MATLAB在《控制工程基础》课程中的应用

MATLAB在《控制工程基础》课程中的应用
王伟;申爱明;林顺英;陈亚;王殿君
【摘要】Control Engineering is the core curriculum of the pilot major of education and training plan of excellent engineers in the major of Mechanical Engineering and Automation. The introduction of MATLAB to the theory and practice teaching of Contrai Engineering course, which closely combines teaching and simulation,can better inspire students' initiative of learning control engineering and meanwhile improve their abilities of the comprehensive application of computer system design, simulation and solving the practical engineering problems.%<控制工程基础>是"机械工程及自动化"专业卓越工程师教育培养计划试点专业的核心课程.将MATLAB引入到<控制工程基础>课程的理论与实践教学中,使教学与仿真实验紧
密结合起来,能更好地激发学生学习控制工程的积极性,同时还提高了学生综合应用计算机进行系统设计、仿真实验和解决实际工程问题的能力.
【期刊名称】《安徽师范大学学报（自然科学版）》
【年(卷),期】2011(034)002
【总页数】3页(P142-144)
【关键词】MATLAB;控制工程基础;系统仿真
【作者】王伟;申爱明;林顺英;陈亚;王殿君
【作者单位】北京石油化工学院机械工程学院,北京102617;北京石油化工学院机
械工程学院,北京102617;北京石油化工学院机械工程学院,北京102617;北京石油
化工学院机械工程学院,北京102617;北京石油化工学院机械工程学院,北京102617
【正文语种】中文
【中图分类】G473
引言
国家教育部于2009年决定在国内部分院校实施“卓越工程师教育培养计划”.北
京石油化工学院是“卓越工程师教育培养计划”的试点单位之一,《控制工程基础》是“机械工程及自动化”专业卓越工程师教育培养计划试点专业的核心课程.该课
程的特点是理论性强、概念抽象,涉及到数学、物理等方面的知识,具有一定的深度
和难度.使得学生在学习的过程中,感到难学、乏味,对所学内容不易消化、吸收和巩固,尤其对一些难点、重点内容,要掌握好就更不容易.无疑,这样最终使得一部分学生学习的主动性变差,产生厌学情绪,从而影响到该课程的教学质量.面对这样一门课程,沿用传统的课堂讲授和验证实验的教学方法是不能很好地完成教学任务.为了解决
课时少和任务重这一矛盾,将MATLAB应用软件引入到《控制工程基础》课程的理论与实践教学中.
1 MATLAB是控制系统计算机辅助分析与设计的一个卓越平台
MatLab是矩阵(Matrix)和实验室(Laboratory)两个英文单词的前三个字母的组合,是MathWork公司于1984年推出的一种以矩阵运算为基础的交互式程序语言,具有数值运算功能强、程序设计自由度大、程序的可移植性好、可视化功能强、工具箱丰富等特点.现已成为大学教学和科研中最常用且必不可少的工具. MatLab是适合多学科、多种工作平台的功能强大、界面友好且开放性很强的大型优秀应用软件,同时也是国内外高等院校数值分析、自动控制理论、数字信号处理、控制系统仿真
等课程的基本教学和实验仿真工具.
目前,发达国家高等院校的工科类学生都把MATLAB作为必修课,实验室通常都配备装有MATLAB的计算机供学生学习和研究使用.学生的许多作业都可以在计算机上使用MATLAB来完成,这些硬条件为许多课程的教学带来了极大的灵活性和便利性.MATLAB的研究工作在我国也已得到很大发展.很多高校都开展量有关MATLAB内容的教学及其相关的科研工作,并取得量可喜的科研成果,极大地推动了控制领域MATLAB的仿真研究[1].
2 MATLAB在《控制工程基础》课程理论教学中应用
利用MATLAB具有开放的环境、极强的矩阵运算、图形绘制、数据处理等功能,以及各种工具箱以及像“草稿纸”一样的工作空间等许多优点[1-5].把晦涩难懂的控制理论、信号波形等内容在可视化环境下通过屏幕直接在课堂中展示给学生,不仅起到了辅助教学的功能,而且增强了学生的感性认识,加强了其对授课内容的理解,提高了课堂教学的效率.
