MATLAB仿真在《自动控制原理》课程教学中的应用

孙　萍

(吉林建筑大学电气与电子信息工程学院,长春　130118)



MATLAB仿真在《自动控制原理》课程教学中的应用

孙萍

(吉林建筑大学电气与电子信息工程学院,长春130118)

摘要：《自动控制原理》是工科院校电气专业的技术基础课,其理论性和实践性极强.为提高教学效果、培养学生的学习兴趣和自主性,在讲授自动控制原理课中,尝试引入MATLAB计算机仿真技术.实践证明,学生能够很快地学会借助计算机来分析和设计控制系统,这不仅提高课堂的教学效果,也增加了学生的学习热情,教学效果较好.

关键词：自动控制原理；教学；MATLAB；应用

近年来,随着计算机技术的飞速发展,自动控制领域的知识结构和技术手段也随之不断进步.在相关课程的教学中,教学方法改革势在必行.将MATLAB软件引入自动控制原理课程的教学,使学生学会掌握使用计算机来分析和设计控制系统,将传统教学模式与现代教学手段要相互配合,通过仿真来验证所学过的理论知识,也可以方便快捷地设计出符合要求的自动控制系统.这不仅提高课堂教学效果,也激发了学生的学习热情.

1“自动控制原理”课程特点

自动控制原理是建筑电气与智能化专业的重要专业基础课,也是许多工科专业的主要专业基础课程.该课程全面阐述自动控制的基本理论及对自动控制系统的分析与设计方法,理论严紧,内容抽象,计算性强,作图画法多,学生不易理解和掌握.它不仅要有扎实的高等数学、工程数学、电路、电技术子、电机与拖动等课程的基本知识,而且还要有很强的运算能力.鉴于此,笔者尝试将MATLAB软件引入课堂教学,使学生掌握应用MATLAB对系统分析和设计的基本方法,对于培养学生的辩证思维能力和创新能力,提高综合分析问题和解决问题的能力方面都具有重要的意义.这样不仅可以简化教学,也可以充分利用计算机的表现能力,把抽象的问题具体化[1].

2MATLAB仿真软件特点

MATLAB计算软件语言简洁紧凑,使用方便灵活,集数值运算、动态仿真及图形处理于一体,其编程相对简单易学.将MATLAB与自动控制原理多媒体课件有机结合,把教学内容图形化,使课堂教学更为生动、形象、直观,可加深学生对抽象理论知识的理解,还可以激发学生的学习兴趣,并可以使学生获得一定的工程实践知识,提高学生分析问题和解决问题的能力.

(1) 方便快捷.学生可以方便地利用SIMULINK软件构造出系统仿真模型来验证书本上的知识,加深理解；

(2) 激发学生求知欲望.学生借助于SIMULINK软件,设计并验证系统的性能.在计算机上反复修改系统设计,使性能满足要求；

(3) 图解结果直观.利用MATLAB软件来处理自动控制原理课程中的时域分析、根轨迹绘制、频域分析等三种分析和设计系统的方法,结合实例教学可以帮助学生对抽象理论的理解,还有效地提高课堂效率,效果较好[2].

3MATLAB应用于自动控制原理课程教学举例

3.1　利用MATLAB判定线性系统稳定性

设计控制系统时应满足多种性能指标,但首要的技术指标是系统在全部时间内必须稳定.一般说来,稳定性成为区分系统是否有用的标志.从实际应用的角度来看,可以认为只有稳定的系统才有用.线性系统稳定与否完全取决于其特征方程的特征根,如果特征方程的根全部都是负实数或实部为负的复数,则系统是稳定的.如果特征方程的各根中即使只有一个根是正实数或只有一对根是实部为正的复数,则系统是不稳定的.应用MATLAB可以不用求解特征方程,即可很方便判定系统的稳定性[3].

图1 系统稳定性判定

3.2　利用MATLAB绘制系统的根轨迹

根据系统的根轨迹图,不仅可以清楚地知道闭环极点在根平面上的分布,同时可以知道系统的性能.不管多么复杂的系统,只用简单几句的MATLAB语言即可得到统的根轨迹图,进而可以分析系统的性能.

图2 根轨迹

3.3　利用MATLAB绘制系统开环频率特性

由定义,在Bode图上表示相位裕量和幅值裕量,作为设计控制系统的频域性能指标.一般控制系统设计时采用如下裕量范围比较合适:相位裕量在30°～60°之间,幅值裕量大于6dB.

图3 频域

4结语

由上可知,计算机仿真MATLAB软件提供了一个强大的工具和工作平台,能够快速方便地设计并构造出各种控制系统.自动控制原理课也应该与时俱进,不断进行调整和充实,加强系统仿真教学,对培养学生使用计算机进行控制系统设计的能力和提高学生竞争力具有重要意义.

参考文献

[1] 张晓红.MATLAB仿真应用于自动化专业教学的实践与思考[J].中国电力教育,2008(2):44-45.

[2] 金亚玲,郭鑫,刘义杰.MATLAB仿真在《自动控制原理》教学中的应用[J].企业导报,2011(16):35-46.

[3] 徐晓,罗剑.自动控制课堂教学模式的改革与探索[J].湖南科技学院学报,2011(8):72-73.

MATLAB Course Teaching Simulation in “Automatic Control Theory”

SUN Ping

(CollegeofElectricalandElectronicInformationEngineering,JilinJianzhuUniversity,Changchun,China130118)

Abstract：“Automatic control principle” is the basic course of technology majoring in electrical professional,its theory and practice is very strong,in order to improve the teaching effect,cultivate interest in learning and initiative of the students,in the teaching of automatic control theory course,try to introduce computer simulation technology of MATLAB.Practice has proved,students can learn quickly using the computer to the analysis and design of the control system,which not only improve the effect of classroom teaching,but alsoincrease the enthusiasm of students,the teaching effect is good.

Keywords:automatic control principle；teaching；MATLAB；application

中图分类号：TP 311

文献标志码：A

文章编号：2095-8919(2015)02-0105-03

作者简介：孙萍(1965～),女,吉林省长春市人,教授.

收稿日期：2014-09-10.