應(yīng)用型自動化類專業(yè)Matlab實驗教學(xué)應(yīng)用研究

劉政+趙振華

摘要：將Matlab仿真應(yīng)用到自動化類專業(yè)實驗教學(xué)過程中，引入Matlab對控制系統(tǒng)的仿真應(yīng)用案例，根據(jù)實驗教學(xué)需求，結(jié)合Matlab軟件仿真平臺和工程式實驗進(jìn)程進(jìn)行實驗教學(xué)的新探索，鍛煉學(xué)生的實踐能力，提高實驗教學(xué)質(zhì)量和效率。

關(guān)鍵詞：自動化專業(yè);實驗教學(xué);Matlab

中圖分類號：G642.0 ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A ? ? 文章編號：1674-9324（2015）22-0227-02

引言：

Matlab是美國MathWorks公司出品的商業(yè)數(shù)學(xué)軟件，主要應(yīng)用于工程計算、控制設(shè)計、信號處理、圖像處理、金融建模等設(shè)計與分析領(lǐng)域，具有友好的工作平臺和編程環(huán)境、簡單易用的編程語言、強(qiáng)大的科學(xué)計算能力、出色的圖形處理功能、應(yīng)用廣泛的模塊集和工具箱、模塊化的設(shè)計和系統(tǒng)級的仿真。在設(shè)計研究單位和工業(yè)界，Matlab已成為工程師們必須掌握的一種工具，被認(rèn)為是進(jìn)行高效研究和開發(fā)的首選軟件工具。美國和歐洲的大學(xué)都已將Matlab正式列入研究生和本科生的教學(xué)計劃，Matlab已成為應(yīng)用代數(shù)、自動控制理論、數(shù)理統(tǒng)計、數(shù)字信號處理、時間序列分析和動態(tài)系統(tǒng)仿真等課程的基本教學(xué)工具。

針對應(yīng)用型自動化專業(yè)學(xué)生，需要學(xué)習(xí)的專業(yè)知識普遍存在：理論概念抽象、數(shù)學(xué)計算煩瑣、理論和實踐脫節(jié)的情況。學(xué)生普遍認(rèn)為理論知識太枯燥，實現(xiàn)算法很困難，因此借助EDA軟件進(jìn)行輔助實驗教學(xué)是非常有必要的。結(jié)合實際案例、Matlab編程方法、Simulink建模仿真，將控制系統(tǒng)的分析結(jié)果進(jìn)行可視化演示，可以加深學(xué)生理解和掌握控制系統(tǒng)原理和設(shè)計思路，使得整個教學(xué)過程具象化，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，將枯燥的學(xué)習(xí)過程構(gòu)造成所想即所見、所見即所得的實驗學(xué)習(xí)環(huán)境。

一、Matlab實驗教學(xué)應(yīng)用

在Matlab的控制系統(tǒng)工具箱中提供了很多仿真函數(shù)與模塊，用于對控制系統(tǒng)的仿真和分析。以《自動控制原理》這門課程為例，從時域法、根軌跡法、頻域法對控制系統(tǒng)進(jìn)行分析。

1.控制系統(tǒng)的Matlab時域分析。時域分析是一種直接在時間域中對系統(tǒng)進(jìn)行分析的方法，可以提供系統(tǒng)時間響應(yīng)的全部信息。為了研究控制系統(tǒng)的時域特性，經(jīng)常采用瞬態(tài)響應(yīng)（如階躍響應(yīng)、脈沖響應(yīng)和斜坡響應(yīng)）。標(biāo)準(zhǔn)二階系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)為： ?= ?，特征參量ζ和ω ?對二階系統(tǒng)有影響，其單位階躍響應(yīng)在不同的特征參量下有不同的響應(yīng)曲線。設(shè)定無阻尼自然振蕩頻率ω ?=1（rad/s），ζ=0，0.25，0.5，1.0和2.0，利用Matlab對每一種ζ求取單位階躍響應(yīng)曲線。為便于觀測和比較，在一幅圖上繪出5條響應(yīng)曲線。

2.控制系統(tǒng)的Matlab根軌跡分析。根軌跡是指系統(tǒng)的某一參數(shù)從零變到無窮大時，特征方程的根在s平面上的變化軌跡。這個參數(shù)一般選為開環(huán)系統(tǒng)的增益K。課本中介紹的手工繪制根軌跡的方法，只能繪制根軌跡草圖。而用Matlab可以方便地繪制精確的根軌跡圖，并可觀測參數(shù)變化對特征根位置的影響。系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為：G（s）=K ? ?，試求：系統(tǒng)的根軌跡。系統(tǒng)的根軌跡圖曲線如圖2所示。

3.控制系統(tǒng)的Matlab頻域分析。頻域分析法是應(yīng)用頻域特性研究控制系統(tǒng)的一種經(jīng)典方法。它是通過研究系統(tǒng)對正弦信號下的穩(wěn)態(tài)和動態(tài)響應(yīng)特性來分析系統(tǒng)，可直觀地體現(xiàn)系統(tǒng)的頻率特性。系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為G（s）= ?，試?yán)L制奈奎斯特圖，判斷系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

