MATLAB在《自动控制原理》教学与实验中的应用

维普资讯 http://www.cqvip.com 第２３卷　２Ｏ０６年ｌ２月　华东交通大学学报　Ｖ０１．２３　Ｄｅｃ．．２００６　Ｊｏｕｍａｌ　０ｆ　Ｅａｓｔ　Ｃｈｉｎａ　Ｊｉａｏｔｏｎｇ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　文章编号：１００５一ｏ５２３｛２ｏｏ６）综合一０１３７—０３　ＭＡＴＬＡＢ在《自动控制原理》教学与实验中的应用　龚锦红　（华东交通大学电气与电子工程学院，江西南昌３３０ｏｌ３）　摘要－分析了自动控制原理课程内容和教学上的特点，介绍ＭＡＴＩＡＢ软件的一些特点，最后结合教例来说明如何利用ＭＡ＇ＩＬＡＢ　进行辅助教学及实验分析，可以激发学生学习的积极性，提高课堂教学的效率．　关键词：自动控制原理；ＭＡＴＬＡＢ；课堂教学；实验教学　文献标识码：Ａ　中圈分类号：Ｇ４２４．１　０引言　＜自动控制原理》是高校自动化专业的重要专业基础课，　也是其它电类专业一门重要的专业基础课程，在教学上占　有重要的地位，其理论性强，既难教，也难学．课程涉及到控　制系统的数学模型建立、系统分析和设计的基础理论和相　关技术，具有数学含量大、计算繁杂、作图方法多、实际应用　广泛等特点Ｈ　ｊ．在教学中应充分发挥学生的主观能动性，　１引入ＭＡｎＡＢ的必然性和可行性　＜自动控制原理》是一门概念抽象、数学计算量大、实践　应用性很强的学科，本科学生学习这门课程具有一定的困　难．长期以来，“自动控制原理”课程一直采用“教师一黑板一　学生”或“教师一电子课件一学生”的课堂教学方式．在黑板　上讲授中，教师在黑板上分析时，往往要画大量的曲线，当分　析的因素较多时，经常难以用有限的几种颜色将它们区分，　而且曲线的准确度也难以保证，系统分析结果缺乏可视化的　直观表现，使得学生难以理解和接受；此外，实践性教学环节　强调学生的参与意识，调动学生积极思考，让学生自觉地获　取知识，以提高教学效率．因此，为取得更好的教学效果，提　高教学质量，不断改进教学方法、改善实验条件已成为该类　课程发展的必然趋势．　ＭＡＴＩＡＢ语言是目前国际控制界最流行的语言，它集数　值计算、符号运算和图形处理等强大功能于一体，适用于工　程应用各领域的分析、设计和复杂计算　ｊ．强大的功能使它　也是该课程教学的重要环节，但在实验中由于现有硬件设备　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，不利于巩固课堂理论知识且容易导致学生产　生错误理解．　由于黑板式教学，课程中系统响应的动态性难以体现，　成为系统分析和仿真设计的首选语言．ＭＡＴＬＡＢ软件的推　出，极大地改善了自动控制系统分析的可视性，对《自动控制　原理》的理论教学环节和实验教学环节两方面都有很大的　帮助，提高学生学习兴趣的同时能尽力将“难学”变成“易　学”，实现既加强教学深度，又提高教学质量的目的．另外，学　学生自己设计的系统也不能直观地得到系统特性的可视化　测试结果，学生将大量的精力和时间用于繁杂的手工数学运　算，而未真正理解所得结果在实际中的应用．因此，该课程迫　切需要进行教学方法和实验方法的改革，如何帮助学生理解　与掌握课程中的基本概念、基本原理、基本分析方法以及培　养学生综合运用所学知识解决实际问题的能力，是本课程教　学所要解决的关键问题．　