ＭＡＴＬＡＢ仿真在自動(dòng)化專業(yè)教學(xué)中的應(yīng)用

摘要：近年來(lái)MATLAB仿真技術(shù)越來(lái)越廣泛地應(yīng)用于控制系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)，在“自動(dòng)控制理論”、“電力電子技術(shù)”、“現(xiàn)代控制理論”、“控制系統(tǒng)計(jì)算機(jī)仿真”等課程的教學(xué)中都使用了MATLAB輔助仿真分析。本文舉例介紹了MATLAB仿真在自動(dòng)化相關(guān)專業(yè)課程中的教學(xué)應(yīng)用，實(shí)踐證明取得了良好的教學(xué)效果。

關(guān)鍵詞：MATLAB；仿真；自動(dòng)化專業(yè)教學(xué)

各院校自動(dòng)化專業(yè)的主要專業(yè)基礎(chǔ)課和專業(yè)課通常包括“自動(dòng)控制理論”、“現(xiàn)代控制理論”、“電機(jī)及拖動(dòng)基礎(chǔ)”、“微型計(jì)算機(jī)原理”、“計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)”、“交流調(diào)速系統(tǒng)”、“電力電子技術(shù)”、“控制系統(tǒng)計(jì)算機(jī)仿真”等等。這些課程的普遍特點(diǎn)是系統(tǒng)工作原理推導(dǎo)繁瑣，涉及電路圖、波形圖繁多，基本公式羅列復(fù)雜，課后習(xí)題數(shù)量很大并且實(shí)驗(yàn)任務(wù)繁重，這些都給老師的“教”和學(xué)生的“學(xué)”兩個(gè)方面帶來(lái)了很大的困難。

自動(dòng)化專業(yè)傳統(tǒng)的“課堂講授+實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)”的教學(xué)模式已經(jīng)不能滿足需要，因此需要新的教學(xué)方法和輔助教學(xué)手段不斷出現(xiàn)。作為自動(dòng)化專業(yè)學(xué)生，應(yīng)該學(xué)會(huì)掌握使用先進(jìn)的計(jì)算機(jī)技術(shù)來(lái)分析和設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)。而基于MATLAB仿真軟件的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)為我們提供了強(qiáng)大的工具平臺(tái)，它不僅可以取代系統(tǒng)的許多繁瑣的人工分析，減輕勞動(dòng)強(qiáng)度，提高分析和設(shè)計(jì)能力，避免因?yàn)榻馕龇ㄔ诮铺幚碇袔?lái)的較大誤差，還可以與實(shí)物調(diào)試相互補(bǔ)充，最大限度的降低設(shè)計(jì)成本，縮短系統(tǒng)設(shè)計(jì)調(diào)試周期。因此基于MATLAB仿真軟件的輔助教學(xué)方法已經(jīng)成為作為傳統(tǒng)教學(xué)方式的有力補(bǔ)充，并取得了很好的效果。

一、MATLAB仿真輔助自動(dòng)化專業(yè)教學(xué)的必要性和可行性

1.必要性。MATLAB是一種廣泛應(yīng)用于工程計(jì)算及數(shù)值分析領(lǐng)域的新型高級(jí)語(yǔ)言，由主開(kāi)發(fā)環(huán)境、擴(kuò)展MATLAB功能的工具箱、Simulink仿真環(huán)境和第三方開(kāi)發(fā)的輔助工具等內(nèi)容組成。它可靠的數(shù)值計(jì)算和符號(hào)計(jì)算功能、簡(jiǎn)單易學(xué)的編程語(yǔ)言、強(qiáng)大的圖形功能以及為數(shù)眾多的應(yīng)用工具箱以及像“草稿紙”一樣的工作空間是區(qū)別于其它科技應(yīng)用軟件的顯著特點(diǎn)。在自動(dòng)化專業(yè)教學(xué)中引入MATLAB仿真的必要性和可行性自動(dòng)化專業(yè)學(xué)生如果能夠在學(xué)習(xí)自動(dòng)化相關(guān)專業(yè)理論的同時(shí)，學(xué)會(huì)使用MALAB語(yǔ)言，不僅對(duì)掌握和應(yīng)用自動(dòng)控制理論有幫助，還可以學(xué)會(huì)如何使用計(jì)算機(jī)輔助分析、設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)，為以后的工作和學(xué)習(xí)打下良好的基礎(chǔ)。

