微分方程和傳遞函數。

（2）建立控制系統(tǒng)的仿真模型。原來建立的數學模型不能直接用于系統(tǒng)的仿真，需要轉換為能夠對系統(tǒng)進行仿真的模型。以傳遞函數為基礎，等效轉換為狀態(tài)空間模型，或將其轉化為動態(tài)結構圖模型，便可以得到控制系統(tǒng)的仿真模型。

（3）編寫控制系統(tǒng)的仿真程序。使用MATLAB的Toolbox工具箱及Simulink仿真工具，對于非實時系統(tǒng)，可以應用高級語言，對于實時系統(tǒng)的仿真，往往用匯編語言來編寫。

（4）仿真并得到仿真結果。通過實際的仿真對原有的仿真結果和仿真模型進行驗證，我們可以得到防震防結果。根據結果來說明系統(tǒng)的性能指標和動穩(wěn)態(tài)特性。

3 MATLAB軟件仿真的優(yōu)勢

MATLAB仿真軟件應用于高職控制系統(tǒng)教學，有著非常明顯的優(yōu)勢，涉及到的仿真模型很全、仿真內容全面、硬件投入少、實驗過程安全可靠、損耗小、與工程實踐最為接近等突出優(yōu)點。

（1）仿真模型豐富，內容全面。MATLAB軟件提供了豐富的仿真模型，包括控制系統(tǒng)的大部分類型。對同一類型控制系統(tǒng)，可以采用不同的模塊來搭建完成，可以擴展學生的思路和提高學生的學習興趣。該軟件可以加快控制系統(tǒng)開發(fā)的速度，節(jié)約開發(fā)成本，提高開發(fā)效率。

（2）硬件投入少，經濟優(yōu)勢明顯。MATLAB所提供的13類基本模塊庫，可以直接用于系統(tǒng)電路的搭建，同時該軟件所提供的儀表功能模塊，都是可靠和經濟的。如果在高職控制系統(tǒng)教學中投入這樣的真實的儀器儀表，僅儀表的維護來講，其工作量也是比較大的。因此采用軟件的方式進行教學，硬件功能軟件化，可以節(jié)省大量的實訓投入，其經濟優(yōu)勢是相當明顯的。

（3）接近實際控制系統(tǒng)，提高解決實際工程問題的能力。采用MATLAB仿真軟件后，實際工程問題的研究，可以先在軟件環(huán)境中模擬仿真，再進行硬件的投入，這樣的處理，不僅省時省力，也可以節(jié)省因方案不正確所造成的硬件投入的浪費。最后將仿真調試成功的控制系統(tǒng)電路移植到一個具體的系統(tǒng)電路中進行實際測試。將仿真軟件和具體的工程有機如合起來，有利于學生對實際工程的了解和學習。

（4）教學過程安全，模擬儀器多、損耗小。采用MATLAB仿真軟件進行的控制系統(tǒng)教學，可以將大量教學信息直接地表現出來，節(jié)約大量昂貴的實驗儀器所帶來的費用，調動學生的學習積極性和主動性，為控制系統(tǒng)的教學設計帶來了很大的靈活性，打破了空間和時間的限制，避免真實操作所帶來的各種危險，則不存在因操作不當而造成的儀器儀表的損毀， 也涉及到儀器儀表等工作時所造成的能源消耗的問題。

（5）采用多媒體教學，豐富了教學的手段。在教學上虛擬實驗采用多媒體教學，通過多媒體教學實現教師對學生同步演示控制電路圖并講解其原理，學生可以根據電路原理圖在虛擬實驗系統(tǒng)提供的功能模塊庫中找到相應的虛擬元件。仿真結果可以保存起來，自動生成實驗報告，極大的豐富了教學內容和教學手段。

4 控制系統(tǒng)的仿真舉例

一個具體的控制系統(tǒng)，我們一本研究這個系統(tǒng)的穩(wěn)定性、準確性和快速性及控制系統(tǒng)的動穩(wěn)態(tài)性能。下面將通過一個具體的工程實例來研究控制系統(tǒng)的仿真。圖1為晶閘管-直流電動機轉速負反饋調速系統(tǒng)的Simulink動態(tài)結構圖。

4.1 求出系統(tǒng)的傳遞函數

4.2 求系統(tǒng)的穩(wěn)定性

可以通過求系統(tǒng)特征方程的根來判斷系統(tǒng)的穩(wěn)定性，系統(tǒng)穩(wěn)定的充分必要條件是全部為負值，都位于s的左半平面。

4.3 求系統(tǒng)的頻域性能指標、Bode圖和單位階躍響應

4.4 基于MATLAB的根軌跡設計

在MATLAB控制系統(tǒng)根軌跡分析與設計給工具，可以分析根軌跡，也可以對系統(tǒng)設計。根軌跡可用于研究當改變參數時對系統(tǒng)根軌跡的影響，從而很好地解決高階系統(tǒng)控制過程性能的分析與計算。運行rltool（sys）命令就可以打開根軌跡分析器。圖3是傳遞函數sys在根軌跡分析器中的根軌跡和nichols曲線。

5 小結

通過以上研究可以看得，MATLAN應用于高職控制系統(tǒng)的教學，不僅豐富了教學手段，節(jié)約教學成本，更主要的是加強了學生對實際系統(tǒng)的認識，由于篇幅的限制，MATLAB在控制系統(tǒng)教學中的作用不能詳述，本文只是列舉了一些簡單的例子，目的在于認識MATLAB在高職控制系統(tǒng)教學中的優(yōu)勢。MATLAB更大的優(yōu)勢在于它還可以進行二次開發(fā)，研究更加復雜的系統(tǒng)。

參考文獻

[1]孔凡才.自動控制原理與系統(tǒng)[M].北京：機械工業(yè)出版社.2007，2.

[2]控制系統(tǒng)MATLAB計算及仿真[M].北京：國防工業(yè)出版社.2004，9.endprint