MATLAB仿真在《自動(dòng)控制原理》課程教學(xué)中的應(yīng)用

孫　萍

(吉林建筑大學(xué)電氣與電子信息工程學(xué)院,長(zhǎng)春　130118)

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MATLAB仿真在《自動(dòng)控制原理》課程教學(xué)中的應(yīng)用

孫萍

(吉林建筑大學(xué)電氣與電子信息工程學(xué)院,長(zhǎng)春130118)

摘要：《自動(dòng)控制原理》是工科院校電氣專業(yè)的技術(shù)基礎(chǔ)課,其理論性和實(shí)踐性極強(qiáng).為提高教學(xué)效果、培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和自主性,在講授自動(dòng)控制原理課中,嘗試引入MATLAB計(jì)算機(jī)仿真技術(shù).實(shí)踐證明,學(xué)生能夠很快地學(xué)會(huì)借助計(jì)算機(jī)來(lái)分析和設(shè)計(jì)控制系統(tǒng),這不僅提高課堂的教學(xué)效果,也增加了學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情,教學(xué)效果較好.

關(guān)鍵詞：自動(dòng)控制原理；教學(xué)；MATLAB；應(yīng)用

近年來(lái),隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展,自動(dòng)控制領(lǐng)域的知識(shí)結(jié)構(gòu)和技術(shù)手段也隨之不斷進(jìn)步.在相關(guān)課程的教學(xué)中,教學(xué)方法改革勢(shì)在必行.將MATLAB軟件引入自動(dòng)控制原理課程的教學(xué),使學(xué)生學(xué)會(huì)掌握使用計(jì)算機(jī)來(lái)分析和設(shè)計(jì)控制系統(tǒng),將傳統(tǒng)教學(xué)模式與現(xiàn)代教學(xué)手段要相互配合,通過(guò)仿真來(lái)驗(yàn)證所學(xué)過(guò)的理論知識(shí),也可以方便快捷地設(shè)計(jì)出符合要求的自動(dòng)控制系統(tǒng).這不僅提高課堂教學(xué)效果,也激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情.

1“自動(dòng)控制原理”課程特點(diǎn)

自動(dòng)控制原理是建筑電氣與智能化專業(yè)的重要專業(yè)基礎(chǔ)課,也是許多工科專業(yè)的主要專業(yè)基礎(chǔ)課程.該課程全面闡述自動(dòng)控制的基本理論及對(duì)自動(dòng)控制系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)方法,理論嚴(yán)緊,內(nèi)容抽象,計(jì)算性強(qiáng),作圖畫法多,學(xué)生不易理解和掌握.它不僅要有扎實(shí)的高等數(shù)學(xué)、工程數(shù)學(xué)、電路、電技術(shù)子、電機(jī)與拖動(dòng)等課程的基本知識(shí),而且還要有很強(qiáng)的運(yùn)算能力.鑒于此,筆者嘗試將MATLAB軟件引入課堂教學(xué),使學(xué)生掌握應(yīng)用MATLAB對(duì)系統(tǒng)分析和設(shè)計(jì)的基本方法,對(duì)于培養(yǎng)學(xué)生的辯證思維能力和創(chuàng)新能力,提高綜合分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力方面都具有重要的意義.這樣不僅可以簡(jiǎn)化教學(xué),也可以充分利用計(jì)算機(jī)的表現(xiàn)能力,把抽象的問(wèn)題具體化[1].

2MATLAB仿真軟件特點(diǎn)

MATLAB計(jì)算軟件語(yǔ)言簡(jiǎn)潔緊湊,使用方便靈活,集數(shù)值運(yùn)算、動(dòng)態(tài)仿真及圖形處理于一體,其編程相對(duì)簡(jiǎn)單易學(xué).將MATLAB與自動(dòng)控制原理多媒體課件有機(jī)結(jié)合,把教學(xué)內(nèi)容圖形化,使課堂教學(xué)更為生動(dòng)、形象、直觀,可加深學(xué)生對(duì)抽象理論知識(shí)的理解,還可以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣,并可以使學(xué)生獲得一定的工程實(shí)踐知識(shí),提高學(xué)生分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力.

(1) 方便快捷.學(xué)生可以方便地利用SIMULINK軟件構(gòu)造出系統(tǒng)仿真模型來(lái)驗(yàn)證書本上的知識(shí),加深理解；

(2) 激發(fā)學(xué)生求知欲望.學(xué)生借助于SIMULINK軟件,設(shè)計(jì)并驗(yàn)證系統(tǒng)的性能.在計(jì)算機(jī)上反復(fù)修改系統(tǒng)設(shè)計(jì),使性能滿足要求；

(3) 圖解結(jié)果直觀.利用MATLAB軟件來(lái)處理自動(dòng)控制原理課程中的時(shí)域分析、根軌跡繪制、頻域分析等三種分析和設(shè)計(jì)系統(tǒng)的方法,結(jié)合實(shí)例教學(xué)可以幫助學(xué)生對(duì)抽象理論的理解,還有效地提高課堂效率,效果較好[2].

