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

鐘漢生

摘 要： 《控制工程基礎(chǔ)》課程的特點是知識點涉及廣泛，需要學(xué)生有較強的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)，理論性強，繪圖復(fù)雜，為了解決這個不足，引入MATLAB仿真融入教學(xué)中，結(jié)合MATLAB的GUI課件和Simulink仿真平臺，最大限度地優(yōu)化課程結(jié)構(gòu)，強化教學(xué)效果和學(xué)生學(xué)習(xí)效果。

關(guān)鍵詞： 《控制工程基礎(chǔ)》 MATLAB仿真 應(yīng)用方法

1.引言

《控制工程基礎(chǔ)》是機械制造及其自動化、機械電子技術(shù)等專業(yè)的一門重要的專業(yè)基礎(chǔ)課程，課程內(nèi)容包括控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型、系統(tǒng)時域分析方法、系統(tǒng)頻域分析方法、系統(tǒng)穩(wěn)定性分析及控制系統(tǒng)的校正等。課程內(nèi)容理論性較強、計算復(fù)雜，既包括很多數(shù)學(xué)公式的推導(dǎo)、驗算，又包括很多復(fù)雜的方框圖和伯德圖等圖表繪制。如果采用傳統(tǒng)的課堂填鴨式教學(xué)，則一方面對教師來說上課壓力比較大，需要利用有限的時間完成很多重復(fù)機械的勞動，另一方面學(xué)生學(xué)習(xí)效果還不佳，學(xué)習(xí)興趣逐步下降。

另外，實驗對于《控制工程基礎(chǔ)》課程來說必不可少，傳統(tǒng)的實驗一般在自動控制實驗箱上完成。這對于機械制造及其自動化、機械電子技術(shù)等專業(yè)學(xué)生來說，前期的電路方面知識可能相對缺乏，很多學(xué)生只能按照實驗指導(dǎo)書機械地進行連線調(diào)試，然后通過示波器記錄系統(tǒng)的響應(yīng)曲線。這樣的學(xué)習(xí)方式對于自動化專業(yè)來說可能比較合適，但是對于機械類學(xué)生來說弊大于利。

為了解決以上問題，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性和學(xué)習(xí)質(zhì)量，課程組開展了《控制工程基礎(chǔ)》的教學(xué)改革，其一是將MATLAB軟件引入課程，并結(jié)合MATLAB平臺設(shè)計部分課件，從而節(jié)省很多計算、繪圖等時間以便更好地組織教學(xué)；其二是將原有的基于自動控制實驗箱的實驗改成基于MATLAB仿真的實驗。

2.MATLAB的引入

MATLAB是美國MathWorks公司出品的商業(yè)數(shù)學(xué)軟件，用于算法開發(fā)、數(shù)據(jù)可視化、數(shù)據(jù)分析及數(shù)值計算的高級技術(shù)計算語言和交互式環(huán)境，主要包括MATLAB和Simulink兩大部分。不管是在教學(xué)中還是在科研中，MATLAB都已經(jīng)成為一種非常普遍而且有用的工具。目前，國內(nèi)外很多高校都將MATLAB課程作為工科學(xué)生的一門必修課程，同時學(xué)校機房、實驗室等基本配備了MATLAB軟件以備學(xué)生使用。學(xué)生可以在MATLAB軟件上完成自己的復(fù)雜數(shù)學(xué)運算，建立數(shù)學(xué)模型，進行仿真調(diào)試，等等，這些都在不同方面給予了學(xué)習(xí)者很大的方便。

在《控制工程基礎(chǔ)》課程中，會涉及原理方框圖繪制復(fù)雜，運用傳統(tǒng)的教學(xué)方式無法使學(xué)生輕易學(xué)懂等問題，所以要將MATLAB軟件平臺有效融入教學(xué)活動中。在課堂上教師可以適時運用MATLAB軟件進行輔助教學(xué)，學(xué)生也可以利用MATLAB軟件平臺完成部分作業(yè)或者進行結(jié)果的驗算等。例如：利用MATLAB軟件求解系統(tǒng)響應(yīng)，可以快速繪制得到系統(tǒng)的時域、系統(tǒng)零極點分布、頻域伯德響應(yīng)曲線等。除此之外，對于實際工程項目，還可以借助Simulink這個非常實用的仿真平臺進行建模及仿真。

