MATLAB在自動(dòng)控制原理教學(xué)中的應(yīng)用

郭凱 宿州學(xué)院

MATLAB在自動(dòng)控制原理教學(xué)中的應(yīng)用

郭凱 宿州學(xué)院

自動(dòng)控制原理專(zhuān)業(yè)性強(qiáng)、邏輯性強(qiáng)，學(xué)生學(xué)起來(lái)有一定的難度。將MATLAB仿真教學(xué)軟件引入到自動(dòng)控制原理教學(xué)中，通過(guò)直觀、形象的教學(xué)案例，能夠激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，提高教學(xué)效率。因此受到老師的歡迎。本文主要分析了自動(dòng)控制原理教學(xué)過(guò)程中存在的問(wèn)題，以及MATLAB在自動(dòng)控制原理教學(xué)中的具體應(yīng)用，希望對(duì)自動(dòng)控制原理教學(xué)提供一點(diǎn)借鑒。

MATLAB仿真軟件 自動(dòng)控制原理 教學(xué)方法

自動(dòng)控制原理是自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)學(xué)生的專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課程，對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)專(zhuān)業(yè)知識(shí)具有重要意義。但是自動(dòng)控制原理這門(mén)課程涉及的知識(shí)面廣、專(zhuān)業(yè)性強(qiáng)、涵蓋的內(nèi)容多、邏輯性強(qiáng)，需要反復(fù)的推理論證以及復(fù)雜的繪圖理論。這讓很多學(xué)生學(xué)習(xí)起來(lái)十分頭疼，而傳統(tǒng)的板書(shū)教學(xué)方式，十分枯燥，讓很多學(xué)生喪失了學(xué)習(xí)課題的興趣。將MATLAB應(yīng)用在自動(dòng)控制原理教學(xué)中，可以有效地克服傳統(tǒng)教學(xué)的缺陷，提高課堂的趣味性和交互性，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，為學(xué)生實(shí)踐打下良好的基礎(chǔ)。

1 自動(dòng)控制原理教學(xué)存在的問(wèn)題

《自動(dòng)控制原理》這門(mén)課程的理論性比較強(qiáng)，有很多應(yīng)用公式，需要大量的物理和高等數(shù)學(xué)知識(shí)，這對(duì)學(xué)生的要求非常高。很多學(xué)生并沒(méi)有高等數(shù)學(xué)相關(guān)的基礎(chǔ)，學(xué)習(xí)起來(lái)比較困難。再加上傳統(tǒng)的黑板加粉筆這種教學(xué)方法，讓很多學(xué)生學(xué)習(xí)起來(lái)感到十分困難，無(wú)法理解課本中的內(nèi)容，長(zhǎng)時(shí)期很容易讓學(xué)生失去學(xué)習(xí)的興趣。隨著計(jì)算機(jī)多媒體技術(shù)的發(fā)展，將計(jì)算機(jī)技術(shù)應(yīng)用在自動(dòng)控制原理這門(mén)課程上，通過(guò)多媒體技術(shù)將難以理解的公式形象化、具體化，讓學(xué)生學(xué)起來(lái)更加容易。

2 MATLAB在自動(dòng)控制原理教學(xué)中的應(yīng)用

MATLAB仿真軟件提供了豐富的MATLAB語(yǔ)言，通過(guò)數(shù)值運(yùn)算、圖形生成功能，并通過(guò)經(jīng)典的控制理論，構(gòu)建屬性模型，為系統(tǒng)設(shè)計(jì)、性能分析和仿真實(shí)驗(yàn)提供了基礎(chǔ)。

2.1 時(shí)域分析

在自動(dòng)控制系統(tǒng)微分方程求解過(guò)程中，往往會(huì)運(yùn)用到時(shí)域分析，但是時(shí)域分析的數(shù)學(xué)推導(dǎo)過(guò)程十分復(fù)雜，需要進(jìn)行大量的計(jì)算。在教學(xué)過(guò)程中，如果老師在講解的時(shí)候，在推導(dǎo)過(guò)程中浪費(fèi)太多時(shí)間，影響其他內(nèi)容的講解，會(huì)影響到課堂整體教學(xué)效果。

比如某單位反饋控制系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)是：

求系統(tǒng)單位階躍相應(yīng)c（t）最大超調(diào)量和調(diào)整時(shí)間：

如果按照傳統(tǒng)的教學(xué)方法，老師要分析整個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)，然后再一步一步的推導(dǎo)。通過(guò)MATLAB仿真軟件，可以直接繪制階躍相應(yīng)曲線，從這個(gè)曲線上很容易就找到了第四階系統(tǒng)的最大超調(diào)量、延遲時(shí)間td，以及上升時(shí)間tr，峰值時(shí)間tp在5%、2%誤差下的調(diào)節(jié)時(shí)間ts，根據(jù)這個(gè)曲線，在MATLAB軟件中編寫(xiě)程序，程序內(nèi)容如下：

輸入內(nèi)容以后，得出函數(shù)曲線圖，單擊函數(shù)曲線任意上的一點(diǎn)，并沿著曲線移動(dòng)，能夠?qū)崟r(shí)顯示曲線上點(diǎn)的動(dòng)態(tài)。通過(guò)移動(dòng)得出該函數(shù)的最大超調(diào)量為28%，延遲時(shí)間td=0．072s，上升時(shí)間tr=0．117s，峰值時(shí)間tp在5%誤差帶下的調(diào)節(jié)時(shí)間為0．179s，在2%誤差帶下的調(diào)節(jié)時(shí)間是0．666s。通過(guò)MATLAB軟件很容易就得到了各項(xiàng)數(shù)值，而不需要大量的計(jì)算。

2.2 繪制根軌跡圖

通過(guò)MATLAB軟件程序編輯語(yǔ)言，編輯如下文本信息：

確認(rèn)以后，系統(tǒng)立即得到軌跡圖形，如圖所示：

根據(jù)圖表，我們可以得出當(dāng)K從0到無(wú)窮大時(shí)，根軌跡在s左側(cè)，對(duì)應(yīng)的閉環(huán)系統(tǒng)比較穩(wěn)定。同時(shí)根據(jù)根軌跡，使用[k，poles]=rlocfind[n，d]中，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)十字光標(biāo)，點(diǎn)擊鼠標(biāo)左鍵點(diǎn)擊根軌跡圖的任意一點(diǎn)，就能夠得到該點(diǎn)出的增益值以及增益值對(duì)應(yīng)的閉環(huán)方程跟。此外，MATLAB仿真軟件應(yīng)用在自動(dòng)控制原理課程中，還可以輸入連續(xù)系統(tǒng)的傳遞函數(shù)、系統(tǒng)的零極點(diǎn)，分析系統(tǒng)的穩(wěn)定性，從而降低運(yùn)算量，能夠快速的繪制圖形，提高教學(xué)效率和教學(xué)效果。

將MATLAB仿真軟件引入到自動(dòng)控制原理課堂中，將復(fù)雜的計(jì)算和繁瑣的推論簡(jiǎn)化為直觀的圖形，讓知識(shí)點(diǎn)變得更加生動(dòng)、形象，課堂變得活潑有趣。不僅激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣，而且提高了學(xué)生分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力以及實(shí)踐動(dòng)手能力，為學(xué)生后續(xù)學(xué)習(xí)編程打下了良好的基礎(chǔ)。因此，在教學(xué)過(guò)程中，老師要充分利用現(xiàn)代技術(shù)，不斷豐富教學(xué)手段，提高教學(xué)質(zhì)量和教學(xué)效率。

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