鐘漢生

摘 要： 《控制工程基礎(chǔ)》課程的特點(diǎn)是知識(shí)點(diǎn)涉及廣泛，需要學(xué)生有較強(qiáng)的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)，理論性強(qiáng)，繪圖復(fù)雜，為了解決這個(gè)不足，引入MATLAB仿真融入教學(xué)中，結(jié)合MATLAB的GUI課件和Simulink仿真平臺(tái)，最大限度地優(yōu)化課程結(jié)構(gòu)，強(qiáng)化教學(xué)效果和學(xué)生學(xué)習(xí)效果。

關(guān)鍵詞： 《控制工程基礎(chǔ)》 MATLAB仿真 應(yīng)用方法

1.引言

《控制工程基礎(chǔ)》是機(jī)械制造及其自動(dòng)化、機(jī)械電子技術(shù)等專(zhuān)業(yè)的一門(mén)重要的專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課程，課程內(nèi)容包括控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型、系統(tǒng)時(shí)域分析方法、系統(tǒng)頻域分析方法、系統(tǒng)穩(wěn)定性分析及控制系統(tǒng)的校正等。課程內(nèi)容理論性較強(qiáng)、計(jì)算復(fù)雜，既包括很多數(shù)學(xué)公式的推導(dǎo)、驗(yàn)算，又包括很多復(fù)雜的方框圖和伯德圖等圖表繪制。如果采用傳統(tǒng)的課堂填鴨式教學(xué)，則一方面對(duì)教師來(lái)說(shuō)上課壓力比較大，需要利用有限的時(shí)間完成很多重復(fù)機(jī)械的勞動(dòng)，另一方面學(xué)生學(xué)習(xí)效果還不佳，學(xué)習(xí)興趣逐步下降。

另外，實(shí)驗(yàn)對(duì)于《控制工程基礎(chǔ)》課程來(lái)說(shuō)必不可少，傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)一般在自動(dòng)控制實(shí)驗(yàn)箱上完成。這對(duì)于機(jī)械制造及其自動(dòng)化、機(jī)械電子技術(shù)等專(zhuān)業(yè)學(xué)生來(lái)說(shuō)，前期的電路方面知識(shí)可能相對(duì)缺乏，很多學(xué)生只能按照實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)機(jī)械地進(jìn)行連線調(diào)試，然后通過(guò)示波器記錄系統(tǒng)的響應(yīng)曲線。這樣的學(xué)習(xí)方式對(duì)于自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)來(lái)說(shuō)可能比較合適，但是對(duì)于機(jī)械類(lèi)學(xué)生來(lái)說(shuō)弊大于利。

為了解決以上問(wèn)題，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性和學(xué)習(xí)質(zhì)量，課程組開(kāi)展了《控制工程基礎(chǔ)》的教學(xué)改革，其一是將MATLAB軟件引入課程，并結(jié)合MATLAB平臺(tái)設(shè)計(jì)部分課件，從而節(jié)省很多計(jì)算、繪圖等時(shí)間以便更好地組織教學(xué)；其二是將原有的基于自動(dòng)控制實(shí)驗(yàn)箱的實(shí)驗(yàn)改成基于MATLAB仿真的實(shí)驗(yàn)。

2.MATLAB的引入

MATLAB是美國(guó)MathWorks公司出品的商業(yè)數(shù)學(xué)軟件，用于算法開(kāi)發(fā)、數(shù)據(jù)可視化、數(shù)據(jù)分析及數(shù)值計(jì)算的高級(jí)技術(shù)計(jì)算語(yǔ)言和交互式環(huán)境，主要包括MATLAB和Simulink兩大部分。不管是在教學(xué)中還是在科研中，MATLAB都已經(jīng)成為一種非常普遍而且有用的工具。目前，國(guó)內(nèi)外很多高校都將MATLAB課程作為工科學(xué)生的一門(mén)必修課程，同時(shí)學(xué)校機(jī)房、實(shí)驗(yàn)室等基本配備了MATLAB軟件以備學(xué)生使用。學(xué)生可以在MATLAB軟件上完成自己的復(fù)雜數(shù)學(xué)運(yùn)算，建立數(shù)學(xué)模型，進(jìn)行仿真調(diào)試，等等，這些都在不同方面給予了學(xué)習(xí)者很大的方便。

在《控制工程基礎(chǔ)》課程中，會(huì)涉及原理方框圖繪制復(fù)雜，運(yùn)用傳統(tǒng)的教學(xué)方式無(wú)法使學(xué)生輕易學(xué)懂等問(wèn)題，所以要將MATLAB軟件平臺(tái)有效融入教學(xué)活動(dòng)中。在課堂上教師可以適時(shí)運(yùn)用MATLAB軟件進(jìn)行輔助教學(xué)，學(xué)生也可以利用MATLAB軟件平臺(tái)完成部分作業(yè)或者進(jìn)行結(jié)果的驗(yàn)算等。例如：利用MATLAB軟件求解系統(tǒng)響應(yīng)，可以快速繪制得到系統(tǒng)的時(shí)域、系統(tǒng)零極點(diǎn)分布、頻域伯德響應(yīng)曲線等。除此之外，對(duì)于實(shí)際工程項(xiàng)目，還可以借助Simulink這個(gè)非常實(shí)用的仿真平臺(tái)進(jìn)行建模及仿真。

