MATLAB/SIMULINK在課堂教學(xué)中的應(yīng)用探究

陳超洋,周少武,歐青立,鐘斌,盧明

(湖南科技大學(xué) 信息與電氣工程學(xué)院，湖南 湘潭 411201)

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MATLAB/SIMULINK在課堂教學(xué)中的應(yīng)用探究

陳超洋,周少武,歐青立,鐘斌,盧明

(湖南科技大學(xué) 信息與電氣工程學(xué)院，湖南 湘潭 411201)

在實踐課堂教學(xué)應(yīng)用MATLAB輔助教學(xué)是目前實踐課程教學(xué)的重要分支，以MATLAB軟件在自動控制原理課堂教學(xué)中的應(yīng)用為例，首先簡單闡述了自動控制原理課程特點、現(xiàn)狀和MATLAB軟件在教學(xué)中的優(yōu)勢及必要性，然后對MATLAB編程和SIMULINK仿真各自的特點進(jìn)一步進(jìn)行了闡述，最后分別通過MATLAB編程和SIMULINK對課堂教學(xué)中的應(yīng)用實例進(jìn)行了仿真。通過實例，能看出MATLAB比傳統(tǒng)理論教學(xué)更為直觀，更易于理解、比實踐教學(xué)操作更簡單、實驗成本更便宜、可重復(fù)性更強。

MATLAB仿真；SIMULINK仿真；自動控制原理；課堂教學(xué)

自動控制是指在沒有人直接參與的情況下，利用外加的設(shè)備或裝置，使機器、設(shè)備或生產(chǎn)過程的某個工作狀態(tài)或參數(shù)自動地按照預(yù)定的規(guī)律運行。自動控制原理這門課程涉及到控制系統(tǒng)的模型建立、系統(tǒng)分析、系統(tǒng)設(shè)計的基本理論和相關(guān)技術(shù)，是自動化專業(yè)及其他相關(guān)工科專業(yè)的基礎(chǔ)課程，然而自動控制原理課程的很多概念抽象, 并且數(shù)學(xué)表達(dá)及計算含量大而繁雜，這使得學(xué)生在學(xué)習(xí)和理解的過程中出現(xiàn)了許多的困惑。MATLAB仿真是理論聯(lián)系實際的重要紐帶，目前也引起了國內(nèi)處許多教學(xué)工作一線的老師們的關(guān)注[1-6]。在教學(xué)過程中穿插部分MATLAB仿真或進(jìn)行部分的自動控制原理實驗教學(xué)，一方面提高了學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，另一方面能使學(xué)生更為深入地理解這門課的一些基本原理。

1　MATLAB/SIMULINK功能及特點簡要介紹

MATLAB是一種集數(shù)值計算、圖形可視化和符號計算三大基本功能于一體的功能強大、操作簡單的工程計算應(yīng)用軟件，不同于傳統(tǒng)的實物實驗，MATLAB仿真實驗有著省時、省力、節(jié)約等特點，是實驗課的重要組成部分，在工程實例仿真和數(shù)值演算等方面都有著出色的表現(xiàn)及應(yīng)用[1][5]。SIMULINK是MATLAB最重要的組件之一，是一種可視化仿真工具，它提供一個動態(tài)系統(tǒng)建模、仿真和綜合分析的集成環(huán)境，有著更為直觀和易于理解的特點，SIMULINK給合MATLAB編程給課堂教學(xué)帶來了一個全新視角，能為高效地提高教學(xué)質(zhì)量、為教學(xué)提供強有力的支撐，既鍛煉了學(xué)生的動手能力和創(chuàng)新思維，也能為學(xué)生將來從事科研及工程實踐打下堅實的基礎(chǔ)，更好地滿足社會對于新型人才的要求。

SIMULINK廣泛應(yīng)用于各類線性系統(tǒng)、非線性系統(tǒng)、數(shù)字控制及數(shù)字信號處理的建模和仿真中。SIMULINK既可用連續(xù)采樣時間、離散采樣時間或兩者相混合的采樣時間進(jìn)行建模，也支持多速率系統(tǒng)，即可以在系統(tǒng)中的不同部分采用不同的采樣速率[4]。它提供了一種更快捷、直接明了的方式，而且用戶可以立即看到系統(tǒng)的仿真結(jié)果。

2　MATLAB仿真在自動控制原理課堂教學(xué)中的應(yīng)用實例

本節(jié)以MATLAB在連續(xù)系統(tǒng)的單位階躍響應(yīng)中的應(yīng)用為例，來展現(xiàn)其在課堂教學(xué)中的應(yīng)用。

對于單位階躍響應(yīng)而言，我們可以調(diào)用MATLAB里現(xiàn)成的函數(shù)來實現(xiàn)其功能，即應(yīng)用step( ) 函數(shù)，其調(diào)用格式如下：

[y,x,t]=step(num,den,t)，或[y,x,t]=step(G)。(基于傳統(tǒng)函數(shù)形式的函數(shù)調(diào)用格式)

[y,x,t]=step(A,B,C,D,iu,t)。 (基于狀態(tài)空間形式的函數(shù)調(diào)用格式)

