MATLAB在“自動控制原理”實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用探析

朱婕 韓芳

摘 要：自動控制原理是十分重要的課程之一，其實(shí)驗(yàn)教學(xué)開展的教學(xué)效果將直接影響到自動控制原理課程的教學(xué)效果與教學(xué)目標(biāo)的實(shí)驗(yàn)。傳統(tǒng)自動控制原理實(shí)驗(yàn)箱無法拓展，受環(huán)境限制影響較大，難以指導(dǎo)學(xué)生深入了解參數(shù)變化與系統(tǒng)性能之間的關(guān)系等缺陷提出了在自動控制原理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中運(yùn)用MATLAB，以彌補(bǔ)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)箱開展實(shí)驗(yàn)教學(xué)的缺陷，同時激發(fā)學(xué)生參與自動控制原理實(shí)驗(yàn)的興趣，全面提高學(xué)生綜合實(shí)踐能力與獨(dú)立探索思維。

關(guān)鍵詞：MATLAB；自動控制原理；實(shí)驗(yàn)教學(xué)

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.10.183

自動控制原理課程是電氣工程及其自動化控制專業(yè)的重要基礎(chǔ)課程，直接影響到學(xué)生是否能夠真正掌握電氣工程自動化控制的核心。在自動控制原理課程中實(shí)驗(yàn)教學(xué)是十分關(guān)鍵的，其能夠?qū)⒆詣涌刂圃碚n程中晦澀、抽象的理論用于指導(dǎo)實(shí)踐，讓學(xué)生在形象、直觀的實(shí)驗(yàn)過程中學(xué)會理論聯(lián)系實(shí)際，從而獲得更強(qiáng)的實(shí)踐能力。MATLAB是一種常用的軟件，在自動控制原理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中運(yùn)用MATLAB可以進(jìn)一步提升自動控制原理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的實(shí)效性。

1 “自動控制原理”實(shí)驗(yàn)教學(xué)

教育不僅僅是概念性的，同時也是經(jīng)驗(yàn)性的、操作性的。學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中往往都需要通過直接的操作經(jīng)驗(yàn)、具體事例以及實(shí)際應(yīng)用才能夠提升學(xué)習(xí)質(zhì)量。自動控制原理是一門電氣工程與自動化專業(yè)中的基層課程，在電氣及其自動化專業(yè)中占據(jù)著十分重要的地位。自動控制原理課程的主要教學(xué)內(nèi)容涵蓋了控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型、非線性系統(tǒng)分析、頻率法等。自動控制原理課程概念抽象、計(jì)算復(fù)雜、涉及數(shù)學(xué)計(jì)算難度大，學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中總是難以完全理解[1]。在自動控制原理課程教學(xué)中實(shí)驗(yàn)教學(xué)是不可或缺的重要教學(xué)環(huán)節(jié)，是自動控制原理理論與實(shí)踐的橋梁。在自動控制原理教學(xué)中重視實(shí)驗(yàn)教學(xué)不僅僅可以使得學(xué)生對自動控制原理中的理論有更加深入的理解與把握，同時還可以將理論與實(shí)踐緊密的聯(lián)系起來，有效提升自動控制原理課程的教學(xué)質(zhì)量，同時使得學(xué)生對自動控制原理課程更有興趣。傳統(tǒng)的自動控制原理實(shí)驗(yàn)教學(xué)所采用的都是電子模擬實(shí)驗(yàn)箱裝置。實(shí)驗(yàn)箱面板上連接了相應(yīng)環(huán)節(jié)所構(gòu)成的控制設(shè)備，教師與學(xué)生可以在示波器中觀察系統(tǒng)的響應(yīng)并且計(jì)算不同的性能指標(biāo)。這種傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)法可以提高學(xué)生的動手能力，讓學(xué)生對自動控制原理課堂中的內(nèi)容鞥更加了解，但是實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果卻不慎理解，學(xué)生僅僅按照實(shí)驗(yàn)?zāi)M電路圖進(jìn)行接線難以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性與主動性。

