MATLAB仿真在《控制工程基礎》教學中的應用

鐘漢生

摘 要： 《控制工程基礎》課程的特點是知識點涉及廣泛，需要學生有較強的數學基礎，理論性強，繪圖復雜，為了解決這個不足，引入MATLAB仿真融入教學中，結合MATLAB的GUI課件和Simulink仿真平臺，最大限度地優化課程結構，強化教學效果和學生學習效果。

關鍵詞： 《控制工程基礎》 MATLAB仿真 應用方法

1.引言

《控制工程基礎》是機械制造及其自動化、機械電子技術等專業的一門重要的專業基礎課程，課程內容包括控制系統的數學模型、系統時域分析方法、系統頻域分析方法、系統穩定性分析及控制系統的校正等。課程內容理論性較強、計算復雜，既包括很多數學公式的推導、驗算，又包括很多復雜的方框圖和伯德圖等圖表繪制。如果采用傳統的課堂填鴨式教學，則一方面對教師來說上課壓力比較大，需要利用有限的時間完成很多重復機械的勞動，另一方面學生學習效果還不佳，學習興趣逐步下降。

另外，實驗對于《控制工程基礎》課程來說必不可少，傳統的實驗一般在自動控制實驗箱上完成。這對于機械制造及其自動化、機械電子技術等專業學生來說，前期的電路方面知識可能相對缺乏，很多學生只能按照實驗指導書機械地進行連線調試，然后通過示波器記錄系統的響應曲線。這樣的學習方式對于自動化專業來說可能比較合適，但是對于機械類學生來說弊大于利。

為了解決以上問題，提高學生的學習積極性和學習質量，課程組開展了《控制工程基礎》的教學改革，其一是將MATLAB軟件引入課程，并結合MATLAB平臺設計部分課件，從而節省很多計算、繪圖等時間以便更好地組織教學；其二是將原有的基于自動控制實驗箱的實驗改成基于MATLAB仿真的實驗。

2.MATLAB的引入

MATLAB是美國MathWorks公司出品的商業數學軟件，用于算法開發、數據可視化、數據分析及數值計算的高級技術計算語言和交互式環境，主要包括MATLAB和Simulink兩大部分。不管是在教學中還是在科研中，MATLAB都已經成為一種非常普遍而且有用的工具。目前，國內外很多高校都將MATLAB課程作為工科學生的一門必修課程，同時學校機房、實驗室等基本配備了MATLAB軟件以備學生使用。學生可以在MATLAB軟件上完成自己的復雜數學運算，建立數學模型，進行仿真調試，等等，這些都在不同方面給予了學習者很大的方便。

在《控制工程基礎》課程中，會涉及原理方框圖繪制復雜，運用傳統的教學方式無法使學生輕易學懂等問題，所以要將MATLAB軟件平臺有效融入教學活動中。在課堂上教師可以適時運用MATLAB軟件進行輔助教學，學生也可以利用MATLAB軟件平臺完成部分作業或者進行結果的驗算等。例如：利用MATLAB軟件求解系統響應，可以快速繪制得到系統的時域、系統零極點分布、頻域伯德響應曲線等。除此之外，對于實際工程項目，還可以借助Simulink這個非常實用的仿真平臺進行建模及仿真。

3.理論課程的改革

3.1GUI課件的使用

課程中會涉及很多繪圖，比如單位階躍響應輸出曲線、單位脈沖響應輸出曲線、伯德圖的繪制，等等，如果教師在課堂上現場繪制，則會占用很多課堂時間。而采用MATLAB軟件后就簡單多了，為此，利用MATLAB軟件的GUL功能，將這些需要繪圖的知識點集中到一個GUI窗口中。這樣，教師上課時候可以根據實際需要直接輸入控制系統的傳遞函數，并選擇相應的分析選項即可得到相應的輸出圖形。

如圖所示傳遞函數為G（s）=■的伯德圖繪制，只需要輸入傳遞函數的分子多項式和分母多項式的系數就可以選擇該傳遞函數的伯德圖。

圖1 GUI仿真課件伯德圖仿真圖

3.2控制系統的校正環節

在控制系統的校正方法中，主要講授基于伯德圖的串聯校正方法。串聯校正方法包括超前校正、滯后校正、滯后——超前校正等，而這些方法其本質就是實際工程中最常用的PID控制器。為此，這部分知識主要圍繞PID控制器展開，并利用MATLAB的Simulink仿真平臺，搭建系統PID控制仿真模型。

如圖2所示為某控制系統的PID控制仿真結構圖，為了便于仿真時調整參數，將該部分做成了MATLAB的精簡系統，這樣就能夠很方便地更改PID參數。

圖2 傳統PID控制仿真圖

4.基于MATLAB的實驗設計

根據機械設計制造及其自動化專業的培養目標要求，調整了實驗要求，重新設置了經典控制理論的5個實驗，它們分別為典型環節的階躍響應分析、二階系統的時域仿真和穩定性分析、系統的頻域仿真和穩定性分析、典型控制系統建模及仿真、系統PID控制器設計及仿真。這些實驗要求學生掌握基于MATLAB/Simulink的控制系統分析和設計的基本方法，編寫M程序或畫Simulink仿真圖，以及完成教材后的部分MATLAB習題。

實驗可充分發揮學生的主動性和創新性，要求學生獨立完成非線性對象的建模，控制方案設計，控制程序的編寫、調試、系統的軟硬件聯調等工作。通過本層次的實驗，提高學生將所學控制理論知識用于解決實際問題的能力，為今后進行實際系統的過程控制打下良好的基礎。

5.結語

將MATLAB軟件融入《控制工程基礎》課程的理論教學和實踐教學中，不僅改善了傳統教學中存在的理論性強、計算復雜及繪圖工作量大的缺點，而且有效提高了學生的學習積極性。同時使得學生對控制系統的時域分析和頻域分析更加直觀化，更容易理解。將傳統的自動控制實驗箱為主的實驗改成以MATLAB平臺為主的實驗，符合機械專業的學情，增強了學生的動手能力和對實際工程的分析能力，為后期的畢業設計等課程打下了良好的基礎。

參考文獻：

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