MATLAB在自动控制原理教学中的实践与应用

中图分类号：TP319文献标识码：A文章编号：1009－2552（2011）07－0181－02
MATLAB在自动控制原理教学中的实践与应用
林静，贲少辉，王开
（茂名职业技术学院机电信息系，茂名525000）
摘要：自动控制原理是电气专业一门重要专业核心课。

具有概念抽象、数学含量大、计算繁杂等难点。

利用仿真技术辅助教学有利于激发学生学习兴趣，在教学中引入MATLAB软件，设计教学项目，丰富课堂教学内容；设计实验项目，形成虚拟仿真和实操实验相结合的实践教学模式，提高学生学习积极性，达到良好的教学效果。

关键词：MATLAB软件；自动控制原理；系统校正；教学
Practice and application of MATLAB in the teaching of
automatic control theory
LIN Jing，BEN Shao-hui，WANG Kai
（Department of Mechanical and Information Technology Maoming Vocational and Technology
College，Maoming525000，China）
Abstract：Principle of automatics control is an important professional core courses in electrical major．It has abstract concept，mathematical content，calculation of multifarious and other difficulty．Using simulation technology auxiliary teaching arouses students’study interest．In the teaching of introducing MATLAB software，design teaching project，riches classroom teaching content．Design experiment project，form virtual simulation and experiment of solid exercise of combining the practice teaching mode，improve the students’learning motivation，achieves good teaching effect．
Key words：Matlab software；principle of automatic control；system compensation；teaching
0引言
自动控制原理课程的特点是理论性强，概念抽象，计算量大，其理论与计算都非常繁琐，学生难于理解，需要借助实验加深对课程学习内容的理解，如果只有理论计算而没有仿真图形，学生是很难理解和掌握课程的知识点。

在自动控制原理教学中引入虚拟仿真技术，通过虚拟的实验环境，可以降低实验成本，克服实验室仪器设备与元器件在品种、规格和数量上不足的限制，丰富实验内容。

学生可以根据自己的兴趣爱好完成实验室提供的实验项目，使得实验打破了空间的限制，激发学生的实验积极性。

教师通过设计教学项目，丰富课堂教学内容；设计实验项目，形成虚拟仿真和实操实验相结合的实践教学模式，使学生更好地掌握知识提高了学生的学习积极性，达到了较好的教学效果。

同时使学生了解和掌握现代电气工程设计的方法和技术，培养其具有良好的实践能力和创新能力，提高学生的就业竞争能力。

1MATLAB软件介绍
MATLAB是美国Wathworks公司开发的一种集数值计算、符号计算和图形可视化三大基本功能于一体、功能强大、操作简单的优秀工程计算软件。

MATLAB是英文MATrix LABoratory（矩阵实验室）的缩写，主要包括MATLABheSimulink两大部分。

在MATLAB环境下，用户可以集成地进行程序设计、数值计算、图形绘制、输入输出、文件管理等各项操作。

由于经典控制理论是先于计算机出现的，利
收稿日期：2011－03－10
作者简介：林静（1982－），女，硕士，讲师，主要从事电子技术教学及研究工作。

用MATLAB这样的软件解决自动控制的有关问题和处理一些相关的图形变得非常简单，利用Simu-link仿真环境，用户只要在模型窗口上调出各个系统环节，并用连线将它们连接起来，即可快速有效地构建系统进行仿真和分析。

Simulink的这种模型表示方法与自动控制中常用的方框图表示法极为类似，这种方框图式的建模方法大大简化了编程过程，具有直观、方便、灵活的优点。

但这并不意味着可以放弃对自动控制理论基本概念和基本理论的学习，因为只有真正从概念和理论搞清楚了，才能正确地运用MATLAB这样功能强大的软件，提高工作效率，解决新问题。

2MATLAB在自动控制原理教学中的应用举例
本文以自动控制原理系统的校正为例，系统的校正方法是经典控制理论的一个主要组成部分，在控制工程中用得最广的是电气校正装置，但分析过程计算相当繁杂，学生望而生畏，在虚拟实验的演示下，使教学知识更加容易理解，使抽象知识变得更加直观。