2 MATLAB在"自動控制原理"實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用

2.1 MATLAB軟件

MATLAB是一種常見的商業(yè)數(shù)學(xué)軟件，主要用于算法開發(fā)、數(shù)據(jù)分析、數(shù)值計(jì)算等高級技術(shù)計(jì)算語言與交互式環(huán)境當(dāng)中，其可以進(jìn)行函數(shù)繪制、連接其他編程語言程序，可以被廣泛運(yùn)用在工程計(jì)算、控制設(shè)計(jì)、信號檢測等領(lǐng)域，當(dāng)然也可以被用于教育領(lǐng)域，作為自動控制原理的實(shí)驗(yàn)教學(xué)工具。在自動控制原理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中利用MATLAB軟件進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，則可以獲得與理論相對應(yīng)的響應(yīng)結(jié)果。教師還可以將獲得的結(jié)果與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)箱操作的結(jié)果進(jìn)行對比，讓學(xué)生發(fā)現(xiàn)在實(shí)驗(yàn)過程中的問題，同時鍛煉學(xué)生的思考、探索能力[2]。

2.2 MATLAB在自動控制原理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用

MATLAB中的Simulink是其中的附加組件，主要用于提供系統(tǒng)級別的建模與動態(tài)仿真工作平臺。通過模塊組合的方式讓用戶能夠在短時間準(zhǔn)確的構(gòu)建動態(tài)系統(tǒng)。用戶只需要在模型窗口上調(diào)節(jié)出不同系統(tǒng)的環(huán)節(jié)，并且使用連線將其連接起來，就可以快讀的進(jìn)行系統(tǒng)仿真分析。Simulink的模型展現(xiàn)方式與自動控制中的方框圖表現(xiàn)方式十分接近，能夠進(jìn)一步簡化編程的流暢，更加形象、靈活、直觀。在自動控制原理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中教師可以先組織學(xué)生使用MATLAB中的Simulink進(jìn)行實(shí)驗(yàn)房展，然后再使用電子模式實(shí)驗(yàn)箱進(jìn)行模擬，然后將兩者的結(jié)果進(jìn)行對比，以便讓學(xué)生在深入對比的過程中進(jìn)行更加系統(tǒng)的分析。

在自動控制工程中二階系統(tǒng)的運(yùn)用十分普遍，很多高階系統(tǒng)在一定環(huán)境下都可以近似為二階系統(tǒng)進(jìn)行分析。因此，對二階系統(tǒng)進(jìn)行分析對于自動控制原理十分重要[3]。

實(shí)驗(yàn)觀察二階系統(tǒng)在參數(shù)ωn與ξ不同取值的情況下單位階躍響應(yīng)曲線，同時分析參數(shù)ωn與ξ對系統(tǒng)性能的影響。

當(dāng)輸入不同時對其單位階躍響應(yīng)進(jìn)行比較與房展。當(dāng)ωn=1的時候，取ξ=0，0.2，0.5，0.7；然后使得ξ=0.7，ωn=2，4，6，8，10的情況下觀察系統(tǒng)單位階躍響應(yīng)曲線。

3 結(jié)束語

將MATLAB運(yùn)用到自動控制原理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中可以使得學(xué)生更加直觀、更加形象的掌握自動控制的原理與性能，充分明確自動控制實(shí)驗(yàn)過程中參數(shù)的變化，形象的分析出參數(shù)的改變對自動化控制性能的影響。不僅僅有力的激發(fā)了學(xué)生的創(chuàng)造能力與學(xué)習(xí)積極性，同時還使得學(xué)生擁有一定的分析力、設(shè)計(jì)力與自動調(diào)控系統(tǒng)的能力，全面提升了自動化控制原理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的效率，獲得了理想的實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果。同時，MATLAB在自動控制原理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的運(yùn)用還是得實(shí)驗(yàn)教學(xué)更加靈活，突破了傳統(tǒng)自動化控制原理實(shí)驗(yàn)教學(xué)對場地、設(shè)備的限制，從而進(jìn)行更多內(nèi)容與更多形式的實(shí)驗(yàn)。

參考文獻(xiàn)：

[1]劉云龍，王瑞蘭，劉麗君，王文成.基于Matlab仿真的自動控制原理實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2015，34（06）：102-106.

[2]龔錦紅.MATLAB在《自動控制原理》教學(xué)與實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用[J]華東交通大學(xué)學(xué)報(bào) ，2006，23（b12）：137-139.

[3]王憲磊.MATLAB在機(jī)械類專業(yè)《自動控制原理》課程教學(xué)中的應(yīng)用[J].甘肅科技，2016，32（06）：39-41.

作者簡介：朱婕（1981-），女，安徽淮南人，碩士，實(shí)驗(yàn)師，研究方向：電子、自動化。