MATLAB睸imulink在《計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)》そ萄е械撓τ醚芯

劉淑榮 龐偉

摘要：依據(jù)《計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)》課程的特點(diǎn)及性質(zhì)，探討MATLABSimulink仿真軟件在《計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)》教學(xué)中的應(yīng)用，并給出仿真實(shí)例。通過示例展示了應(yīng)用MATLABSimulink仿真軟件進(jìn)行計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)既可以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，又能提高課堂教學(xué)質(zhì)量，提高學(xué)生分析和解決實(shí)際問題的能力。

關(guān)鍵詞：MATLABSimulink;計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng);仿真實(shí)例

一、 引言

隨著工業(yè)生產(chǎn)規(guī)模逐步走向大型化、復(fù)雜化、精細(xì)化以及計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，使得計(jì)算機(jī)控制在工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域中占有越來越重要的地位?！队?jì)算機(jī)控制系統(tǒng)》是自動(dòng)化專業(yè)的主要專業(yè)課程之一，是計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)控制、檢測與傳感技術(shù)相結(jié)合的綜合應(yīng)用技術(shù)，具有較強(qiáng)的實(shí)踐性和綜合性。該課程涉及的知識(shí)面較廣，知識(shí)集成度較高，教學(xué)內(nèi)容承上啟下，在專業(yè)課程體系中占有舉足輕重的地位，其中授課內(nèi)容涉及的一系列控制算法，既是計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的核心，也是授課的難點(diǎn)，其理論性強(qiáng)，內(nèi)容抽象、故學(xué)習(xí)難度大，采用以往常規(guī)的授課方式，教學(xué)效果不是很理想。基于此，本文以MATLAB軟件為基礎(chǔ)，通過MATLAB命令和Simulink模型對主要算法進(jìn)行計(jì)算機(jī)輔助實(shí)現(xiàn)及仿真，從而將抽象難懂的理論知識(shí)變成更易接受的感性認(rèn)識(shí)，使學(xué)生可以更直觀高效地理解知識(shí)，同時(shí)也可以培養(yǎng)學(xué)生的綜合分析及動(dòng)手能力，提高對計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的學(xué)習(xí)興趣，提高教學(xué)效果和教學(xué)質(zhì)量。

二、 MATLABSimulink在《計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)》課程中的作用

MATLAB語言是一種以計(jì)算機(jī)為基礎(chǔ)的輔助設(shè)計(jì)語言，包含功能強(qiáng)大的控制產(chǎn)品集，支持控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的建模、仿真、設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)等等。根據(jù)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)課程的特點(diǎn)，其中的絕大多數(shù)算法均可以應(yīng)用MATLAB語言實(shí)現(xiàn)，并通過MATLAB程序以及Simulink仿真模型在課堂上演示和講解，在一定程度上緩解了算法中計(jì)算量大、步驟繁瑣、效果不直觀的問題，將原本需要手工計(jì)算的設(shè)計(jì)過程程序化，簡單化，且通過Simulink仿真模型，使復(fù)雜系統(tǒng)的輸入輸出變得可視化，各個(gè)環(huán)節(jié)、步驟經(jīng)仿真均變的相當(dāng)直觀，算法的效果立即呈現(xiàn)，從而提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高教學(xué)效果。

三、 MatLabSimulink與《計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)》課程教學(xué)的結(jié)合

以最少拍控制器為例說明MatLabSimulink與《計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)》課程教學(xué)的結(jié)合及應(yīng)用MatLabSimulink輔助《計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)》教學(xué)的過程。

（一） 最少拍控制器的設(shè)計(jì)

最少拍控制是指系統(tǒng)在典型輸入信號r（t）（階躍、速度、加速度信號）作用下，經(jīng)過最少個(gè)采樣周期（最少拍），其采樣時(shí)刻的輸出值y（kT）完全跟蹤輸入量r（kT），使系統(tǒng)輸出的穩(wěn)態(tài)誤差為恒值或零。

現(xiàn)在，某計(jì)算機(jī)采樣控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示，其中，Gp（s）=10s（s+1），T=1 s，針對單位速度輸入設(shè)計(jì)有紋波系統(tǒng)的數(shù)字控制器D（z）。

（二） 最少拍控制器的matlabsimulink計(jì)算機(jī)輔助計(jì)算

（三） Simulink輔助計(jì)算結(jié)果的可視化

應(yīng)用基本MATLABSimulink庫中的相關(guān)模塊分別建立被控對象為連續(xù)時(shí)間傳函和離散時(shí)間傳函的Simulink仿真模型，并分別仿真得到仿真曲線如圖2和圖3所示。

從圖2和圖3的仿真曲線可見：

（1）針對單位速度輸入設(shè)計(jì)的有紋波最少拍控制系統(tǒng)，在其應(yīng)用過程中，在前5個(gè)周期內(nèi)，系統(tǒng)出現(xiàn)了較大的超調(diào)，導(dǎo)致響應(yīng)時(shí)間增加，從圖中可以看出，經(jīng)5個(gè)采樣周期后，輸出能夠跟隨輸入，超調(diào)接近于0;

（2）系統(tǒng)從第2個(gè)周期開始，在采樣點(diǎn)處輸出能完全跟隨輸入，從而保證了在采樣點(diǎn)處系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)無差，實(shí)現(xiàn)最少拍控制器設(shè)計(jì)，達(dá)到系統(tǒng)要求。

從最少拍控制器的手工計(jì)算設(shè)計(jì)和計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)來看，很顯然，手工計(jì)算設(shè)計(jì)計(jì)算量大，效果不直觀，錯(cuò)一點(diǎn)，滿盤皆輸;而計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)編程語言簡潔，步驟簡練，效果直觀，便于分析理解，易提高學(xué)習(xí)興趣。

四、 結(jié)束語

通過最少拍控制器的設(shè)計(jì)過程可以看出，在《計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)》課程的教學(xué)中引入MATLABSimulink仿真軟件，利用MATLAB高效簡潔的編程語言和Simulink便利直觀的仿真環(huán)境，不僅可以使教學(xué)內(nèi)容淺顯易懂，而且更易激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，加深對所學(xué)知識(shí)的理解，從而改善教學(xué)質(zhì)量，提高教學(xué)效果，提高學(xué)生分析問題、解決問題的能力。

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作者簡介：劉淑榮，龐偉，吉林市長春市，長春工程學(xué)院電氣與信息學(xué)院。