MATLAB在《自動(dòng)控制原理》教學(xué)中的應(yīng)用

劉珺蕙

摘 要：自動(dòng)控制理論是電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè)的主要專業(yè)基礎(chǔ)課程之一，是一門理論性和工程性的綜合科學(xué)。這門課理論性較強(qiáng)，概念抽象，學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中不能很好地理解掌握。為了使學(xué)生能更好的學(xué)習(xí)自動(dòng)控制原理，在教學(xué)中引入MATLAB軟件，使抽象的理論研究轉(zhuǎn)化為形象生動(dòng)通俗易懂的教學(xué)。該課程利用MATLAB軟件豐富的功能函數(shù)、靈活的編程和調(diào)試手段以及強(qiáng)大的人機(jī)交互和圖形輸出功能，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)控制系統(tǒng)直觀和方便的分析和設(shè)計(jì)。通過教學(xué)過程中的實(shí)例編程，對(duì)一些典型系統(tǒng)進(jìn)行根軌跡、時(shí)域、頻域等方面進(jìn)行研究，將抽象問題具體化，簡化了解題過程，由此MATLAB便顯現(xiàn)出了在自動(dòng)控制原理課程教學(xué)中的優(yōu)越性。

關(guān)鍵詞：MATLAB 仿真 自動(dòng)控制原理 教學(xué)

中圖分類號(hào)：G420 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2017）05（b）-0175-02

自動(dòng)控制技術(shù)廣泛應(yīng)用于國民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)部門，而《自動(dòng)控制原理》是研究自動(dòng)控制技術(shù)共同規(guī)律的一門技術(shù)科學(xué)，是對(duì)自動(dòng)控制系統(tǒng)進(jìn)行分析和設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，其重要性是顯而易見的。然而自動(dòng)控制原理課程知識(shí)面廣、內(nèi)容豐富、理論性強(qiáng)、信息量大，而且十分的抽象。煩瑣的理論推導(dǎo)，復(fù)雜的繪圖理論和數(shù)學(xué)計(jì)算，讓許多學(xué)生感到十分困惑。MATLAB仿真是理論聯(lián)系實(shí)際的重要紐帶，目前國內(nèi)許多教學(xué)工作一線的老師們都關(guān)注這一問題[1-2]。在教學(xué)過程中穿插MATLAB仿真，一方面使課堂教學(xué)更加直觀形象，便于學(xué)生理解學(xué)習(xí)，另一方面可以提高學(xué)生使用仿真軟件解決問題的能力。

1 MATLAB軟件的特點(diǎn)[3]

MATLAB軟件是美國MathWorks公司出品的商業(yè)數(shù)學(xué)軟件，它的特點(diǎn)是可以進(jìn)行矩陣運(yùn)算、繪制函數(shù)和數(shù)據(jù)、實(shí)現(xiàn)算法、創(chuàng)建用戶界面、連接其他編程語言的程序，其編程相對(duì)簡單易學(xué)等，主要應(yīng)用于工程計(jì)算、控制設(shè)計(jì)、信號(hào)處理與通訊、圖像處理、信號(hào)檢測(cè)、金融建模設(shè)計(jì)與分析等領(lǐng)域。

2 MATLAB在自動(dòng)控制原理課程中的教學(xué)實(shí)例

2.1 控制系統(tǒng)典型環(huán)節(jié)性能分析

自動(dòng)控制原理的分析設(shè)計(jì)都是基于一些典型環(huán)環(huán)節(jié)，正確理解掌握典型環(huán)節(jié)的性能，對(duì)課程后續(xù)內(nèi)容的學(xué)習(xí)至關(guān)重要。

本節(jié)通過Matlab得到二階振蕩環(huán)節(jié)的階躍響應(yīng)曲線為例，來展現(xiàn)其在課堂教學(xué)中的應(yīng)用。

由于Matlab本身具有強(qiáng)大的函數(shù)庫，對(duì)于單位階躍響應(yīng)而言，我們可以直接調(diào)用里面現(xiàn)成的函數(shù)來實(shí)現(xiàn)其功能。

