MATLAB在《自動控制原理與系統》教學中的應用

《自動控制原理與系統》是電氣自動化專業的主干課程之一。它主要以自動控制理論作為系統分析的工具,以系統分析作為應用案例,研究自動控制系統的模型建立、性能分析和系統調試的基礎理論與相關技術。該課程涉及知識面廣,信息量大,而且理論性和實踐性較強,抽象概念及分析方法較多。如果采用傳統的教學方式,一方面教師需要花費大量時間在黑板上繪圖、計算;另一方面,學生理解和接授知識會感覺枯燥難懂。

隨著計算機的普及,多媒體教學手段的使用已非常普遍。PowerPoint功能強大,實用性強,操作簡單,能夠根據學生的學習進度進行交互式教學,克服了以往課堂教學的局限性,在很多學科教學中取得了良好的效果。但是,《自動控制原理與系統》課程理論抽象且工程應用性強,學生學習該課程需要理論聯系實際。如果采用常規的多媒體教學手段,學生雖然在課堂上獲得的信息量增加了,但對教學內容反而難以及時進行有效消化理解。在強調面向實際、面向應用的高職教育中,亟需尋找一種簡捷易行、方便直觀的新型教學方式來彌補傳統教學方式的不足。針對該課程的特點、高職學生的基礎及培養目標,在課程教學過程中,采用MATLAB 仿真軟件進行輔助教學, 便于將抽象的理論知識形象化,可有效擴充教學信息,增加吸引力,有助于提高學生的學習興趣。

MATLAB軟件簡介

MATLAB是美國Math Works公司于1982年推出的可視化軟件。它集完善的數值分析、強大的矩陣計算、復雜的信號處理和完美的圖形處理等功能于一體,構成一個方便實用的用戶環境,方便進行科學分析和工程計算。它所提供的可視化動態仿真軟件包——SIMULINK,可實現動態系統建模、仿真與分析,具有直觀、方便、靈活等優點。

應用MATLAB / SIMULINK對系統進行建模、仿真與分析,簡單方便,只需要在模型窗口中使用鼠標拖放選定的功能模塊并用信號線將之連結起來,不需要編寫任何程序代碼,就可以實現系統仿真。而且MATLAB / SIMULINK仿真軟件可以在仿真過程中隨時改變參數,實時觀測系統的變化,具有較好的交互性。

利用MATLAB輔助教學

MATLAB軟件是在自動控制系統分析與設計領域廣泛應用的工程仿真軟件。它提供了一個方便易用的圖形用戶界面,將MATLAB控制工具箱的相關功能集成一體,用方塊圖的繪制代替了程序編寫,使不熟悉MATLAB軟件的學生也可以利用其資源進行自動控制系統分析,是控制系統分析的高效工具。MATLAB強大的功能使得課堂教學中用圖形來驗證理論不再繁瑣。無論是自動控制理論部分,還是自動控制系統部分,均可將MATLAB軟件引入課堂教學。因此,在教學過程中,適時穿插應用MATLAB軟件進行演示教學,可以將教學內容按照一定的結構順序,用簡潔的文字、豐富的畫面、逼真的動畫以及聲音等形象直觀地呈現在學生面前。

將MATLAB軟件引入多媒體教學,能夠彌補傳統教學講解內容抽象,手工繪圖不準確、不直觀,教學內容難以擴展等不足。教師在課堂上可以隨時演示系統的動態響應、參數變化的過程和結果,將系統的過渡過程生動形象地表現出來。這種直觀的教學,不僅激發了學生的學習興趣,而且將一些比較抽象的概念及以往教學中學生反映難以理解的內容生動、形象地加以闡明,有利于學生對抽象概念的理解,同時避免了多媒體教學把黑板搬到屏幕的缺陷。例如,在分析直流調速系統的抗負載擾動性能時,原先僅通過抽象的自動調節過程加以闡述,學生難以理解,而通過MATLAB 軟件可以很方便地得到系統的動態響應曲線,從而加深學生對新知識的理解。再如,以往在時域響應分析中,對三階以上的系統,無法獲得確定的解,一般只能分析簡單的二階系統;而利用MATLAB軟件,可以很方便地獲得高階系統的近似解。MATLAB 軟件的引入,使學生對控制系統的概念及控制系統的性能分析有了較為感性的認識,有利于幫助學生建立正確的專業思想,深化對課程的理解。

利用MATLAB仿真應用實例

轉速電流雙閉環控制是調速系統的重點內容。它將控制理論中的反饋控制與電機的調速控制相結合,使調速系統具有良好的動態響應和抗擾動能力。下面以轉速電流雙閉環直流調速系統抗負載擾動為例,說明MATLAB的應用。

根據雙閉環直流調速系統的動態結構圖,用MATLAB可以建立雙閉環調速系統的仿真模型,如圖1所示。用戶用鼠標在模塊上雙擊,則顯示出此模塊的對話框,然后可根據系統具體要求設置參數或修改參數。直流電動機的參數為:PN=2.2kW,IN=12.5A,nN=1500r/min,Ra=1.36Ω,La=22mH;三相橋式晶閘管整流裝置:放大倍數Ktr=40,平均延遲時間常數Ts=0.00167s,整流裝置內阻Rr=3.24Ω;平波電抗器電阻Rs=0.4Ω,電感La=100mH;機電時間常數Tm=0.18s;速度調節器的比例系數Kn=11.25,時間常數Tn=0.06936s;電流調節器的比例系數Ki=0.973,時間常數Ti=0.0244s;電流反饋系數?=0.427,濾波時間常數Toi=0.002s;轉速反饋系數?=0.00533,濾波時間常數Ton=0.01s。

為了分析系統的抗擾動能力,將系統設定在滿負載起動,在第3.0秒時減去負載,運行仿真軟件,即可在模擬示波器中得到轉速n的動態響應波形,如圖2所示。電動機的滿載起動過程大約為0.3秒,啟動后電動機的轉速很快,達到940r/min,并趨于穩定。由于電機在第3.0秒減去負載,此時電機轉速開始上升。在經過了大約0.15秒后,電機的轉速又趨于穩定,穩定時轉速仍為940r/min。通過仿真波形可以清楚地看到:當負載變化時,系統的轉速要發生變化,但經歷一段時間調整后,轉速能恢復至原來數值,基本不受負載變化的影響,且穩定性能較好。

MATLAB 軟件和自動控制理論多媒體課件有機融合起來的教學,不需要真正的硬件環境和資源。在課堂上直接進行演示,可以讓學生看到實時的仿真結果,增強他們的參與感。實踐表明,這種教學方法降低了自動控制理論的抽象性,有效地激發了學生的學習興趣,使教師教起來輕松,學生學起來愉悅,提高了課堂教學效率。

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作者簡介:

沈玉梅(1961—),女,遼寧大連人,碩士,大連職業技術學院電氣與電子工程技術系副主任,副教授,研究方向為自動控制理論。