目前，多媒体教学方法的应用给这些问题的解决带来了　生在学习自动控制理论的同时学会使用ＭＡＴＬＡＢ语言，不仅　对掌握和应用自动控制理论有帮助，还可以学会使用计算　机辅助分析和设计控制系统等，为日后的工作和学习打下　基础．　福音．在该课程多媒体电子教案制作时，由于既要考虑理论　收稿日期：２ＯＯ５—０７—０４　作者简介：龚锦．￣（１９７６一），女。江西九江人，讲师．　维普资讯 http://www.cqvip.com １３８　华东交通大学学报　２００６年　的完整性，又要考虑到教学和仿真的效果，就可以采用在多　媒体课件中建立与基于ＭＡａＬＡＢ和ＳＩＭＵＵＮＫ集成仿真环境　的控制教学软件的超级链接结构，从而在教学中能方便地　切换并较好地实现仿真，即在教学中恰当应用ＭＡＴＬＡＢ软件　辅助“自动控制原理”的教学，取得良好的教学效果．ＭＡＴＬ￣　编程语言可以帮助我们在改进教学方法和调整教学内容的　同时，以计算机为辅助教学手段，用控制系统辅助分析和设　计软件直接进行控制系统的仿真分析或校正　增强学生的　感性认识，帮助学生准确理解控制系统的数学模型、时域响　应、稳定性、根轨迹、频率特性、系统校正等重要的概念，培养　学生主动获取知识和独立解决问题的能力，提高学习效率　和教学质量．　２　ＭＡＴＬＡＢ的特点　ＭＡ＇ＩＬＡＢ是ＭａｔｈＷｏｒｋ公司于１９８２年推出的一套面向工　程和科学运算的高性能可视化软件．它集数值分析、矩阵运　算、信号处理和图形显示于一体，构成了一个方便的、界面友　好的用户环境．它的推出得到了各个领域专家学者的广泛　专注，其强大的扩展功能为用户提供了强有力的支持，为各　个领域的应用提供了基础．它的出现同样给“自动控制原理”　课程的计算机辅助教学带来了福音，使利用计算机辅助学　生完成该课程的数值计算、控制系统分析的可视化建模及　仿真调试成为可能．　它具有高效的数值计算及符号计算功能，能使用户从　繁杂的数学运算分析中解脱出来；具有完备的图形处理功　能，实现计算结果和编程的可视化；友好的用户界面及接近　数学表达式的自然化语言，使学者易于学习和掌握；具有功　能丰富的应用工具箱（如信号处理工具箱、控制系统工具箱　等），为用户提供了大量方便实用的处理工具．借助于这些　“巨人肩上的工具”，各个层次的研究人员可直观、方便地进　行分析、计算及设计工作，从而大大地节省了时间．　ＭＡＴＬＡＢ的上述特点，使它深受工程技术人员及科技专　家的欢迎，并很快成为应用学科计算机辅助分析、设计、仿　真、教学等领域不可缺少的基础软件．目前，在国外高等院　校，ＭＡＩＬＡＢ已成为本科生、研究生必须掌握的基础软件，国　内许多理工院校也已经或正把ＭＡＴＬＡＢ作为学生必须掌握　的一种软件．　３应用实例　ＭＡＴＬＡＢ具有强大的图形处理功能及符号运算功能，针　对应用广泛的控制系统领域，提供了强有力的控制系统工　具箱，为我们进行控制系统分析提供了方便．ＭＡＩＬＡＢ包含　了进行控制系统分析与设计所必须的工具箱函数，可以对　系统进行时域分析、频域分析及根轨迹分析，可以分析连续　系统，也可以分析离散系统，并可以进行极点配置控制器设　计和最优控制系统设计等多项操作ＨＪ．如果教师能结合　ＭＡＴＬＡＢ来辅助教学，能加深学生对本课程的掌握程度，提　高教学质量．如以往的教学，由于受数学要求所限，一般只能　分析简单的一阶、二阶系统，而利用ＭＡＩｌＡＢ，就可对高阶系　统进行分析研究．　［例１］典型二阶系统－Ｇ（ｓ）＝　试绘制当∞　：６，　分别为Ｏ．１，Ｏ．２，…１。Ｏ，２．０时的单　位阶跃响应．　