3.理論課程的改革

3.1GUI課件的使用

課程中會(huì)涉及很多繪圖，比如單位階躍響應(yīng)輸出曲線、單位脈沖響應(yīng)輸出曲線、伯德圖的繪制，等等，如果教師在課堂上現(xiàn)場(chǎng)繪制，則會(huì)占用很多課堂時(shí)間。而采用MATLAB軟件后就簡(jiǎn)單多了，為此，利用MATLAB軟件的GUL功能，將這些需要繪圖的知識(shí)點(diǎn)集中到一個(gè)GUI窗口中。這樣，教師上課時(shí)候可以根據(jù)實(shí)際需要直接輸入控制系統(tǒng)的傳遞函數(shù)，并選擇相應(yīng)的分析選項(xiàng)即可得到相應(yīng)的輸出圖形。

如圖所示傳遞函數(shù)為G（s）=■的伯德圖繪制，只需要輸入傳遞函數(shù)的分子多項(xiàng)式和分母多項(xiàng)式的系數(shù)就可以選擇該傳遞函數(shù)的伯德圖。

圖1 GUI仿真課件伯德圖仿真圖

3.2控制系統(tǒng)的校正環(huán)節(jié)

在控制系統(tǒng)的校正方法中，主要講授基于伯德圖的串聯(lián)校正方法。串聯(lián)校正方法包括超前校正、滯后校正、滯后——超前校正等，而這些方法其本質(zhì)就是實(shí)際工程中最常用的PID控制器。為此，這部分知識(shí)主要圍繞PID控制器展開(kāi)，并利用MATLAB的Simulink仿真平臺(tái)，搭建系統(tǒng)PID控制仿真模型。

如圖2所示為某控制系統(tǒng)的PID控制仿真結(jié)構(gòu)圖，為了便于仿真時(shí)調(diào)整參數(shù)，將該部分做成了MATLAB的精簡(jiǎn)系統(tǒng)，這樣就能夠很方便地更改PID參數(shù)。

圖2 傳統(tǒng)PID控制仿真圖

4.基于MATLAB的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

根據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)的培養(yǎng)目標(biāo)要求，調(diào)整了實(shí)驗(yàn)要求，重新設(shè)置了經(jīng)典控制理論的5個(gè)實(shí)驗(yàn)，它們分別為典型環(huán)節(jié)的階躍響應(yīng)分析、二階系統(tǒng)的時(shí)域仿真和穩(wěn)定性分析、系統(tǒng)的頻域仿真和穩(wěn)定性分析、典型控制系統(tǒng)建模及仿真、系統(tǒng)PID控制器設(shè)計(jì)及仿真。這些實(shí)驗(yàn)要求學(xué)生掌握基于MATLAB/Simulink的控制系統(tǒng)分析和設(shè)計(jì)的基本方法，編寫(xiě)M程序或畫(huà)Simulink仿真圖，以及完成教材后的部分MATLAB習(xí)題。

實(shí)驗(yàn)可充分發(fā)揮學(xué)生的主動(dòng)性和創(chuàng)新性，要求學(xué)生獨(dú)立完成非線性對(duì)象的建模，控制方案設(shè)計(jì)，控制程序的編寫(xiě)、調(diào)試、系統(tǒng)的軟硬件聯(lián)調(diào)等工作。通過(guò)本層次的實(shí)驗(yàn)，提高學(xué)生將所學(xué)控制理論知識(shí)用于解決實(shí)際問(wèn)題的能力，為今后進(jìn)行實(shí)際系統(tǒng)的過(guò)程控制打下良好的基礎(chǔ)。

5.結(jié)語(yǔ)

將MATLAB軟件融入《控制工程基礎(chǔ)》課程的理論教學(xué)和實(shí)踐教學(xué)中，不僅改善了傳統(tǒng)教學(xué)中存在的理論性強(qiáng)、計(jì)算復(fù)雜及繪圖工作量大的缺點(diǎn)，而且有效提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性。同時(shí)使得學(xué)生對(duì)控制系統(tǒng)的時(shí)域分析和頻域分析更加直觀化，更容易理解。將傳統(tǒng)的自動(dòng)控制實(shí)驗(yàn)箱為主的實(shí)驗(yàn)改成以MATLAB平臺(tái)為主的實(shí)驗(yàn)，符合機(jī)械專(zhuān)業(yè)的學(xué)情，增強(qiáng)了學(xué)生的動(dòng)手能力和對(duì)實(shí)際工程的分析能力，為后期的畢業(yè)設(shè)計(jì)等課程打下了良好的基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)：

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