3MATLAB應(yīng)用于自動(dòng)控制原理課程教學(xué)舉例

3.1　利用MATLAB判定線性系統(tǒng)穩(wěn)定性

設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)時(shí)應(yīng)滿足多種性能指標(biāo),但首要的技術(shù)指標(biāo)是系統(tǒng)在全部時(shí)間內(nèi)必須穩(wěn)定.一般說(shuō)來(lái),穩(wěn)定性成為區(qū)分系統(tǒng)是否有用的標(biāo)志.從實(shí)際應(yīng)用的角度來(lái)看,可以認(rèn)為只有穩(wěn)定的系統(tǒng)才有用.線性系統(tǒng)穩(wěn)定與否完全取決于其特征方程的特征根,如果特征方程的根全部都是負(fù)實(shí)數(shù)或?qū)嵅繛樨?fù)的復(fù)數(shù),則系統(tǒng)是穩(wěn)定的.如果特征方程的各根中即使只有一個(gè)根是正實(shí)數(shù)或只有一對(duì)根是實(shí)部為正的復(fù)數(shù),則系統(tǒng)是不穩(wěn)定的.應(yīng)用MATLAB可以不用求解特征方程,即可很方便判定系統(tǒng)的穩(wěn)定性[3].

圖1 系統(tǒng)穩(wěn)定性判定

3.2　利用MATLAB繪制系統(tǒng)的根軌跡

根據(jù)系統(tǒng)的根軌跡圖,不僅可以清楚地知道閉環(huán)極點(diǎn)在根平面上的分布,同時(shí)可以知道系統(tǒng)的性能.不管多么復(fù)雜的系統(tǒng),只用簡(jiǎn)單幾句的MATLAB語(yǔ)言即可得到統(tǒng)的根軌跡圖,進(jìn)而可以分析系統(tǒng)的性能.

圖2 根軌跡

3.3　利用MATLAB繪制系統(tǒng)開環(huán)頻率特性

由定義,在Bode圖上表示相位裕量和幅值裕量,作為設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)的頻域性能指標(biāo).一般控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)采用如下裕量范圍比較合適:相位裕量在30°～60°之間,幅值裕量大于6dB.

圖3 頻域

4結(jié)語(yǔ)

由上可知,計(jì)算機(jī)仿真MATLAB軟件提供了一個(gè)強(qiáng)大的工具和工作平臺(tái),能夠快速方便地設(shè)計(jì)并構(gòu)造出各種控制系統(tǒng).自動(dòng)控制原理課也應(yīng)該與時(shí)俱進(jìn),不斷進(jìn)行調(diào)整和充實(shí),加強(qiáng)系統(tǒng)仿真教學(xué),對(duì)培養(yǎng)學(xué)生使用計(jì)算機(jī)進(jìn)行控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的能力和提高學(xué)生競(jìng)爭(zhēng)力具有重要意義.

參考文獻(xiàn)

[1] 張曉紅.MATLAB仿真應(yīng)用于自動(dòng)化專業(yè)教學(xué)的實(shí)踐與思考[J].中國(guó)電力教育,2008(2):44-45.

[2] 金亞玲,郭鑫,劉義杰.MATLAB仿真在《自動(dòng)控制原理》教學(xué)中的應(yīng)用[J].企業(yè)導(dǎo)報(bào),2011(16):35-46.

[3] 徐曉,羅劍.自動(dòng)控制課堂教學(xué)模式的改革與探索[J].湖南科技學(xué)院學(xué)報(bào),2011(8):72-73.

MATLAB Course Teaching Simulation in “Automatic Control Theory”

SUN Ping

(CollegeofElectricalandElectronicInformationEngineering,JilinJianzhuUniversity,Changchun,China130118)

Abstract：“Automatic control principle” is the basic course of technology majoring in electrical professional,its theory and practice is very strong,in order to improve the teaching effect,cultivate interest in learning and initiative of the students,in the teaching of automatic control theory course,try to introduce computer simulation technology of MATLAB.Practice has proved,students can learn quickly using the computer to the analysis and design of the control system,which not only improve the effect of classroom teaching,but alsoincrease the enthusiasm of students,the teaching effect is good.

Keywords:automatic control principle；teaching；MATLAB；application

中圖分類號(hào)：TP 311

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：2095-8919(2015)02-0105-03

作者簡(jiǎn)介：孫萍(1965～),女,吉林省長(zhǎng)春市人,教授.

收稿日期：2014-09-10.