對(duì)于二階振蕩環(huán)節(jié)，當(dāng)時(shí)，分別取和為例，利用MATLAB命令求得階躍響應(yīng)曲線。

程序如下：

>>G1=tf（[0，0，25]，[1，4，25]）；

>>G2=tf（[0，0，25]，[1，6，25]）；

>>t=0：0.1：5； % 從0到5每隔0.1取一個(gè)值。

>>y1=step（G1，t）； % 動(dòng)態(tài)響應(yīng)的幅值賦給變量y1。

>>y2=step（G2，t）；

>>plot（t，y1，'r--'，t，y2，'b*'）； % 繪二維圖形。

>>xlabel（'Time （s）'）；

>>ylabel（'Amplitude'）；

>>legend（'Unit-Step Response of G（s）=25/（s^2+4s+25）'，'Unit-Step Response of G（s）=25/（s^2+6s+25）'）；基于上面的程序，我們得到圖像1：

從單位階躍響應(yīng)來看，若二階振蕩環(huán)節(jié)的相同，越大，超調(diào)量越小，響應(yīng)越快。

由這些仿真結(jié)果，可使學(xué)生了解到當(dāng)參數(shù)變化時(shí)，系統(tǒng)所呈現(xiàn)的動(dòng)態(tài)特性將發(fā)生變化，這有利于學(xué)生加深對(duì)于書本理論知識(shí)的理解。

2.2 自動(dòng)控制系統(tǒng)的根軌跡分析

利用根軌跡法可以分析閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，計(jì)算（或估算）閉環(huán)系統(tǒng)的暫態(tài)和穩(wěn)態(tài)性能指標(biāo)，確定閉環(huán)系統(tǒng)的某些參數(shù)對(duì)于系統(tǒng)性能的影響以及對(duì)閉環(huán)系統(tǒng)進(jìn)行校正等。運(yùn)用繪制法則手工繪制根軌跡有時(shí)較復(fù)雜，但利用Matlab語言，簡單的幾條命令，就可以得到根軌跡，從而方便的進(jìn)行系統(tǒng)性能的分析。

設(shè)系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為：，繪出該系統(tǒng)的根軌跡圖。程序如下所示：

>>num=1；

>>den=conv（[1 0]，conv（[1 -1]，[1 5 25]））；

>>sys=tf（num，den）； %建立一個(gè)傳遞函數(shù)，其中分子和分母分別為num和den

>>figure（6）

>>rlocus（sys） %繪制開環(huán)傳遞函數(shù)的根軌跡

基于上面的程序，根軌跡圖如圖2所示。

3 結(jié)語

通過以上的仿真實(shí)例，我們發(fā)現(xiàn)Matlab為我們學(xué)習(xí)自動(dòng)控制原理提供了方便。通過利用Matlab這一強(qiáng)大的仿真工具，可以使枯燥的理論教學(xué)變得形象生動(dòng)，在很大程度上提高了學(xué)生們的學(xué)習(xí)熱情。同時(shí)，Matlab還可以作為其他工科大部分專業(yè)基礎(chǔ)課的輔助分析學(xué)習(xí)的工具。在教學(xué)過程中，不斷探索新方法、新技術(shù)，及時(shí)調(diào)整教學(xué)手段，讓學(xué)生更好地掌握所學(xué)內(nèi)容。

參考文獻(xiàn)

[1] 陳超洋， 周少武， 歐青立，等. MATLAB/SIMULINK 在課堂教學(xué)中的應(yīng)用探究[J]. 當(dāng)代教育理論與實(shí)踐， 2016， 8（10）：85-88.

[2] 孫萍.MATLAB仿真在《自動(dòng)控制原理》課程教學(xué)中的應(yīng)用[J].吉林建筑工程學(xué)院學(xué)報(bào)，2015，32（2）：105-107.

[3] 張萍，吳楠.MATLAB在《自動(dòng)控制原理及系統(tǒng)》教學(xué)中的應(yīng)用[J].科技視界，2015（33）：159-160.