解：我们可以应用ＭＡＴＬ￣工具箱中ｓｔｅｐ（），运行如下　命令：　Ｗｆｌ＝６：　ｋｏｓｉ＝［０．１：０．１：１．０，２．０］；　ｉｆｇｕｒｅ（１）；　ｈｏｌｄ　Ｏｎ　ｆｏｒ　ｋｏｓ：ｋｏｓｉ　Ｂｕｍ＝ｗｎ．＾２；ｄｅｒＩ＝［１，２＊ｋｏｓ＊ｗｎ，ｗｎ．＾２］；　ｓｔｅｐ（ｎｕｍ，ｄｅｎ）　ｅｎｄ　ｔｉｔｌｅ（’单位阶跃响应’）　ｈｏｌｄ　ｏｆｆ　上述命令绘制的单位阶跃响应波形图如图１所示：　［例２］已知开环传递函数为：Ｇ（ｓ）＝　绘制闭环系统的根轨迹・　解：我们可以应用ＭＡＴＬＡＢ工具箱中ｒｌｏｅｕｓ（），运行如　下命令：　ｈｕｍ：【１】　ｄｅｎ＝［１】６　３６　８０　０］　ｄｏｅｕｓ（１１１１１１１，ｄｅｎ）　ｔｉｔｌｅ（’闭环系统的根轨迹’）　上述命令绘制的闭环系统的根轨迹图如２所示：　［例３］离散系统：Ｇ（ｚ）＝　二二－　０．６云３２　试绘制系统的Ｎｙｑｕｉｓｔ曲线，判别闭环系统稳定性，并绘　制闭环系统的单位冲激响应．　解：ｎｕＩｎ［０．６３２］　维普资讯 http://www.cqvip.com 综合　龚锦红：ＭＡＴＬＡＢ在《自动控制原理》教学与实验中的应用　ｌ３９　ｄｅｎ＝ｌ１，～１，３６８，０．５６８］　［ｚ，ｐ，ｋ］：￣ｚｐ（ｎｕｍ，ｄｅｎ）　ｃｈｙｑｕｉ￣ｔ（．ｕｍ，ｄｅｎ，０．１）　ｉｆｔｌｅ（：离散系统的Ｎｙｑｕｉｓｔ曲线’）　ｉｆｇｕ￣（２）　［ｎｕｍｌ，ｄｅｎ１］＝ｃｌｏｏｐ（ｎｕｍ，ｄｅｎ）　ｄｉｍｐｕｌｓｅ（ｎｕｍ１，ｄｅｎ１）　ｔｉｔｌｅ（’系统的单位冲激响应曲线：）　执行后得开环系统极点位置：　Ｐ　Ｏ．６８４ｏ＋Ｏ．３ｌ６５ｉ　０．６８４Ｏ一０．３１６５ｉ　上述命令绘制的离散系统的Ｎｙｑｕｉｓｔ曲线和单位冲激响　应曲线如图３所示：　从上图可以看出，该系统的Ｎｙｑｕｉｓｔ曲线按逆时针包围　（一１．ｊｏ）点一２圈，而开环系统的两个极点均位于单位圆内，　因此，闭环系统不稳定，这可从冲激响应中得到证实．　４　ＭＡＴＩＡｄ３应用于自动控制原理实验分析　教学中应充分发挥学生的主观能动性，让学生自觉地获　取知识．我们不但适当采用课堂教学、答疑及讨论等形式，还　恰当要求同学结合专业教学安排，在ｂｌＡＴＬＡＢ可视化编程语　言环境下做《自动控制原理》的辅助教学实验　经过理论教学　和实验教学的检验，不但可以激发学生学习“自动控制原理”　课程的积极性，而且也可以培养学生的创造性，加深学生对　理论内容的理解，提高课堂教学的效率．　２　，实验例一：绘制典型二阶系统Ｇ（ｓ）＝Ｔ＿　—　在　ｓ＋ｚ　，一十６０ｎ　取不同值时的Ｂｏｄｅ图．　５结束语　利用ＭＡＴＩ．ＡＢ强大的功能及提供的自动控制工具箱　（ｃｏｎｔｏｌ　ｔｏｏｌｂｏｘ），可以处理“自动控制原理”中的各种复杂问　题．在课堂上将ＭＡＴＬＭ３应用到自动控制原理课程中，并将　基于可视化编程语言平台的易学易用的ＭＡＴＬＡＢ开发系统　用于“自动控制原理”的实验平台，可以让学生直观地理解和　领会课本中抽象的内容，提高学习的积极性和兴趣性，从而　有效地提高课程的教学质量并达到改善教学效果的目的．　参考文献：　１］胡寿松．自动控制原理简明教程［Ｍ］．北京：科学出版社，　２００３　［２］王时胜，曾如明，等，自动控制原理［Ｍ］．南昌：江西科学　技术出版社．ＡｏＤ２　［３］褛顺天，于卫，等，ＭＡＴＬＡＢ程序设计语言［Ｍ］．西安：西　安电子科技大学出版社，１９９７　［４］楼顺天，基于ＭＡＴＬＡＢ的系统分析与设计一一一控制系　统ＥＭ］，西安：西安电子科技大学出版社，２００１