對(duì)于自動(dòng)化專業(yè)的學(xué)生，有必要從一開(kāi)始就以簡(jiǎn)單的MATLAB語(yǔ)言學(xué)習(xí)用計(jì)算機(jī)如何建模、如何分析和設(shè)計(jì)函數(shù)等，以強(qiáng)化自動(dòng)化理論的應(yīng)用性另一方面，MATLAB強(qiáng)大的可視化數(shù)據(jù)處理功能也能夠彌補(bǔ)自動(dòng)化專業(yè)理論課程授課時(shí)數(shù)的不足。由于教學(xué)內(nèi)容直觀性增強(qiáng)了，教材中的理論和公式更易于理解，教學(xué)質(zhì)量明顯提高。學(xué)生學(xué)會(huì)使用MATLAB語(yǔ)言之后，也能很容易地利用它繪制出各種圖形，有利于更好地理解基本原理和核心概念。增加MATLAB語(yǔ)言內(nèi)容，可以促進(jìn)教學(xué)，增強(qiáng)學(xué)生自己動(dòng)手分析、設(shè)計(jì)系統(tǒng)的能力。

2.可行性。MATLAB語(yǔ)言可在目前的各種類型的計(jì)算機(jī)上運(yùn)行，安裝簡(jiǎn)易。MATLAB語(yǔ)言比一般的高級(jí)語(yǔ)言(如C、FORTAN等)執(zhí)行效率低，而其編程效率與可讀性、可移植性要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其他高級(jí)語(yǔ)言。因此，在計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與仿真中較適合從MATLAB這樣的專用高級(jí)語(yǔ)言入手，這樣，不但可以提高編程的效率，而且可以提高編程的質(zhì)量和可靠性。這對(duì)于編程能力相對(duì)較弱的自動(dòng)化專業(yè)學(xué)生來(lái)說(shuō)無(wú)疑是最好的選擇。MATLAB為自動(dòng)控制領(lǐng)域的各類特殊問(wèn)題量身定制了相應(yīng)的指令、程序和運(yùn)行環(huán)境，為全面解決該學(xué)科中的復(fù)雜數(shù)值計(jì)算問(wèn)題，以及可視化、CAD研究等提供了綜合解決方案。掌握了它，既為自控專業(yè)學(xué)習(xí)節(jié)省了大量的時(shí)間、精力，又提高了學(xué)習(xí)的針對(duì)性和應(yīng)用性。

二、MATLAB仿真輔助自動(dòng)化專業(yè)教學(xué)的目的

將MATLAB語(yǔ)言和自動(dòng)化專業(yè)理論有機(jī)結(jié)合進(jìn)行教學(xué)，需遵循循序漸進(jìn)、深入淺出的原則，可以從基本操作入手，逐步過(guò)渡到模型建立，計(jì)算機(jī)輔助分析、設(shè)計(jì)中間，其中穿插自動(dòng)化領(lǐng)域中常用工具箱(如：Control Systems ToolboxSystem lden-tification Toolbox，Optimization Toolbox等)中最基本的內(nèi)容。最主要的是要讓學(xué)生會(huì)使用Simulink工具箱，能夠在simulink環(huán)境中進(jìn)行系統(tǒng)仿真。同時(shí)，精選精講課程例題、課后題，引導(dǎo)學(xué)生多做實(shí)習(xí)題，從增強(qiáng)學(xué)生實(shí)際動(dòng)手能力出發(fā)，選取實(shí)踐中的典型例子，把課堂中所學(xué)的理論和生產(chǎn)實(shí)踐相結(jié)合，并采用MATLAB語(yǔ)言編程工具分析和解決問(wèn)題，提高學(xué)生的科技創(chuàng)新以及掌握專業(yè)英語(yǔ)的能力。

