应用型自动化类专业Matlab实验教学应用研究

刘政+赵振华

摘要：将Matlab仿真应用到自动化类专业实验教学过程中，引入Matlab对控制系统的仿真应用案例，根据实验教学需求，结合Matlab软件仿真平台和工程式实验进程进行实验教学的新探索，锻炼学生的实践能力，提高实验教学质量和效率。

关键词：自动化专业;实验教学;Matlab

中图分类号：G642.0     文献标志码：A     文章编号：1674-9324（2015）22-0227-02

引言：

Matlab是美国MathWorks公司出品的商业数学软件，主要应用于工程计算、控制设计、信号处理、图像处理、金融建模等设计与分析领域，具有友好的工作平台和编程环境、简单易用的编程语言、强大的科学计算能力、出色的图形处理功能、应用广泛的模块集和工具箱、模块化的设计和系统级的仿真。在设计研究单位和工业界，Matlab已成为工程师们必须掌握的一种工具，被认为是进行高效研究和开发的首选软件工具。美国和欧洲的大学都已将Matlab正式列入研究生和本科生的教学计划，Matlab已成为应用代数、自动控制理论、数理统计、数字信号处理、时间序列分析和动态系统仿真等课程的基本教学工具。

针对应用型自动化专业学生，需要学习的专业知识普遍存在：理论概念抽象、数学计算烦琐、理论和实践脱节的情况。学生普遍认为理论知识太枯燥，实现算法很困难，因此借助EDA软件进行辅助实验教学是非常有必要的。结合实际案例、Matlab编程方法、Simulink建模仿真，将控制系统的分析结果进行可视化演示，可以加深学生理解和掌握控制系统原理和设计思路，使得整个教学过程具象化，提高学生的学习兴趣，将枯燥的学习过程构造成所想即所见、所见即所得的实验学习环境。

一、Matlab实验教学应用

在Matlab的控制系统工具箱中提供了很多仿真函数与模块，用于对控制系统的仿真和分析。以《自动控制原理》这门课程为例，从时域法、根轨迹法、频域法对控制系统进行分析。

1.控制系统的Matlab时域分析。时域分析是一种直接在时间域中对系统进行分析的方法，可以提供系统时间响应的全部信息。为了研究控制系统的时域特性，经常采用瞬态响应（如阶跃响应、脉冲响应和斜坡响应）。标准二阶系统的闭环传递函数为：  =  ，特征参量ζ和ω  对二阶系统有影响，其单位阶跃响应在不同的特征参量下有不同的响应曲线。设定无阻尼自然振荡频率ω  =1（rad/s），ζ=0，0.25，0.5，1.0和2.0，利用Matlab对每一种ζ求取单位阶跃响应曲线。为便于观测和比较，在一幅图上绘出5条响应曲线。

2.控制系统的Matlab根轨迹分析。根轨迹是指系统的某一参数从零变到无穷大时，特征方程的根在s平面上的变化轨迹。这个参数一般选为开环系统的增益K。课本中介绍的手工绘制根轨迹的方法，只能绘制根轨迹草图。而用Matlab可以方便地绘制精确的根轨迹图，并可观测参数变化对特征根位置的影响。系统的开环传递函数为：G（s）=K    ，试求：系统的根轨迹。系统的根轨迹图曲线如图2所示。

3.控制系统的Matlab频域分析。频域分析法是应用频域特性研究控制系统的一种经典方法。它是通过研究系统对正弦信号下的稳态和动态响应特性来分析系统，可直观地体现系统的频率特性。系统的开环传递函数为G（s）=  ，试绘制奈奎斯特图，判断系统的稳定性。

极点的显示结果及绘制的奈奎斯特图如图3所示。由于系统的开环右根数P=0，系统的奈奎斯特曲线没有逆时针包围（-1，j0）点，所以闭环系统稳定。

二、Matlab实验教学探索

实验教学环节是培养学生把理论知识应用于实践的重要过程，这里将理论知识、软件仿真平台和工程式实验三者结合起来进行实验教学新探索，引导学生应用实践能力的发展。

1.建立虚拟仿真平台。利用Matlab具有可视化编程能力的图形用户界面、Simulink仿真功能和控制系统工具箱中丰富的库函数等，开发基于Matlab的虚拟仿真实验平台。典型控制系统案例都可以直接在这个虚拟仿真平台进行动态仿真演示。另外利用Matlab提供的图形用户界面开发环境GUIDE，可以快速创建图形用户界面，这个界面可以实时反映当前控制系统运行参数，并将运行结果进行实时显示。将可视化的仿真图形融入到理论知识的数学运算中，作为课程教学的EDA辅助教学工具，可以简化繁杂的公式运算，在动态虚拟仿真中帮助学生直观地理解和掌握控制系统的工作原理。

基于Matlab开发的仿真实验平台主要分为：操作平台和演示平台。演示平台作为教师解算案例的演示，共享给每个学生进行学习;操作平台是教师对控制系统进行理论分析和参数设置的软件环境，也可以作为学生进行控制系统设计的虚拟环境。学生可以独立或协同设计，根据自己对原理的理解和系统设计要求在操作平台上搭建外围电路，采用不同的控制算法对控制系统的功能和效果进行评价，完成设计，最终提交设计到演示平台，教师在演示平台可以实时考核学生实验课程的效果，将设计的优点和不足展示给学生，提高学生自主实验的接受程度。

2.协同工程式实验。在实验进程中，采用小组讨论的方式，协同完成实验项目，使得组员都能积极参与到实践教学中来，提高学生掌握Matlab的工程应用能力。减少验证性实验，开展基于工程、项目、设计的综合性实验项目，由示范向参与转变，突出以学生为主的实验教学环节，课堂分组讨论、课后团队设计，锻炼学生的工程能力，提高理论知识的应用水平。

（1）课程实验。以软、硬件系统平台的认知实验内容为主，例如：自动控制原理实验、单片机原理实验、传感器实验、PLC实验等。

（2）课程设计。基于硬件实验装置和Matlab仿真平台，分析计算方法的正确性和硬件装置运行的有效性，比较实验效果的优劣，尝试探索新的解决方法，比如水箱液位控制实验、锅炉内胆水温控制实验等。

（3）综合设计。学生组合成一个设计团队，根据受控对象的特点和专业知识的掌握程度，以最小功能模块的运行参数和指导教师指定的系统性能指标为项目驱动，选择相应性能的模块进行系统构建，包括传感器、控制器、执行器的设计。完成理论分析、Matlab仿真模型建立、硬件设计、软件编写等实践内容，最终进行功能验证，完成一个完整的控制系统综合设计实践。

三、总结

将Matlab的应用深入到实验教学过程，有助于学生理解和掌握自动化专业核心专业课程中的重点和难点。融合协同工程式实验内容并应用Matlab建立虚拟仿真平台，可以极大提高学生自主学习的积极性，从单纯理论验证进化到实践应用，全方位考核学生对专业知识的掌握程度和个体创新效果，收到了良好的教学效果。

参考文献：

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