計算機仿真技術在自動控制原理課程教學中的應用

賈蓉 梅燁

摘 要 為了提高自動控制原理課程的教學質量和教學效率，將計算機仿真技術引入課堂教學，利用Matlab軟件優化教學過程，給出了控制系統建模、分析的教學應用實例。教學實踐表明，Matlab仿真技術拓展了自動控制原理課程的教學思路，很好地輔助了教學過程。

關鍵詞 自動控制原理 計算機仿真 建模與分析

中圖分類號：G424 文獻標識碼：A

0 引言

自動控制原理是工科院校自動化及其相關專業的一門重要的專業基礎課，主要研究自動控制系統的一般規律，涉及控制系統建模、分析和綜合的基本理論和方法。它具有概念抽象、公式多，理論分析和數學計算多且繁雜等特點，學生在學習時常感到很困難，沒有足夠的興趣。針對這一特點，利用Matlab仿真技術優化自動控制原理教學過程，進行理論方法的實時演示教學，可幫助學生理解抽象的概念和方法，改善課堂教學效果。

1 利用Matlab優化自動控制原理教學過程的思路

Matlab軟件具備強大的計算能力，繪圖簡便，算法語言簡單，有多種工具箱供用戶選擇，為控制系統計算機輔助分析和設計提供了極大便利。利用Matlab優化自動控制原理教學，在形式上包括教師課堂內教學演示，結合學生課外仿真練習、實驗、課程設計等；在內容上，從建立控制系統的模型入手，涵蓋經典控制理論的三大分析方法，系統校正，以及非線性系統的分析等。借助Matlab仿真將抽象的理論內容形象化，使學生易于理解，以達到較好的教學效果。

2 教學應用舉例

2.1 利用Simulink進行動態系統建模

利用Matlab中的Simulink組件，用戶可以通過模塊組合方法快速地創建動態系統仿真模型。如圖1所示，為水箱液位控制系統，要求通過控制進水流量來調節液位高度。該系統的傳遞函數為： =

其中，時間常數 =，放大系數 = 。為水箱截面積，為流出閥阻力系數。

在Simulink中建立該系統的仿真模型，如圖2所示。

將給定值參數設置為單位階躍信號。按需求設置、，啟動仿真過程，通過scope觀察仿真結果曲線。

如圖3所示為=1，分別取0.5、2時的值曲線，可以看出，系統的響應速度隨時間常數增大而變慢。此外，還可改變值來觀察系統響應情況。通過畫面演示，學生易于理解參數變化對系統響應的影響。

2.2 控制系統的根軌跡分析

根軌跡法是一種圖解法，直接由開環零極點的位置信息確定閉環極點隨某一參數變化的軌跡，由根軌跡圖可直觀地看到參數變化對系統性能的影響。授課時若能借助Matlab繪制根軌跡圖，能夠高效地完成教學內容。

單位反饋系統的開環傳遞函數為（） = ，繪制系統的根軌跡圖。

編制matlab程序如下：

運行程序，結果如圖4所示。

從圖4中可以看出，原系統穩定，增加開環極點 = -1后，隨著K值增大，系統會變得不穩定；若增加 = 0，則系統變為結構不穩定，提醒學生在進行系統設計時，利用增加系統型別來改善穩態精度，要綜合考慮是否改變了系統的穩定性；若增加開環零點 = -1，則根軌跡全部落在負實軸上，說明系統為過阻尼狀態，其階躍響應無超調。

2.3 控制系統的頻域分析

頻率法也是一種圖解法，頻率特性圖根據采用的坐標系分為奈氏圖、伯德圖等。通常，利用奈氏圖分析閉環系統的穩定性較方便；而分析典型環節的參數變化對系統性能的影響，則伯德圖最為直觀。利用Matlab，可以快速地繪制系統的頻率特性圖。

單位負反饋系統的開環傳遞函數為（） = ，繪制系統的伯德圖和奈氏圖。

編制matlab程序如下

從圖5看出，奈氏曲線不包圍（-1，0）點，閉環系統是穩定的。利用bode命令也可以繪制伯德圖，區別在于margin命令在繪圖的同時還可以計算出相位裕度和增益欲度。

3 結論

利用Matlab進行自動控制原理課程的交互式演示教學，在教學實踐中取得了較好的教學效果。第一，通過計算機仿真，使學生獲得直觀的感受，激發學生的學習興趣。第二，在軟件中修改各種參數和仿真驗證，利于對比式教學，使理論講解更加清晰。第三，學生對Matlab軟件學以致用，為后續課程打下良好的基礎。總之，引入基于Matlab的計算機仿真技術，為自動控制原理教學帶來了極大的便利性和靈活性，很好地輔助了教學過程。

湖北汽車工業學院教研項目：自動控制原理與計算機仿真技術的教學整合JX201411，自動控制原理校級精品課程建設

參考文獻

[1] 胡壽松.自動控制原理[M].北京：科學出版社，2013.

[2] 陳桂明.應用MATLAB建模與仿真[M].北京：科學出版社，2001.