如果只想繪制出系統(tǒng)的階躍響應(yīng)曲線，則可以由如下的格式調(diào)用此函數(shù)：

step(num,den,t) 或step(G);(基于傳統(tǒng)函數(shù)形式的函數(shù)調(diào)用格式)

step(A,B,C,D,iu,t)。(基于狀態(tài)空間形式的函數(shù)調(diào)用格式)

下面將基于傳統(tǒng)函數(shù)形式的函數(shù)調(diào)用格式進(jìn)行實例仿真，基于狀態(tài)空間形式的函數(shù)調(diào)用格式可依此類推，將不再進(jìn)行此法的實例仿真。

例1試畫出下面系統(tǒng)的階躍響應(yīng)曲線

程序如下：

%輸入系統(tǒng)傳遞函數(shù)

num= [1,1];

den=conv([1,0.4,8],[1,2,5,7]);

%繪制系統(tǒng)的階躍響應(yīng)曲線

t=0:0.1:30;

y=step(num,den,t);

t1=0:1:30;

y1=step(num,den,t1);

plot(t,y,'r',t1,y1)

title(' Step Response of G_1 (s) ');

基于上面的程序，我們得出如圖1所示仿真結(jié)果。

圖1　階躍響應(yīng)曲線

例2試畫出下面系統(tǒng)的階躍響應(yīng)曲線，其中C分另取1，50，150，500，

2.1基于MATLAB編程

程序如下：

c=1; %當(dāng)c=1時, 其它情況相類似

G2=tf([0.1,1],[1, 14,14,c]);

step(G2);

grid on;

title(' Step Response of G_2(s) (c=1)');

其他情況相類似，這里就不一一列舉，仿真后可得到如圖2所示仿真結(jié)果。由下面的仿真結(jié)果，可使學(xué)生了解到當(dāng)參數(shù)變化時，系統(tǒng)所呈現(xiàn)的動態(tài)特性將發(fā)生變化，這有利于學(xué)生加深對于書本理論知識的理解。

圖2　參數(shù)c取不同值時系統(tǒng)的階躍響應(yīng)曲線

2.2基于SIMULINK仿真

通過圖3中的Scope模塊，可得到基于MATLAB編程同樣的結(jié)果。從這兩種不同的仿真方式可看出兩種仿真方式各有其特點，maltlab編程方式簡單且交互性強、SIMULINK仿真方式更為直觀。當(dāng)然，兩者可相互結(jié)合兼顧兩者之優(yōu)點，比如SIMULINK仿真中的m函數(shù)、s文件函數(shù)等可利用MATLAB編程相應(yīng)的程序文件。

圖3　系統(tǒng)G2的SIMULINK仿真框架圖

3　結(jié)語

由上面的應(yīng)用實例可看出，MATLAB比傳統(tǒng)理論教學(xué)更為直觀、更易于理解，比實踐教學(xué)操作更簡單、實驗成本更便宜、可重復(fù)性更強，能快速、直觀、準(zhǔn)確地給出自動控制原理課堂教學(xué)需要展示的圖形變化及仿真需求，能更形象地給學(xué)生講解各種參數(shù)變化帶來的不同影響，這既鍛煉了學(xué)生的動手能力、創(chuàng)新能力，也極大地提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性。

[1] 洪乃剛.電力電子和電力拖動控制系統(tǒng)的MATLAB仿真[M].北京：機械工業(yè)出版社,2006.

[2] 周少武,陳敏,沈紅遠(yuǎn),等.MATLAB在計算機控制技術(shù)課程“PID控制器參數(shù)整定”中的應(yīng)用[J].系統(tǒng)實踐,2010(10):38-40.

[3] 邵佳,董辰輝.MATLAB/SIMULINK通信系統(tǒng)建模與仿真實例精講[M].北京：電子工業(yè)出版社,2009.

[4] 劉桂英,粟時平.“電力電子技術(shù)”的MATLAB/SIMULINK教學(xué)仿真實踐[J].電氣電子教學(xué)學(xué)報,2011(1):87-89.

[5] 張興永.MATLAB軟件與數(shù)學(xué)實驗[M].徐州:中國礦業(yè)大學(xué)出版社,2007.

[6] 劉芳園,司軼芳.MATLAB在自動控制原理課程中的應(yīng)用[J].職業(yè)技術(shù)研究,2010(22):185.

(責(zé)任校對王小飛)

10.13582/j.cnki.1674-5884.2016.10.001

20160605

2016年湖南省教育廳教學(xué)改革研究項目“基于體驗式教學(xué)的自動化專業(yè)實踐教學(xué)”；湖南科技大學(xué)瀟湘學(xué)院2015年教學(xué)研究與改革一般項目(G31552); 湖南省普通高等學(xué)校教學(xué)改革研究項目”(湘教通[2015]291號，序號254)； 國家自然科學(xué)基金項目(61503133)；湖南科技大學(xué)博士啟動基金(E51538)；湖南省教育廳科研一般項目(15C0548)

陳超洋(1984-)，男，湖南湘潭人，講師，博士，主要從事非線性系統(tǒng)穩(wěn)定性及性能研究。

G642.1

A

1674-5884(2016)10-0085-04