3.理論課程的改革

3.1GUI課件的使用

課程中會涉及很多繪圖，比如單位階躍響應(yīng)輸出曲線、單位脈沖響應(yīng)輸出曲線、伯德圖的繪制，等等，如果教師在課堂上現(xiàn)場繪制，則會占用很多課堂時間。而采用MATLAB軟件后就簡單多了，為此，利用MATLAB軟件的GUL功能，將這些需要繪圖的知識點集中到一個GUI窗口中。這樣，教師上課時候可以根據(jù)實際需要直接輸入控制系統(tǒng)的傳遞函數(shù)，并選擇相應(yīng)的分析選項即可得到相應(yīng)的輸出圖形。

如圖所示傳遞函數(shù)為G（s）=■的伯德圖繪制，只需要輸入傳遞函數(shù)的分子多項式和分母多項式的系數(shù)就可以選擇該傳遞函數(shù)的伯德圖。

圖1 GUI仿真課件伯德圖仿真圖

3.2控制系統(tǒng)的校正環(huán)節(jié)

在控制系統(tǒng)的校正方法中，主要講授基于伯德圖的串聯(lián)校正方法。串聯(lián)校正方法包括超前校正、滯后校正、滯后——超前校正等，而這些方法其本質(zhì)就是實際工程中最常用的PID控制器。為此，這部分知識主要圍繞PID控制器展開，并利用MATLAB的Simulink仿真平臺，搭建系統(tǒng)PID控制仿真模型。

如圖2所示為某控制系統(tǒng)的PID控制仿真結(jié)構(gòu)圖，為了便于仿真時調(diào)整參數(shù)，將該部分做成了MATLAB的精簡系統(tǒng)，這樣就能夠很方便地更改PID參數(shù)。

圖2 傳統(tǒng)PID控制仿真圖

4.基于MATLAB的實驗設(shè)計

根據(jù)機械設(shè)計制造及其自動化專業(yè)的培養(yǎng)目標(biāo)要求，調(diào)整了實驗要求，重新設(shè)置了經(jīng)典控制理論的5個實驗，它們分別為典型環(huán)節(jié)的階躍響應(yīng)分析、二階系統(tǒng)的時域仿真和穩(wěn)定性分析、系統(tǒng)的頻域仿真和穩(wěn)定性分析、典型控制系統(tǒng)建模及仿真、系統(tǒng)PID控制器設(shè)計及仿真。這些實驗要求學(xué)生掌握基于MATLAB/Simulink的控制系統(tǒng)分析和設(shè)計的基本方法，編寫M程序或畫Simulink仿真圖，以及完成教材后的部分MATLAB習(xí)題。

實驗可充分發(fā)揮學(xué)生的主動性和創(chuàng)新性，要求學(xué)生獨立完成非線性對象的建模，控制方案設(shè)計，控制程序的編寫、調(diào)試、系統(tǒng)的軟硬件聯(lián)調(diào)等工作。通過本層次的實驗，提高學(xué)生將所學(xué)控制理論知識用于解決實際問題的能力，為今后進行實際系統(tǒng)的過程控制打下良好的基礎(chǔ)。

5.結(jié)語

將MATLAB軟件融入《控制工程基礎(chǔ)》課程的理論教學(xué)和實踐教學(xué)中，不僅改善了傳統(tǒng)教學(xué)中存在的理論性強、計算復(fù)雜及繪圖工作量大的缺點，而且有效提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性。同時使得學(xué)生對控制系統(tǒng)的時域分析和頻域分析更加直觀化，更容易理解。將傳統(tǒng)的自動控制實驗箱為主的實驗改成以MATLAB平臺為主的實驗，符合機械專業(yè)的學(xué)情，增強了學(xué)生的動手能力和對實際工程的分析能力，為后期的畢業(yè)設(shè)計等課程打下了良好的基礎(chǔ)。

參考文獻：

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