三、MATLAB仿真輔助自動(dòng)化專業(yè)教學(xué)實(shí)例

1.“自動(dòng)控制原理”課程應(yīng)用實(shí)例。例：已知單位負(fù)反饋系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)為：G(s)=2.7/(s3+5s2+4s)，用Bode圖法判斷系統(tǒng)閉環(huán)的穩(wěn)定性。

>>Rum=2.7；den=[1540] SYS=tf(Rum，den)；

[Gm，Pm，Wcp，Wcg]=margin (SYS)；margin(SYS)

該程序運(yùn)行后，得到系統(tǒng)的Bode圖。計(jì)算的頻域性能指標(biāo)如下：幅值穩(wěn)定裕度：Gm=7.4074，即20×log10 (7.4074)=17.3933 dB相位穩(wěn)定裕度：Pm=51.7320°～180°穿越頻率：ωcp=2s；剪切頻率：ωcg=0.5783s

2.“電力電子技術(shù)”課程應(yīng)用實(shí)例。晶閘管三相橋式整流電路的仿真模型，利用MATLAB的工具箱POWERLIB對(duì)晶閘管三相橋式整流電路進(jìn)行建模和和參數(shù)設(shè)置。本例中設(shè)為晶閘管的通用橋和同步6脈沖觸發(fā)器，這使得相控電路的模型搭建起來(lái)很容易。用三個(gè)交流電壓源構(gòu)成三相正弦波電壓，Ua、Ub、Uc幅值設(shè)為100V，頻率設(shè)為50Hz，相位分別為0、120°、-120°，6脈沖觸發(fā)器通過(guò)常數(shù)模塊與移相角控制信號(hào)相連，通過(guò)對(duì)常數(shù)模塊的設(shè)置可以得到不同的移相控制角，由于6脈沖觸發(fā)器的同步電壓要求是線電壓，因此用電壓測(cè)量模塊將相電壓轉(zhuǎn)為線電壓負(fù)載電路用一串聯(lián)的R電路組成，以便能模擬電阻性負(fù)載及阻感性負(fù)載的情況。打開(kāi)仿真/參數(shù)設(shè)置窗口，選擇ode23tb算法，將相對(duì)誤差設(shè)置為1×10^-3，停止時(shí)間設(shè)置為0.1s。單擊工具欄中的“開(kāi)始”按鈕開(kāi)始仿真，仿真結(jié)束后雙擊示波器模塊可觀測(cè)被測(cè)量的波形，經(jīng)驗(yàn)證與理論圖形完全相符。

自動(dòng)化專業(yè)區(qū)別于其他專業(yè)的特點(diǎn)是特別強(qiáng)調(diào)系統(tǒng)的概念。完整地設(shè)計(jì)一個(gè)控制系統(tǒng)，對(duì)于培養(yǎng)學(xué)生建立系統(tǒng)的概念，使他們具有自動(dòng)化專業(yè)畢業(yè)生應(yīng)該具備的基本素質(zhì)，是非常有幫助的。而基于MATLAB的計(jì)算機(jī)仿真軟件能夠快速地、方便地、廉價(jià)地設(shè)計(jì)并構(gòu)造出各種控制系統(tǒng)，提供了一個(gè)強(qiáng)大的工具和工作平臺(tái)。通過(guò)兩個(gè)例子可見(jiàn)，將MATLAB仿真設(shè)計(jì)應(yīng)用于自動(dòng)化專業(yè)的教學(xué)中，可使教學(xué)達(dá)到事半功倍的效果，今后，我們還將在更多的專業(yè)課程中做更深更新的嘗試。