2.1 控制系统建模
数学模型是控制系统分析与设计的基础.在讲授系统的时域分析、频域分析、根轨迹分析方法分析与设计系统前,首先要建立系统的数学模型.传统的方法是根据系统的物理、化学机理列写微分方程,对于复杂的系统很难写出系统的微分方程或列写的微分方程无解,这对于系统的分析是无意义的.用MATLAB的函数形式和Sinmulink模型来建立系统的数学模型.如tf()函数、zpk()函数可以建立控制系统的传递函数模型、零极点增益模型,Sinmulink可以建立方框图形式的系统数学模型.这样建立的系统数学模型具有更直观、方便、灵活的优点.
2.2 控制系统时域分析
(1)系统的稳定性分析
在时域分析中,通过分析系统的闭环极点的分布来判断系统的稳定性,系统稳定的充
分必要条件是系统的所有闭环极点都分布在[S]平面的左半平面.对于高阶系统很难对特征方程进行因式分解,那么可以通过MATLAB的zpk()函数建立的零极点增益模型直接判断系统的稳定性.
(2)系统的动态性能分析
通过分析系统的典型信号响应来分析系统的动态性能和计算系统的性能指标.系统的动态特性和性能指标直接反应系统的稳定性、准确性、快速性.传统的方法是根据系统的结构参数,计算相应的性能指标,不仅花费时间多,而且教学效果很差.引入MATLAB后,应用MATLAB编程环境,编写相应的计算程序,计算性能指标.例如通过应用MATLAB编程,对机械振动系统的单位阶跃响应进行仿真,响应曲线如图1所示.这样即节省时间又计算正确.
图1 机械振动系统的单位阶跃响应曲线
图2 石膏板裁切传送机构系统的乃奎斯特图
2.3 控制系统频域分析
在频域分析中,根据系统开环传递函数的频率特性曲线,判断闭环系统的稳定性和稳定裕量.在MATLAB环境下,应用semilogx()和nyquist()很容易实现绘制系统的对数频率特性曲线和幅相频率特性曲线.例如应用nyquist()函数绘制石膏板裁切传送机构系统的乃奎斯特曲线,如图2所示,由图可以判断出该系统闭环是稳定的.应用MATLAB编程对控制系统频域分析,有效地提高了课堂教学的质量和效率;学生将不需要把很多的时间和精力花费在计算和手工绘图上,可以投入更多的精力去思考控制工程各种方法的要领,以达到更好的教学效果.
3 MATLAB在《控制工程基础》课程实践教学中应用
借助于MATLAB中Simulink的强大功能,可以进行虚拟实验仿真教学,设计一些有典型代表意义的仿真实验,帮助学生学习复杂的机电控制系统的数学模型建立、系统动特性分析与经典的PID控制原理.此时,只需从工具箱的模块库复制所需的模块,
按硬件实验系统的方框图进行连接.例如图3是在Simulink下建立的二阶系统瞬态响应分析仿真系统.与传统的硬件实验相比,其仿真结果的可信度高,不受空间、时间和物质条件的限制,并且可调动学生的积极性和激发学生的创造灵感.
图3 二阶系统瞬态响应分析仿真系统
4 结束语
将MATLAB应用到《控制工程基础》理论与实践教学之中,一方面即丰富了教学内容、提高了教学效果,又让学生直观地理解和领会了控制理论的抽象内容,提高了学生学习的积极性和兴趣;另一方面应用MATLAB对控制系统进行设计与分析仿真,在动手编程的过程中能够加深对所学内容的理解,增强了学生动手能力,提高了学生的实际工程设计能力.
参考文献:
[1] 黄忠霖.控制系统MATLAB计算及仿真[M].北京:国防工业出版社,2001.
[2] 刘进志,张学龙,潘存治.浅析MATLAB在《控制工程基础》教学中的应用[J].决策管理,2009,(7):82-82.
[3] 顾玉萍,石剑锋.MATLAB在《机械控制工程基础》教学中的应用[J].职业教育研究,2007,(4):168-169.
[4] 王伟,申爱明.《控制工程基础》课程教学改革研究与探索[J].安徽师范大学学报:自然科学版,2007,30(2):139-141.
[5] 王伟,王殿君,申爱明,等.柔性制造系统在机电一体化专业综合训练中的应用[J].安徽师范大学学报:自然科学版,2010,33(6):554-556.。