利用Matlab/Simulink进行计算机辅助教学，便于学生理解和掌握课程内容。

它提供一个动态系统建模、仿真和综合分析的集成环境。

在该环境中，无需大量书写程序，而只需要通过简单直观的鼠标操作，就可构造出复杂的系统。

2．1校正的分类
根据校正装置的组成，可分为被控对象，控制器，检测环节三个部分。

被控对象是由系统所完成的具体任务而选定的，它包括的控制装置是系统的基本部分。

根据校正装置在系统中所处地位的不同，一般分为串联校正、反馈校正和顺馈校正。

在串联校正中，根据校正环节对系统开环频率特性相位的影响，又可分为相位超前校正、相位滞后校正和相位超前－滞后校正。

需要校正的控制系统通常是为了完成某项任务，并根据其工艺设计出的某些装置超前校正等。

在反馈校正中，根据是否经过微分环节，又分为软校正和硬校正。

在顺馈校正中，根据补偿采样源的不同，又可分为给定顺馈校正和扰动顺馈校正。

根据校正装置本身是否另接电源又分为无源校正装置和有源校正装置。

2．2控制系统相位超前校正实例
在传统的教学中，理论教学一般与实验分开进行，有时在课堂上进行一些简单必要的演示实验，由于需要动用仪器设备，实验耗时多，实验操作难度也大，很难在课堂上将理论讲解与实验演示有机地结合进行，造成一些知识点抽象，学生难以理解，如果将MATLAB应用到教学中，把理论教学与虚拟实验紧密结合，在虚拟实验的演示下将使教学知识更加容易理解。

本文通过具体实例进行说明：
判断随动系统的稳定性，在Matlab/Simulink中的阶跃响应输入、数学运算器、放大器、输出波形显示元器件找到并加入到建立的模版，搭建如图1所示系统模型。

用Scope观察仿真结果波形如图2所示，该系统为不稳定发散状况，分析原因明显增益1值过大，双击增益1模块在Block Parameters：Gain 对话框中将参数降为0．5，校正后的系统模型如图3所示，校正后的仿真结果如图4所示，系统稳定。

整个校正过程只要用鼠标双击相应的参数进行修改即可，省去了大量复杂的数学计算和验证步骤，可以直接观察输出波形，使学生对系统的校正有了直观的认识和清晰的理解，将理论教学和实验教学有机地融合在一起。

特别是对于在一般实验设备不易演示的过渡过程特别形象和直观，使实验演示能在课堂教学得以充分发挥。

图1
校正前的系统模型
图2校正前的仿真波形（发散）
（下转第186页）
决策过程转化为以学习控制与执行策略的问题求解过程，并结合器材供应方案的制定过程，设计整个系统的工作流程如图5所示。

图5
IDSS 工作流程
整个系统运行的关键是模型匹配和模型分解
两个环节。

模型匹配采取的是问题函数参数与知识库中的模型参数比对，当参数类型和数量相同则模
型匹配成功；否则继续与其他模型比对。

如果模型库中没有与其匹配的模型，则问题处理单元将其分解为子问题，比如器材供应这个大问题就可分解为部队器材需求模型、供应点到部队的最优路径问题模型以及最后的供应分配模型。

被分解的问题再次与模型库中的模型进行比对，找出与之匹配的模型后调用模型求解算法将模型求解，如果结果满意，则得到结果；若结果不满意，则可修正模型操纵知识，继续对模型进行求解，如此反复，直到最终获得满意结果。

4结束语
本文通过分析器材供应方案的制定过程，设计了基于知识驱动的器材供应智能决策支持系统框架，并对系统的各子系统进行了详细设计。

该系统由于加入了知识库对整个问题进行推理决策，因而面对战时器材供应的复杂多变的问题能够进行有效而快速的决策，此系统提高了器材供运决策的智能性和快速性。

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刘新影
（上接第182页
）
图3校正后的系统模型
图4校正后的仿真波形（衰减振荡）
3结束语
在自动控制原理教学中引入MATLAB 软件仿
真，教师结合课程内容，
设计科学合理的教学和实践实验案例项目，把传统的教学方法与新型的计算机仿真教学相互结合，建立综合性、开放性的教学
模式，可以将枯燥的公式、
繁琐的推导过程以及难以理解的抽象内容等通过图形演示的形式直观展现出来。

在教学过程中大大提高了学生的学习兴趣，达到良好的教学效果。

参考文献：
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