Matlab在《机械控制工程基础》课程教学中的应用探讨

Matlab在《机械控制工程基础》课程教学中的应用探讨宋强
【摘要】扼要叙述了Matlab软件的发展及其应用现状；在教学实践的基础上,举实例说明Mmatlab在《控制工程基础》课程教学中从数学建模、时域与频域分析到根轨迹的应用；从多方面探讨了在教学过程中,如何更好地利用Matlab软件.【期刊名称】《机械管理开发》
【年(卷),期】2012(000)002
【总页数】2页(P169-170)
【关键词】Matlab;教学应用;控制工程基础
【作者】宋强
【作者单位】安阳工学院机械工程学院,河南安阳455000
【正文语种】中文
【中图分类】G642.3
0 引言
《控制工程基础》是我校机械类、机电类专业的一门重要的专业基础课，是本科生后续课程的基础，它在专业课程体系中占有重要地位。

由于该课程内容丰富、理论性强、涉及知识面广、信息量大、更新发展快，而且比较抽象、习题多、难度大，再加上目前专业课时的不断压缩，因此，如何在较短的时间内提高课堂教学效率取得较好的教学效果就成为教师讲授该门课程时不得不考虑的一个重要问题。

实践性
教学环节也是该课程教学的重要环节，但在实验中由于受现有硬件设备条件的限制，经常会使实验值与理论值不相吻合，达不到预期的实验效果[1]。

因此，我校以计
算机辅助教学为手段，将Matlab与相关课程进行了整合，为教学带来了极大的灵活性和便利性。

1 M A TLA B在《控制工程基础》教学中的应用
1.1 控制系统数学模型建模
控制系统数学模型是控制系统分析研究的基础。

应用Matlab辅助软件来分析控制系统，首先需要建模，其建模主要是以函数形式表示和Simulink模型。

函数形式如用tf()函数来建立控制系统的传递函数模型，用zpk()函数来建立零极点增益模型，用tf2zp()和zp2tf()函数来实现传递函数模型和零极点增益模型的相互转换，用cloop()函数来建立单位反馈或者用函数feedback()来构成其它反馈[2]。

Simulink是Matlab产品中的图形化系统建模与仿真工具，通过这个工具，用户
可以采用方框图建立系统的模型，比传统的仿真软件包用微分方程或差分方程建模具有更直观、方便、灵活的优点。

1.2 时域分析性能指标
为了保证控制系统的安全经济运行，在设计自动控制系统时，必须给出明确的系统性能指标，即控制系统的稳定性、准确性和快速性指标。

通常用这三项技术指标来综合评价一个系统的控制水平。

对于一个稳定的控制系统，定量衡量性能的好坏有以下几个性能指标：峰值时间tp，调节时间ts，上升时间tr，超调量Mp。

怎样
确定控制系统的性能指标是控制系统的分析问题；怎样使自动控制系统的性能指标满足设计要求是控制系统的设计与改造问题。

在以往进行设计时，都需要通过性能指标的定义徒手进行大量、复杂的计算，如今运用Matlab可以快速、准确、直接地根据响应曲线得出性能指标。

[例1]求如下二阶系统的性能指标：
通过Matlab软件得到单位阶跃响应曲线，如图1，同时在曲线上根据性能指标的定义单击右键，则分别可以得到此系统的性能指标峰值时间tp=1.44 s；调节时间ts=4.64 s；上升时间tr=0.898 s；超调量Mp=23.1%。

图1 系统的单位脉冲响应图
1.3 在根轨迹中的应用
根轨迹可以分析系统参数和结构已定的系统的时域响应特性，见图1，以及参数变化对时域响应特性的影响，而且还可以根据对时域响应特性的要求确定可变参数及调整开环系统零极点的位置，并改变它们的个数，也就是说根轨迹法可用于解决线性系统的分析与综合问题。

MATLAB提供了专门绘制根轨迹的函数命令，使绘制根轨迹变得轻松自如。

[例2]由连续系统：
试绘制其零极点图和根轨迹图，见图2、图3。

图2 系统零极点图
图3 系统根轨迹图
1.4 在频域中的应用
频域分析法是应用频率特性研究控制系统的一种经典方法。

采用这种方法可直观地表达出系统的频率特性，分析方法比较简单，物理概念比较明确，对于诸如防止结构谐振、抑制噪声、改善系统稳定性和暂态性能等问题，都可以从系统的频率特性上明确的看出其物理实质和解决途径。

[例3]试绘制开环系统的 Ny⁃quist曲线，判断闭环系统的稳定性，并求出闭环系统的单位冲激响应，如图4。

图4 系统乃奎斯特曲线图
2 课程教学的工作思路
1）进一步提高教师自身的这方面的理论水平和实际仿真设计能力，在此基础上进一步完善已经取得的教学成果，从深度和广度入手下工夫，见图5。

图5 系统单位冲激响应图
2）顺依教学规律和实际教学情况，进一步总结和推广Matlab辅助教学经验，进
一步提高教师在课堂及实验室的“教”和学生的“学”的实际教学效果。

3）在已有兴趣小组的基础上，更有效地开展“第二课堂”的实践活动，并积极申报相关Matlab应用设计方面的素质拓展项目，提高学生的综合仿真和设计能力；4）让Matlab教学更好地服务于学院的本科评估和其他相关教学评估。

3 结束语
《控制工程基础》课程教学中Matlab应用的引入，解决了过去机械工程控制基础类相关课程课堂理论教学中单纯依靠数学分析，数学建模所解决不了或结果不准确的问题，同时提高了学生的学习兴趣和学习效率，并大大缓减了大众化教育阶段学生数学基础相对较差、学生人数多等给各个教学环节带来的实际教学困难；同时从实验实践教学环节来讲，有了Matlab的虚拟仿真设计和应用，在“虚实结合，以实为主，以虚为辅”思想指导下，更加有利于实验实践教学环节中各个实验的开展，另外，对学生的设计理念改进和计算机辅助设计能力的提高等也有一定的帮助。

参考文献
【相关文献】
[1] 陆锦军.自动控制原理课程教学改革实践[J].南通职业大学学报，2005(6)：103-105.
[2] 杨叔子.机械工程控制基础[M].武汉：华中科技大学出版社，2005.。