極點的顯示結(jié)果及繪制的奈奎斯特圖如圖3所示。由于系統(tǒng)的開環(huán)右根數(shù)P=0，系統(tǒng)的奈奎斯特曲線沒有逆時針包圍（-1，j0）點，所以閉環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)定。

二、Matlab實驗教學(xué)探索

實驗教學(xué)環(huán)節(jié)是培養(yǎng)學(xué)生把理論知識應(yīng)用于實踐的重要過程，這里將理論知識、軟件仿真平臺和工程式實驗三者結(jié)合起來進(jìn)行實驗教學(xué)新探索，引導(dǎo)學(xué)生應(yīng)用實踐能力的發(fā)展。

1.建立虛擬仿真平臺。利用Matlab具有可視化編程能力的圖形用戶界面、Simulink仿真功能和控制系統(tǒng)工具箱中豐富的庫函數(shù)等，開發(fā)基于Matlab的虛擬仿真實驗平臺。典型控制系統(tǒng)案例都可以直接在這個虛擬仿真平臺進(jìn)行動態(tài)仿真演示。另外利用Matlab提供的圖形用戶界面開發(fā)環(huán)境GUIDE，可以快速創(chuàng)建圖形用戶界面，這個界面可以實時反映當(dāng)前控制系統(tǒng)運行參數(shù)，并將運行結(jié)果進(jìn)行實時顯示。將可視化的仿真圖形融入到理論知識的數(shù)學(xué)運算中，作為課程教學(xué)的EDA輔助教學(xué)工具，可以簡化繁雜的公式運算，在動態(tài)虛擬仿真中幫助學(xué)生直觀地理解和掌握控制系統(tǒng)的工作原理。

基于Matlab開發(fā)的仿真實驗平臺主要分為：操作平臺和演示平臺。演示平臺作為教師解算案例的演示，共享給每個學(xué)生進(jìn)行學(xué)習(xí);操作平臺是教師對控制系統(tǒng)進(jìn)行理論分析和參數(shù)設(shè)置的軟件環(huán)境，也可以作為學(xué)生進(jìn)行控制系統(tǒng)設(shè)計的虛擬環(huán)境。學(xué)生可以獨立或協(xié)同設(shè)計，根據(jù)自己對原理的理解和系統(tǒng)設(shè)計要求在操作平臺上搭建外圍電路，采用不同的控制算法對控制系統(tǒng)的功能和效果進(jìn)行評價，完成設(shè)計，最終提交設(shè)計到演示平臺，教師在演示平臺可以實時考核學(xué)生實驗課程的效果，將設(shè)計的優(yōu)點和不足展示給學(xué)生，提高學(xué)生自主實驗的接受程度。

2.協(xié)同工程式實驗。在實驗進(jìn)程中，采用小組討論的方式，協(xié)同完成實驗項目，使得組員都能積極參與到實踐教學(xué)中來，提高學(xué)生掌握Matlab的工程應(yīng)用能力。減少驗證性實驗，開展基于工程、項目、設(shè)計的綜合性實驗項目，由示范向參與轉(zhuǎn)變，突出以學(xué)生為主的實驗教學(xué)環(huán)節(jié)，課堂分組討論、課后團(tuán)隊設(shè)計，鍛煉學(xué)生的工程能力，提高理論知識的應(yīng)用水平。

（1）課程實驗。以軟、硬件系統(tǒng)平臺的認(rèn)知實驗內(nèi)容為主，例如：自動控制原理實驗、單片機(jī)原理實驗、傳感器實驗、PLC實驗等。

（2）課程設(shè)計。基于硬件實驗裝置和Matlab仿真平臺，分析計算方法的正確性和硬件裝置運行的有效性，比較實驗效果的優(yōu)劣，嘗試探索新的解決方法，比如水箱液位控制實驗、鍋爐內(nèi)膽水溫控制實驗等。

（3）綜合設(shè)計。學(xué)生組合成一個設(shè)計團(tuán)隊，根據(jù)受控對象的特點和專業(yè)知識的掌握程度，以最小功能模塊的運行參數(shù)和指導(dǎo)教師指定的系統(tǒng)性能指標(biāo)為項目驅(qū)動，選擇相應(yīng)性能的模塊進(jìn)行系統(tǒng)構(gòu)建，包括傳感器、控制器、執(zhí)行器的設(shè)計。完成理論分析、Matlab仿真模型建立、硬件設(shè)計、軟件編寫等實踐內(nèi)容，最終進(jìn)行功能驗證，完成一個完整的控制系統(tǒng)綜合設(shè)計實踐。

三、總結(jié)

將Matlab的應(yīng)用深入到實驗教學(xué)過程，有助于學(xué)生理解和掌握自動化專業(yè)核心專業(yè)課程中的重點和難點。融合協(xié)同工程式實驗內(nèi)容并應(yīng)用Matlab建立虛擬仿真平臺，可以極大提高學(xué)生自主學(xué)習(xí)的積極性，從單純理論驗證進(jìn)化到實踐應(yīng)用，全方位考核學(xué)生對專業(yè)知識的掌握程度和個體創(chuàng)新效果，收到了良好的教學(xué)效果。

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